藻菌共生系统用于水产养殖尾水处理的研究进展

水产养殖是近年来全球食品生产行业发展最快的领域之一。为了维护养殖水体的生态健康和养殖业的可持续发展，养殖尾水的处理（ATW）已成为一项不可或缺的任务。本文讨论了环境友好、经济高效的ATW处理技术的需求，以及藻菌共生系统（ABSS）在ATW处理中的潜力。分析了基于ABSS的ATW处理技术的特点，如能源消耗、温室气体排放、环境适应性以及同时去除或回收碳、氮、磷的可能性。本文根据ABSS的原理，介绍了建立ABSS应注意的关键环境因素，然后总结了建立ABSS系统中常用的藻类、细菌的种类以及藻类和细菌的比例。最后，对ABSS技术的构建和相关研究空白进行了回顾和讨论。

1.ABSS技术原理

藻类和细菌在水生生态系统中无处不在，它们可以相互合作和竞争。由于协同作用，它们可以形成互惠的共生关系，比单藻或细菌系统更好地实现水净化。在共生系统中，藻类和细菌之间存在着营养物质的交换（图1a）。藻类在光合作用过程中和腐烂过程中产生的有机物可被异养细菌同化。另外，光合作用产生的O₂增加了水体中DO的浓度，这有利于细菌的一些反应过程，如氨氧化、亚硝酸盐氧化和磷的积累。此外，细菌的代谢物也可以被藻类利用。例如，细菌产生的硝酸盐可以作为藻类生长的营养物质，二氧化碳可以被藻类用来合成有机物。

除了营养交换外，藻类和细菌之间的相互作用还包括基因转移、信号转导，以及产生相互刺激生长的代谢产物。如在鸟氨酸-尿素循环中，报道了细菌向藻类的水平基因转移。前沟藻能释放出有利于芽孢杆菌生长的胞外聚合物。海洋中地杆菌产生的有机螯合物可以将三价铁还原为二价铁，便于藻类吸收和利用铁。固氮杆菌可以通过产生惰-3-乙酸（IAA）和增强微藻氮循环酶来改变微藻的代谢，从而促进微藻的生长。在分子信号方面，藻类和细菌之间的相互作用可能受到群体感应和化感作用的影响。例如，细菌分泌化学信号分子，诱导藻类的形态变化，而藻类也可以释放特定的化学物质，抑制细菌的群体感应。在竞争相互作用方面，一些细菌可以抑制藻类的生长。藻类和细菌都对彼此产生负面影响，比如营养的竞争。适当的竞争相互抑制了彼此的生长和繁殖，但可能对维持ABSS的平衡有积极的影响。

虽然藻类和细菌之间的关系和相互作用已经得到了广泛的研究，但仍有一些问题需要解决：(1)全面了解藻类和细菌群落之间复杂的相互作用，对于验证ABSS有效处理废水的机制非常重要；(2)对群体感应和化感作用的深入了解仍然有限，特别是利用信号传输系统建立ABSS存在困难；(3)需要通过充分选择不同特征的藻类和细菌来建立和设计特定和强大的藻类和细菌联盟。

 

图1 藻类-菌共生系统中物质交换示意图(a)和藻菌共生系统处理废水(b)

2.ABSS的影响因素

2.1环境因素

环境因素会影响藻类和细菌的生长和代谢，从而改变ABSS的繁殖能力和死亡率，最终改变ATW处理的效率。值得关注的环境因素包括光照条件、pH值、DO、碳源、盐度等。

2.1.1光照条件

      光条件包括光强、暗光周期、光谱组合、光路长度、光辐照度量和光强波动。其中，光的强度是很重要的。这是由于光强度影响藻类细胞中叶绿体的生长和叶绿素的合成，从而影响藻类的一系列生理活动，例如光合活性、氧释放速率、酶活性、细胞内色素组成、脂肪和碳水化合物含量以及代谢产物。一般来说，藻类比细菌对光强度的变化更敏感。在ABSS中，有必要探索藻类生长和繁殖的最佳光强。当光强低于某一值时，藻类不会生长。随着光照强度的增加，光限制阶段的藻类的比生长速率随着光强度的增加而逐渐增加。当藻类达到其最大比生长速率时，相应的光强称为饱和光强。在ABSS中，当生物量浓度高于一定水平时，细菌和藻类细胞都可能导致光脱落。光照脱落可能导致藻类的生长和繁殖减少。然而，高于饱和光强度的光强度由于其对二氧化碳固定速率、细胞生长和生产力的影响，可能会导致光抑制。在这种情况下，脱落可能有助于减少光抑制。然而，不同藻类种类的最佳光强存在显著差异。在100、250和360 μmol m^?2s^?1条件下，铜绿微囊藻在250 μmol m^?2s^?1光强下，微囊藻的生长速率和光合活性最高。在103.5 μ mol/（m2·s）时，藻的产氧率最高。对于蓝藻和斜绿藻，当光强在150~400 μmol m^?2s^?1之间时，它们的光合活性与光强呈正相关。绿藻门中小球藻的最佳光强为3500 μmol m^?2s^?1。不同藻类的最佳光强度的显著差异可能是由于光强度影响了藻类中光合色素的合成。例如，低光强度会增加藻类中藻蓝蛋白和叶绿素a的含量，从而影响光活性。

此外，光谱组合，即不同波长组合的光，会影响藻类光合色素的合成，如叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。在光暗比（L/D）方面，不同的藻类具有不同的最佳光暗周期。例如，小球藻、斜角藻、绿藻和绿藻的最佳生长周期为18L/6D。光的辐照度量会影响藻类的养分去除率，光路长度会影响光的利用效率。因此，光照条件对藻类的光合作用、营养物质的利用和转化，最终对ATW处理效率有显著影响。有必要确定最适合ATW处理的光照条件。

2.1.2 pH

       pH对微生物群落组成、微生物生理活性和ATW的营养去除均有影响。pH值、盐度和温度决定了碳溶解在水中的形式。

pH与ABSS去除营养物质之间的关系是复杂的。有嗜碱和嗜酸的细菌和藻类种类。例如，在酸性环境（pH=5）下，ABSS清除重金属更有效。大多数藻类物种生长在pH的范围在7-9之间，许多研究表明，当使用ABSS去除氮、磷和无机污染物时，碱性条件是首选。此外，在碱性条件下，有利于氨剥离、磷沉淀和重金属沉淀。然而，pH水平高于10可能会抑制细菌活性，从而对污染物的去除不利。在ABSS中，pH波动很大，并受到各种过程的影响。藻类消耗的二氧化碳增加了pH。然而，氨氮的氧化会产生质子，有机物的降解会产生二氧化碳，从而降低了体系的pH值。此外，进入ATW的二氧化碳气流的供应降低了pH。细菌与藻类的比例在很大程度上影响ABSS中pH的时间变化。在实际应用中，通过调整pH可以实现ABSS的优化，以获得更好的ATW处理效果。

2.1.3 DO

      好氧条件是决定微生物群落结构的重要因素。在ABSS中，DO的浓度会受到藻类与细菌的比例、光照条件、外部供氧和ATW特性的影响。在分批试验中发现，无论小球藻与活性污泥的比值如何，DO水平都逐渐下降，这表明需要外部氧气供应来维持DO水平在合理的水平。在硝化过程中，将1 mol的氨氮转化为硝酸盐需要1.5 mol的O₂。在有氧条件下，可溶性的磷会被磷积累的生物体（PAO）同化。氧气的限制限制了细菌的生理活动。当DO不足时，可能会有复杂的生化过程，如通过反硝化释放氨氮，细胞释放磷和有机物质的转化，造成二次水污染。

       过量的DO可以通过降低微藻的生长速率来导致它们的光呼吸，因为二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）在高浓度的O₂下开始固定氧气，而不是二氧化碳。这降低了微藻的生长速度，导致丙二醛在微藻细胞中丙二醛的积累，这对细胞代谢有毒。以螺旋藻为例，以适当的DO浓度培养螺旋藻，可以获得较高的蛋白质和干物质含量。当DO水平高于6 mol/L时，会引起螺旋藻强烈的光呼吸，直接抑制光合作用，从而降低螺旋藻的干重。此外，过量的O₂会导致藻类细胞发生Mehler反应，从而降低二氧化碳的固定能力，损伤光合膜。

      传统的废水处理工艺受到外部氧气供应的限制。在ABSS中，藻类提供的氧气减少了外部的供氧需求，从而降低了ATW养分去除的能量消耗。然而，氧气供应仍然是大多数ABSS的一个限制因素。为了保证细菌有足够的氧气供应，DO水平通常通过曝气来调整，这已成为ABSS工艺优化的重要组成部分。为了实现废水的有效处理，必须将DO浓度保持在合理的水平，防止DO环境的不足或过量。此外，在实施曝气时，还应考虑ABSS对DO浓度的敏感性和经济成本。

2.1.4.碳源

由于缺乏碳源，细菌的氮、磷去除效率往往受到抑制。碳与氮之比C/N）影响细菌的营养物质去除途径。当C/N小于10时，异养细菌优先使用有机碳，从而增加了水中的氨氮。当C/N大于10时，异养细菌可以同时利用有机氮和无机氮消耗铵态氮。外碳源的加入可以促进低COD浓度的废水的养分去除。

广泛使用的外碳源包括二氧化碳、醋酸、醋酸钠、柠檬酸钠、葡萄糖、乙酸铵和甘油。它们对ABSS的影响差别很大。以葡萄糖、乙酸钠和柠檬酸钠为碳源，培养寻常小球藻和地衣芽孢杆菌。结果表明，TN、TP和TOC的去除效率最高，分别达到74.99 %，92.66 %和75.09 %，比醋酸钠高10 %，比甘油高20 %。在ABSS中，过量的碳源浓度会促进细菌的生长，加剧细菌和藻类对养分的竞争，从而抑制藻类的生长，降低养分的去除效率。在海水养殖废水处理过程中，加入200mgL^?1葡萄糖，ABSS的处理效率低于单一细菌系统。在地衣芽孢杆菌和丝状藻类的混合培养中，当葡萄糖浓度高于100mgL^?1时，由于地衣芽孢杆菌的抑制作用，丝状藻类的数量显著减少。碳源的限制仍然是ATW不完全生物反硝化的主要原因。为了实现有效的养分去除，在ATW处理过程中需要提供合适的类型和合理的数量的碳源。然而，由于ABSS的最佳碳氮比因微生物群落结构的不同，因此需要合理地评估碳源输入量。

2.1.5.盐度

水产养殖废水的盐度根据养殖养殖的类型有很大差异。一般来说，鱼类养殖废水的范围在3 psu和15 psu之间。在河口和沿海地区，盐度通常在5 psu和20 psu之间有所不同。在极端情况下，盐度可以是35 psu或更高。不同藻类和细菌的最佳生存盐度也有所不同，这主要与渗透压有关。此外，盐度可引起细胞内铁胁迫和细胞离子比的变化。高盐度条件可能导致血浆溶解或细胞破裂。

少数微藻，如四叶藻、盐藻、衣藻。和普通小球藻具有广泛的耐盐性，可适应广泛的盐度水平。杜氏菌是嗜盐的，可以在盐度比其细胞高几倍的海水中存活，由于其有效的钠离子稳态机制，它可以保持细胞质中恒定的钠离子浓度。在高盐度条件下，一些蓝藻细菌积累硫酸盐以平衡细胞中氯离子的增加。一些微生物含有merA酶，可以帮助细胞耐受高盐度。河口和盐碱内陆地区的藻类不仅能在长期演化中正常生长，还能去除废水的盐度。

在ABSS中，盐度对细菌和藻类的生长、组成和代谢活性、微生物群落结构的丰富度和多样性、硝化细菌的沉降特性和养分去除效率都有影响。在高盐度条件下（即20 psu），栅藻的生长速率明显高于小球藻。在盐度胁迫下，藻类细胞中的脂质产生可以被触发并增加。盐度的增加导致了微生物群落结构的变化和养分去除效率。例如，在10psu-50psu的盐度下，藻类-细菌颗粒污泥（ABGS）系统去除氮和磷的效率最高。盐度的上升从0psu到35psu，亚硝化单胞菌（典型的氨氧化细菌）和硝化螺旋菌（典型的亚硝酸盐氧化细菌）的固定化微生物颗粒在移动床生物反应器增加，亚硝酸盐氧化细菌的特定吸氧率降低了86.32%。

2.2.藻类

藻类具有高度的适应性，可存在于淡水和海水环境中，并可作为细菌的栖息地。藻类的生长需要在水中吸收营养物质，如氮和磷。因此，藻类的生长和代谢活动有助于将ATW中的营养物质转化为增值产品，如脂质和蛋白质。ATW中的营养物质可能会促进藻类的快速生长，从而导致藻华繁殖。在ABSS中，藻类的过度生长可以通过引入细菌来消除，因为微藻的特定生长速率通常低于细菌。

藻类可以通过生物吸附和生物积累去除重金属。例如，利用绿藻和小球藻构建藻类-细菌系统，其Pb²⁺和Cd²⁺的去除率比单个菌群高30-33%。然而，重金属可以降低或抑制藻类的光合活性，从而提高去除污染物的效果。与细菌相比，藻类可能对水中的有害污染物更为敏感。此外，藻类还可以清除病原体和有机污染物。广泛应用于水产养殖处理的藻类包括小球藻、硒藻、海藻、衣藻等（表2）。不同种类的藻类在生理特性和污染物去除效率方面存在差异。以小球藻为例，它们是广泛分布在淡水和海水中的单细胞绿藻，对营养、盐度和温度具有很强的抗性。由于其易于栽培和快速繁殖，在许多连续运行的ABSS中是优势藻类。     经过ATW处理后，废水中的藻类可能导致高悬浮固体值，这可能会对接收水体造成问题。获得良好废水质量的传统方法包括生物质保留和收获，如絮凝、沉淀和过滤。这些方法面临的一个关键挑战是较高的操作成本。细菌代谢物可以作为生物絮凝剂，通过沉降来处理生物量。据报道，具有良好沉降能力的废水传播的藻类-细菌培养物可以在20 min内完全沉降，这使总悬浮物从1.84gL^?1降低到0.016gL^?1。此外，循环养殖系统以去除ATW中的污染物或恢复养分作为资源，将处理后的水全部或部分循环到养殖系统。

 

2.3细菌和藻类的比例

藻类和细菌的比例是影响污染物去除效率的重要因素。据报道，当寻常小球藻与地衣芽孢杆菌的重量比为1：3时，废水中总磷（80.28 %）和氨氮（72.00 %）的去除率最高。在悬浮活性污泥和海藻酸盐固定化小球藻组成的菌群中，比例0.5~5，脱氮率较高（Mujtaba和Lee，2017）。与单个藻类或细菌群相比，构建的藻类（海藻、小球藻）和细菌（芽孢杆菌、微球菌），体积比为3：3：2：1可以耐受较高浓度的Pb²⁺（200 ppm）和Cd²⁺（1.5 ppm），并通过生物吸附和生物修复获得较高的重金属去除效率。

在光利用方面，水中藻类和细菌的数量和分布影响藻类接收的光辐照度。此外，根据营养供应的可用性和生物量浓度，藻类和细菌之间可能存在对空间和营养物质的竞争。当废水中的COD超过340 mgL^?1时，细菌数量大幅增加，威胁到藻类的生存。一些研究表明，藻类在去除氮和磷方面起着主导作用，而细菌可以去除大部分的有机物。由于高COD对藻类生长的抑制作用，在处理高有机含量的废水时，需要调整藻类和细菌的比例，以提高共生体的活性。当废水类型不同时，藻类与细菌的最佳比例需要相应地改变。

3. 启示

基于关键影响因素，结合ATW的特性，需要对ABSS的构建进行进一步的研究。全面了解影响ABSS的关键因素，并进行深入的研究，以改进和优化该技术。特别是ABSS对实际ATW治疗的工艺优化和扩展，对未来的研究和开发具有重要意义。另外，除了营养交换外，藻类和细菌之间的相互作用还包括基因转移、信号转导，以及产生相互刺激生长的代谢产物，这些也值得我们深入的研究。