婁云剴

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410125）

1 藻菌共生體系

1.1 發(fā)展歷程

藻菌共生體系是指自然界中特定的藻類和菌類之間，根據(jù)自身的協(xié)調(diào)作用而達到凈化水體的效果的一種生物處理技術(shù)體系。

1962 年，美國堪薩斯大學(xué)的麥金尼教授，在構(gòu)筑完全混合式活性污泥數(shù)學(xué)模型時，就設(shè)想建立一種處理污水的絮凝藻菌共生系統(tǒng)[1]。通過在一些特定構(gòu)筑物中，采用人工控制的方式，培育相應(yīng)的部分藻類來處理污水，藻菌共生體系由此走向人為控制的發(fā)展方向。1967 年，Oswald William 教授等在其文章中首次提出了菌藻共生系統(tǒng)這一概念[2]，并構(gòu)筑了最初的穩(wěn)定塘系統(tǒng)。這一概念的提出及穩(wěn)定塘系統(tǒng)的構(gòu)筑，使得關(guān)于藻菌共生體系的研究進一步專業(yè)化、系統(tǒng)化、規(guī)范化。20 世紀(jì)80 年代，國內(nèi)外針對藻菌共生體系處理污水的大量試驗性研究取得了突破性的成果。這些研究涵蓋了進水水質(zhì)及其種類、微藻處理反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、藻種的選擇以及藻菌去除有機物、重金屬與氮磷營養(yǎng)物質(zhì)機理等許多方面[3]。并最終在1983 年，由 Buhr 等[4]建立了更加成熟的HRAP 動力學(xué)模型。這些研究為近現(xiàn)代藻菌共生體系處理污水的應(yīng)用，提供了強有力的技術(shù)基礎(chǔ)與理論支持。學(xué)術(shù)界自此掀起了一場關(guān)于利用微藻和細(xì)菌協(xié)同作用的研究熱潮[5]。

1.2 模式及原理

水體中的有機污染物，經(jīng)藻菌共生體系中好氧型細(xì)菌或真菌氧化分解產(chǎn)生二氧化碳（CO2）和銨離子（NH4+）、磷酸根離子（PO43-）等營養(yǎng)鹽，藻類以光能為能源，通過吸收這些營養(yǎng)鹽來進行光合作用，消耗了污水中存在的大量氮（N）、磷（P）等元素，并將無機物合成用以自身生長發(fā)育所需的細(xì)胞物質(zhì)[6]。與此同時，再次釋放氧氣（O2）供好氧型細(xì)菌或真菌繼續(xù)氧化有機物，實現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)共生。

隨著對藻菌共生體系原理的掌握及研究深入，研究人員對其特異性的組合方式不斷改良、創(chuàng)新，逐漸出現(xiàn)了高效藻類塘技術(shù)、活性藻技術(shù)、流化床光生物反應(yīng)器、水力藻類床、生物轉(zhuǎn)盤等新型的藻菌共生體系新模式（表1）。這些模式，也為現(xiàn)階段應(yīng)對不同水質(zhì)污染問題，提供了多樣且充足的選擇。

表1 菌藻共生體系在污水中主要形式及優(yōu)缺點

1.3 常用藻菌原料

現(xiàn)階段，藻菌共生技術(shù)中常用的微藻主要有小球藻、月牙藻、柵藻、衣藻、螺旋藻、銅綠微囊藻等（表2）[7-12]。

表2 常用于污水處理的微藻及其去除率

常用的菌類有芽孢桿菌、硝化細(xì)菌、光合細(xì)菌、黑曲霉菌、煙曲霉菌等（表3）[13-18]。

表3 常用于污水處理的菌類及其去除率

這些微藻和菌類，因其種類的特異性，其個體本身及不同個體組合后，針對不同水域環(huán)境問題表現(xiàn)出特異性功能。

2 水質(zhì)凈化功能

藻菌共生體系最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的功能即其水質(zhì)凈化功能，其效能往往代表著該體系在實際應(yīng)用中絕大部分的功能效果。

2.1 對氮、磷營養(yǎng)鹽的調(diào)控作用

N、P 是生命體生長中所必需的，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的重要元素，其含量往往是養(yǎng)殖水體污染的重要指標(biāo)[19]。隨著當(dāng)下社會高密度養(yǎng)殖模式的推廣，大量養(yǎng)殖尾水隨意排放進入自然水體，水域生態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致自然水體中NH4+-N、NO2--N、PO43--P 等營養(yǎng)鹽含量急劇上升[20-21]。由此引發(fā)的污染問題日趨嚴(yán)峻。

同時，當(dāng)水中P 含量增加時，藻類生長繁殖速度隨之加快。大量藻類漂浮在養(yǎng)殖水表面，引起赤潮或水華[22]，繼而導(dǎo)致光合作用效率下降，降低水中溶解氧，導(dǎo)致動植物缺氧死亡[23]。藻類甚至?xí)a(chǎn)生藻毒素，對魚蝦的生長具有毒性作用[24]。

藻菌體系與污水中N、P 之間的關(guān)系，可以簡單概括為：微藻主要以無機N、P 為生長元素，合成自身的有機N、P，從而降低污水中的N、P 含量[25]。如若環(huán)境中無機N、P 缺乏，細(xì)菌在微藻死亡后可分解微藻的有機質(zhì)，繼續(xù)供其他微藻生長所需，從而提高元素的利用效率[26]。此外，楊翔梅[27]的研究結(jié)果表明，硝化細(xì)菌、復(fù)合細(xì)菌、COD 降解菌三種菌劑單獨添加時，廢水中NH4+-N 的去除率分別為27.3%，16.0%，13.3%。對比可知，其中硝化細(xì)菌去除NH4+-N 的能力最強。周鳴等[28]的研究結(jié)果表明，固化硝化細(xì)菌小球和固化菌藻小球均可顯著去除污水中的NH4+-N，但后者的去除效果更佳。當(dāng)實驗條件為 28 ℃、pH 值為 8、NH4+-N 起始質(zhì)量濃度為50 mg/L、NH4+-N 與固化菌藻小球用量比為 1∶40 時，24 h 內(nèi)NH4+-N 去除率為96.51%。這些數(shù)據(jù)足以驗證Oswald 等[29]提出的培養(yǎng)藻類進行深度生物處理污水的方法，即通過光合作用固定CO2，同時利用水體中的N、P 等富營養(yǎng)元素，實現(xiàn)微藻生長及廢水處理的雙重目的[30]。

同時，相關(guān)研究[31]發(fā)現(xiàn)，微藻-硝化細(xì)菌體系對NH4+-N 的去除率為51.2%，大于單獨微藻對NH4+-N的去除率17.5%與單獨硝化細(xì)菌對NH4+-N 的去除率27.3%之和。分析可知，硝化細(xì)菌與微藻間具有協(xié)同作用，且藻菌共生體系能夠更大化地提高水質(zhì)凈化能力。

綜上所述，藻菌共生體系通過微藻和細(xì)菌的聯(lián)合作用，可以消耗或補充水體中含量失衡的N 和P，從而實現(xiàn)調(diào)控水中營養(yǎng)物質(zhì)含量，改善水體水質(zhì)的作用。

2.2 對BOD 和COD 的調(diào)控作用

在水質(zhì)研究中，BOD 和COD 是兩個重要的而且能較快測定的有機物污染參數(shù)。

鄭耀通[32]構(gòu)筑了由小球藻、乳酸菌、光合細(xì)菌、紅酵母、產(chǎn)朊假絲酵母組成的藻菌共生體系，在不同條件下對經(jīng)厭氧酸化預(yù)處理的養(yǎng)豬污水中氨氮含量指標(biāo)（NH3-N）、有機質(zhì)進行去除。其研究發(fā)現(xiàn)，實驗組成的藻菌共生體系可使酸化豬場污水中的BOD 在48 h 內(nèi)的去除率達 96.8%。同時發(fā)現(xiàn)，藻菌共生體系和細(xì)菌純培養(yǎng)體系對沼液中COD的去除效果，明顯優(yōu)于小球藻純培養(yǎng)體系。分析可知，藻菌共生培養(yǎng)體系和細(xì)菌純培養(yǎng)體系處理效果明顯，是因為沼液中COD 的去除作用主要是由細(xì)菌分解有機物產(chǎn)生的。

當(dāng)然，藻菌共生體系中的微藻在該過程中發(fā)揮的作用同樣不可或缺，據(jù)Wolfaardt 等[33]的研究估算結(jié)果，在微藻的協(xié)同作用下，細(xì)菌降解污水中COD的效率可提高37%以上。這就證明了微藻對系統(tǒng)中細(xì)菌分解有機物起到了積極的促進作用。

基于此，Mujtaba 等[34]研究了小球藻與假單胞菌putida 構(gòu)建的藻菌體系，發(fā)現(xiàn)其對COD 的調(diào)節(jié)效果明顯優(yōu)于小球藻純培養(yǎng)體系，可達86%。Maza-Márquez 等[35]也對橄欖油生產(chǎn)過程中的污水進行處理，該實驗將斜生柵藻、小球藻、藍(lán)藻、魚腥藻等接種到PBR 中，與污水中的菌類形成菌藻聯(lián)合體。實驗結(jié)果表明，BOD、COD 的去除率分別可以達到（97.8 ±12.7）%和（80.7±9.7）%。

綜上所述，污水中BOD 去除主要由細(xì)菌分解有機物完成，藻菌共生體系內(nèi)的微藻在體系中起一定的促進作用。兩者相結(jié)合的藻菌共生系統(tǒng)，能夠有效地降低污水中的BOD、COD 含量，凈化水質(zhì)，維持相對健康的水體營養(yǎng)水平。

2.3 對重金屬的吸附作用

目前所應(yīng)用的菌藻共生體系對重金屬的去除方式主要以生物吸附為主，即通過各自細(xì)胞表面的功能團（羧基、羥基等）與金屬結(jié)合[36]，起到吸附降解重金屬的作用。因此，通過篩選與重金屬有高結(jié)合能力的細(xì)菌與微藻能夠提高菌藻共生系統(tǒng)去除重金屬的整體效果。

Batool 等[37]曾采用模擬的重金屬溶液來研究小球藻與深海微小桿菌混合培養(yǎng)構(gòu)建的藻菌共生體系對重金屬的去除效果，研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對污水中銅（Cu）、鉻（Cr）和鎳（Ni）的最高去除率分別達到78.7%，56.4%和80%。此外，Subashchandrabose 等[38]認(rèn)為，在連續(xù)進水條件下，藻菌共生體系聯(lián)合處理含 Cu 污水的最高去除效率可達80%。這些數(shù)據(jù)，都足以證明藻菌共生體系針對被重金屬污染的水體，可以起到較為充分的吸附降解作用。

除此以外，何柳等[39]針對核廢料金屬鈾在水體中的去除作用也做了相關(guān)的實驗研究。其構(gòu)筑了合果芋-內(nèi)生菌共生體系，采用ICP-MS 測定方法，在鈾初始質(zhì)量濃度為0.5 mg/L 時，最高鈾富集率達98.34%，實驗組鈾質(zhì)量濃度降至16.615 μg/L；在1，2 mg/L 的初始質(zhì)量濃度條件下，廢水中鈾質(zhì)量濃度分別降至 17.903 和 26.067 μg/L，3 組廢水濃度均達到排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此可知，特異性的藻菌共生體系還可用于修復(fù)較低濃度的鈾污染廢水。

另外，司建偉[40]在研究中發(fā)現(xiàn)，藻類物質(zhì)在進行光合作用時既產(chǎn)生了氧氣，又能超負(fù)荷地吸收重金屬離子，提高了水的pH 值，可以起到一定的消毒作用，降解農(nóng)藥、烷烴、酚類等多種有機物質(zhì)。并且它還能夠結(jié)合外源物質(zhì)，促進N、P 等元素在水中的循環(huán)吸收，增加藻類物質(zhì)的生物量，可以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟價值。

綜上所述，藻菌共生體系對于降低污染廢水中過高的重金屬含量、協(xié)調(diào)水質(zhì)、凈化水體，有其獨特的積極意義。

3 總結(jié)與展望

3.1 研究困境與應(yīng)用難題

由于上述研究大多停留在實驗室階段，考慮到現(xiàn)實環(huán)境下變量因素的多樣，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)具有一定的局限。參照實際應(yīng)用場景，熊云武等[41]構(gòu)筑了生態(tài)模型，研究了藻菌共生體系對魚類養(yǎng)殖池塘水、羅氏沼蝦養(yǎng)殖池塘水的實際應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前階段，藻菌共生體系投入產(chǎn)出比不高，且構(gòu)筑系統(tǒng)的多方面技術(shù)存在空缺。

現(xiàn)行較為先進的藻菌共生小球應(yīng)用載體的包埋工藝，在實踐中也出現(xiàn)了固定化藻菌膠球經(jīng)長時間浸泡容易開裂等問題，繼而造成體系破壞；此外，新型的固定化微生物反應(yīng)器開發(fā)研究陷入困境，傳統(tǒng)的固定化載體會限制光能的獲得和物質(zhì)的傳遞，不能較好適應(yīng)新環(huán)境下藻菌共生體系各方面功能的實際應(yīng)用等。這些都是藻菌共生體系產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化、實用化過程中需要解決的應(yīng)用難題。

3.2 總結(jié)

現(xiàn)階段，中國的水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻。利用藻菌共生體系進行水質(zhì)凈化，這種新方式實現(xiàn)了由較為單一的傳統(tǒng)物理化學(xué)凈化方法向多元化的現(xiàn)代模式發(fā)展的巨大轉(zhuǎn)變。其不僅可以改善環(huán)境、修復(fù)生態(tài)，還可以生產(chǎn)系列附屬產(chǎn)品，實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟與社會效益，其在新型污水深度處理的應(yīng)用上展現(xiàn)出不可小覷的巨大優(yōu)勢。

大量的研究表明，藻菌共生體系不僅能明顯去除 N、P、有機物，降低 BOD、COD，降解污水中的重金屬等，甚至還可以控制和凈化大腸桿菌、誘變活性物質(zhì)和病毒等。這也為藻菌共生體系的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進一步有針對性的發(fā)展做好了先期準(zhǔn)備。當(dāng)然，本次研究發(fā)現(xiàn)了藻菌共生體系在發(fā)展初期具體實踐及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的諸多不足之處，也從中發(fā)現(xiàn)了大量的新思路新方向，這也為接下來有針對性的改良與發(fā)展，找到了突破口和新的起點。

3.3 尋求突破與新的方向

藻菌共生體系不僅符合生態(tài)學(xué)的原理，生態(tài)環(huán)保，而且可以實現(xiàn)水的資源化，具有相當(dāng)高的生態(tài)和經(jīng)濟意義[42]。針對藻菌共生體系中，不同微藻和菌種組合以及不同的藻菌比例展現(xiàn)出的特異性功能，應(yīng)當(dāng)在進一步地深入研究與試驗后，在實現(xiàn)高效微生物的優(yōu)選及活性保存技術(shù)的研究突破的同時，尋求不同應(yīng)用場景下，對普遍性規(guī)律選擇的把握。

在處理水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的富營養(yǎng)化養(yǎng)殖廢水等技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面遇到了一系列問題。針對藻菌共生小球包埋工藝滯后，應(yīng)當(dāng)進行傳統(tǒng)包埋工藝的技術(shù)改進，例如參考介孔硅納米包埋對枯草芽孢桿菌的處理等。針對共生小球固定載體的選擇難題，應(yīng)當(dāng)加快廉價高效固定化載體的研制和開發(fā)。針對傳統(tǒng)的固定化微生物反應(yīng)器，應(yīng)當(dāng)開展固定效率更高、共生小球回收更便捷的新型反應(yīng)器的開發(fā)研究。針對固定化載體會限制光能的獲得和物質(zhì)的傳遞，應(yīng)當(dāng)展開固定化材料傳質(zhì)阻力問題的研究等。