盧 蕾,馬佳瑩,褚華強, *,周雪飛,張亞雷

(1. 同濟大學 環(huán)境科學與工程學院, 上海 200092;2. 同濟大學 污染控制與資源化研究國家重點實驗室, 上海 200092)

0 引 言

水資源短缺是伴隨資源枯竭和環(huán)境惡化的全球性問題之一。工業(yè)化、全球流動性的不斷提升和人口的不斷增加對淡水資源都產生了不利影響。污水來源分為市政污水、農業(yè)污水和工業(yè)廢水三大類,由于含有較多的氮、磷、硫、重金屬等有機和無機復合類污染物,若排放到水體中,易造成富營養(yǎng)化等環(huán)境問題,從而對人體健康造成危害同時造成資源浪費,必須要對其進行有效的污水處理[1]。目前污水處理技術主要為生物處理工藝(包括活性污泥法與生物膜法)和物化處理技術(比如絮凝沉淀),但這些傳統(tǒng)處理手段的氮、磷去除效果差,脫氮過程額外的碳源投加導致成本投入高且系統(tǒng)易產生依賴、抗沖擊負荷能力差,而化學除磷需要添加藥劑易造成二次污染且不經濟;此外還存在運行成本高、污泥和溫室氣體產量大、資源未有效回收等一系列問題[2]。因此開發(fā)一種相對低碳、經濟且可持續(xù)的污水處理與資源化并行處理模式十分必要。

微藻能夠利用太陽能、二氧化碳以及污水中的氮磷等轉化為用于生長繁殖的自身物質,既能達到去除污水中的污染物質的目的又能實現生物質能的回收[1]。利用微藻去除廢水中污染物以及回收生物質涉及微藻與好氧和厭氧微生物的共生體系[2]。菌藻共生是一種具有潛力的低碳環(huán)保、資源回收的污水處理模式。

本文基于菌藻共生體系用于廢水處理的機理,總結菌藻共生處理模式及菌藻之間相互作用關系以及菌藻共生體系的影響因素。并進一步綜述藻菌共生體系用于廢水生物修復、生物質能源生產和CO2固定方面的應用潛力。

1 菌藻共生體系作用機理

1.1 菌藻共生處理模式

菌藻共生最早在海洋水生態(tài)研究中被提及,“藻類細菌聯盟”的概念最初是在1981年提出的[3],William Oswald最早提出利用藻菌共生體系改善廢水處理氧化池中氧氣供應的狀況。隨后許多研究者開始關注藻菌共生培養(yǎng)的內在機制,更好地指導水處理技術的創(chuàng)新發(fā)展。菌藻共生體系主要有三種類型:微藻-細菌、微藻-真菌以及多藻-多菌共生模式。目前,在微藻處理技術中菌藻共生系統(tǒng)協同處理中最常見的為第一種,其研究最為廣泛。

1.2 菌藻間相互作用

微藻與細菌的相互作用關系主要包括互利共生、偏利共生和相互競爭。微藻和細菌之間的相互作用對廢水處理效果、生物質的產生有很大影響[4]。不同環(huán)境條件下菌藻間作用方式分為3類:營養(yǎng)交換、信號傳遞和基因轉移(圖1)[5]。

圖1 菌藻之間三種相互作用關系[5]Fig. 1 Three types of microalgae-bacteria interactions[5]

1.2.1 菌藻共生相互作用關系

菌藻之間在物質與能量供給方面能夠相互促進。一方面,細菌異養(yǎng)產生CO2等重要營養(yǎng)物質被微藻用于光合作用;另一方面,微藻在光合作用過程中產生的O2一部分可供細菌生命活動所需,細菌也可以通過破壞微藻細胞壁以此利用胞內營養(yǎng)物質,死亡微藻細胞也是細菌營養(yǎng)物質來源之一,微藻以溶解碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)形式轉化成光合有機物可作為細菌的碳源[6];同時,細菌為微藻提供生長所必需的促生激素和維生素B,并且這種共生關系保護微藻免受其他入侵物種的危害;藻類也作為細菌的生長環(huán)境,與藻類相關的細菌群落通常具有高度的宿主特異性[7]。

菌藻生長代謝在另一方面也表現出相互競爭關系。在營養(yǎng)物質利用方面,微藻與微生物都會吸收污水中的氮、磷等作為自身的營養(yǎng)物質。當一些污水中氮、磷等營養(yǎng)物質較低,無法滿足藻與微生物共同生長的需求時,彼此之間就會表現出明顯的競爭關系[8]。微藻在黑暗環(huán)境下進行呼吸作用也需要消耗外界環(huán)境中的O2,此時微生物就會與藻類競爭O2。微藻產生藻毒素釋放后會抑制細菌生長甚至產生毒害作用;同時細菌也會釋放細菌毒素,以此抑制藻類的生長甚至會裂解藻細胞利用胞內物質進行生命活動[9]。菌藻間相互作用關系如圖2所示。

圖2 菌藻共生體系中的相互作用[10]Fig. 2 Interactions between algae and symbiotic bacteria[10]

1.2.2 菌藻共生相互作用形式

營養(yǎng)交換是藻菌間相互作用的基礎。藻類排出DOC供異養(yǎng)細菌吸收分解,此外微藻分泌脂質、蛋白質和核酸等胞外分子增加細菌活性,為細菌提供生長所需營養(yǎng)物質[2]。藻菌間也通過信號分子進行信息傳遞,激活或抑制基因表達,從而調節(jié)生理活動與生長行為。藻類可合成群體感應(Quorum Sensing, QS)模擬物(如迷迭香酸),影響細菌間的通訊與感應,從而抑制菌種運動性、改善生物膜形成[11]。此外研究發(fā)現藻際中的藻菌基因組會出現基因轉移現象[5],建立共同進化體系,以更好適應變化的環(huán)境。表1總結了菌藻間相互作用介質分子及其作用機制。

表1 微藻-細菌相互作用促進藻類生長和有價值化合物積累[4]

1.3 菌藻共生體系的影響因素

1.3.1 外部因素

(1)營養(yǎng)物質

C/N會影響菌藻系統(tǒng)平衡,在低C/N條件下,硝化細菌數量約為高C/N時十倍,高C/N條件下,藻類細胞被異養(yǎng)細菌排擠,導致光合作用受限,產氧量不足,從而影響細菌種群生長,破壞菌藻平衡系統(tǒng)[25]。

(2)光照條件

光照條件是微藻光合作用和固碳的先決條件。微藻的生長速率隨著光照強度的增加而增加,直到達到一定閾值,即光飽和。當光照成為微藻培養(yǎng)的唯一限制因素時,微藻的產量與光轉化效率成正比[26]。光照時間、光強及光周期對藻菌共生系統(tǒng)的營養(yǎng)物質去除、藻類生長、生物活性均有顯著影響。光周期在微藻的生長中也起著重要作用,短光周期或長光周期均能抑制細胞生長,顯著降低藻類菌株的細胞密度、葉綠素a和蛋白質含量[26]。微藻細胞的生長速率不僅受光周期的影響,還受光強度的影響[27]。大多數微藻只適用于低強度光照[28]。例如,小球藻和柵藻的飽和光強度為200 μmol·m-2·s-1,嗜熱綠藻屬具有很強的光適應性,可以在36.9～246.1 μmol·m-2·s-1的光照強度下生長,并在200 μmol·m-2·s-1的光強度下生長最佳[28]。

此外,光的波長也會影響微藻生長。據研究,紅光和藍光可顯著促進斜體小球藻的生長[29],但由于現有研究在原位特征、檢測參數獨立性和高精度光學條件測試方法等方面仍然存在缺陷[30],模擬和定量比較微藻的傳光模型和光輻射特性還存在困難。

由于藻菌間存在復雜的相互作用機制,藻類生長影響營養(yǎng)物質傳遞以及信息轉導等過程,光照條件改變作用于微藻會間接或直接刺激共生菌種,但仍需進一步探究二者相互作用的前提下的光響應機制。

(3)溫度

溫度會影響各種藻菌生長所需酶以及藻菌間營養(yǎng)交換、信息傳遞所需酶活性從而影響?zhàn)B分吸收、營養(yǎng)物質利用效率和細胞分裂周期等。過高或過低的溫度都會影響這些生理活動,甚至威脅到菌藻的生存。在適宜溫度的范圍內,升溫可以加速菌藻生長,溫度過低會抑制菌藻的生長[31]。

不同菌藻體系適宜的溫度區(qū)間不同[28],一般情況下,藻類培養(yǎng)的適宜溫度在15～30 ℃范圍內。當溫度低于15 ℃時,微藻生長緩慢;當溫度高于35 ℃時,微藻會生長緩慢甚至死亡。然而對于一些耐高溫藻類比如從土壤分離出的小球藻ChlorellaZY-1來說,溫度對固碳效率影響不大。研究發(fā)現,當溫度為20～25 ℃時,ChlorellaZY-1的生長速率隨溫度的升高而增加;生長速率在25～30 ℃時沒有顯著變化;生長在40 ℃時受到抑制,但仍能保持高細胞濃度[32]。

(4)pH

(5)氣體傳質

在微藻-細菌共生互作中,藻菌生長和微藻固定CO2都涉及CO2和O2的交換。因此氣體傳質也是影響微藻培養(yǎng)的另一個關鍵因素,CO2和O2的傳質系數是限制微藻光合生長的主要因素。此外,當CO2濃度過低或者過高,光合微藻的生長都會受到抑制。增加供氣速度或形成湍流區(qū)域,可提高氣體的傳質速率和液體的混合效率,更高的流速將縮短光/暗循環(huán),從而提高碳封存效率并增加微藻生物量,但過度的湍流和剪切效應會損害微藻細胞并影響生長[33]。

1.3.2 內部因素

(1)菌藻的種類

在不同有機負荷條件下,自然情況優(yōu)勢藻種會出現更迭現象[34],且對于污染物降解、碳捕集和生物質能回收不同目的,對應的藻種和促生菌也不同。

(2)菌藻的接種比例

2 菌藻共生系統(tǒng)的應用

微藻易于大規(guī)模培養(yǎng),菌藻共生系統(tǒng)生物固定CO2可以與污水處理等其他工藝相結合,微藻在富含營養(yǎng)物質的廢水中培養(yǎng)時,微藻從中獲得生長所需的營養(yǎng)物質,所得生物質可加工成生物燃料、飼料與生物乙醇等產品。因此,菌藻共生系統(tǒng)能將CO2捕集、廢水處理和生物質能回收相結合,提供了一種低碳經濟且可持續(xù)發(fā)展的策略[39],如圖3所示。

圖3 基于菌藻共生污水處理與資源化技術開發(fā)和應用Fig. 3 Development and application of wastewater treatment andresource recovery based on microalgae-bacteria consortia

2.1 菌藻共生體系用于CO2捕集

CO2作為溫室效應的主要貢獻者之一直接導致全球氣候變暖。全球變暖問題帶來最直觀的變化是越來越頻繁和強烈的極端天氣事件,與此同時,土壤退化、生物多樣性喪失、疾病傳播以及水資源短缺問題也隨之而來。這些問題會對經濟發(fā)展、社會穩(wěn)定以及人民生活息息相關。據美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)2022年5月統(tǒng)計數據,CO2濃度高達419 ppm,是450萬年來的最高水平。

微藻在太陽光的照射下具有將CO2轉化為化學能的能力,與陸生植物相比,微藻的光合固碳效率高出10～50倍[26]。與陸生植物相比,利用廢水培養(yǎng)微藻的大氣固碳速率(1.83 kgCO2/kg生物量)和生物質產率要高40%～50%[40]。與物理化學方法相比較,利用太陽能可節(jié)省大量能源,并且具有光合效率高、增長速度快的特點。因此菌藻共生體系是一種更環(huán)保的碳減排方法。這表明在低碳-經濟-可持續(xù)的框架下,光合微藻固定CO2是大氣CO2固定的有效途徑。大氣中CO2濃度不能滿足微藻細胞生長的需求,利用煙氣中高濃度CO2能夠同時實現CO2捕集以及有機廢水處理,是一種低碳經濟環(huán)保策略[41]。

2.2 菌藻共生體系用于廢水處理與水生物修復

由于人類活動以及廢水處理效果不足,大量含過量氮、磷廢水排入天然水體,導致水體富營養(yǎng)化問題嚴重影響水生態(tài)系統(tǒng),造成水體黑臭、水生物種滅絕及公共衛(wèi)生安全受到威脅等危害[42]。傳統(tǒng)處理方法包括過濾、絮凝沉淀、生物處理(主要采用活性污泥法)、深度物化處理。

復雜的系統(tǒng)操作、高能量輸入和環(huán)境可持續(xù)性低的局限性要求必須對水處理工藝進行升級。相比較之下,藻共生體系在去除污染物和營養(yǎng)物質方面具有很大優(yōu)勢。菌藻間相互作用能增強污染物的去除效果。藻類可以改變微生物群落結構,受刺激的細菌可以選擇性地促進某些藻類物種生長,形成穩(wěn)定的藻類-細菌群落[43]。菌藻間相互作用影響C、N、P的吸收轉化,且對重金屬,抗生素等有害物質的去除有促進作用。菌藻共生體系具有吸收轉化復雜污染物的潛力,使用藻類和細菌進行生物處理比傳統(tǒng)的環(huán)境修復技術更有效、更具成本效益且更環(huán)保。研究表明菌藻共生體系可通過生物吸附、生物蓄積、生物凝固和生物轉化機制凈化各種廢水(包括市政廢水、養(yǎng)殖業(yè)廢水、啤酒廢水、染料廢水等)和解毒環(huán)境水體中污染物(如重金屬、酚類化合物、環(huán)烷酸、新興污染物和病原體等)。綜上,微藻廢水處理技術能實現以下目的:(a)營養(yǎng)鹽的去除與回收(總氮(TN)),總磷(TP);(b)去除廢水污染物:COD、重金屬、新興污染物;(c)水的回收和培養(yǎng)基的重復使用。菌藻共生處理技術可作為深度處理的可持續(xù)治理方案[10]。

(1)去除營養(yǎng)物質(C、N、P)

(2)促進重金屬去除

很多研究人員探究了藻類-細菌體系去除重金屬機制。目前研究表明重金屬的生物吸附主要取決于細胞壁的組成,其中膜蛋白(如滲透酶)負責將重金屬從胞外轉移到胞內,然后與所需的蛋白質絡合并儲存。細菌和藻類分泌的EPS和鐵載體完成重金屬絡合和生物脫硫過程,利用生物轉化或氧化還原酶將重金屬轉化為毒性較低或可溶形式[47]。

(3)促進抗生素去除

藥品和個人護理產品(PPCP)中所含的化合物在自然界難以降解,抗生素是作為新興污染物的主要PPCP,因其潛在毒性和持久性,去除環(huán)境中殘留抗生素是一個重要研究內容。菌藻共生體系去除抗生素機制主要包括生物吸附、生物富集和胞內外生物降解[50]。近期研究發(fā)現作為菌藻體系對四環(huán)素有防御響應,具體表現為藻類在胞外聚合物中分泌更多的小分子多糖物質,從而加速四環(huán)素的去除[51]。此外雖然高濃度的雙酚A(BPA)會抑制藻類生長,但研究表明利用藻菌體系處理BPA是有效的,因為藻菌體系中細菌會促進BPA的降解,降低BPA對藻類的抑制作用[52]。

(4)去除其他有害物質

菌藻共生系統(tǒng)還表現出去除酚類化合物、環(huán)烷酸等難降解有機物的潛力。目前,酚類化合物及其衍生物造成了大量的環(huán)境污染。盡管藻類-細菌共生去除酚類化合物機制相關研究較少,但許多研究結果表明,藻菌共生系統(tǒng)顯示出有效降解酚類物質的巨大潛力。有研究發(fā)現小球藻可用作苯酚的高效生物清潔劑,當苯酚濃度低于300 mg/L時,藻類具有良好的除酚潛力[53]。馬爾克斯等研究也發(fā)現酚類化合物可被菌藻微生物群落有效去除[54]。此外一些藻類可直接生物轉化或礦化難降解有機化合物[55]。例如,萘可以被綠藻、紅藻和硅藻以及藍綠藻降解[56]。環(huán)烷酸是難降解羧酸,是水生生態(tài)系統(tǒng)中高毒性的持久性污染物[57],菌藻共生處理顯著增強了環(huán)烷酸的解毒過程,功能性細菌在減少毒性方面比藻類作用更大[55],Hwang等研究也表明,好氧菌與藻類的協同作用可增強環(huán)烷酸的降解[58]。待處理廢水種類不同,使用的菌藻種類也不同,對N、P的去除效果也有差異。

2.3 菌藻共生體系用于收獲生物質

煤炭、天然氣和石油等傳統(tǒng)化石燃料對環(huán)境污染嚴重,不利于可持續(xù)發(fā)展,也是全球氣候變化的主要原因,使用可持續(xù)能源來減少碳排放變得至關重要。微藻生物質生產是可再生能源生產的核心替代品。微藻是在不同條件下通常表現出快速生長速率的多細胞生物。微藻含有豐富的蛋白質、脂質和碳水化合物,通過適當的菌種選擇和培養(yǎng)策略,可以調節(jié)這些成分的含量以適應特定的需求。

2.3.1 收獲微藻的方法

要獲得藻類生物質,需要完成從液體培養(yǎng)體系分離收獲微藻及微藻濃縮兩個步驟[59]。收獲微藻占生物質生產中很大一部分經濟成本。在對微藻進行批量收獲的目的是將生物質從懸浮液中分離出來,廣泛采用的是絮凝、浮選和重力沉降這三大技術。其中絮凝法包括物理化學絮凝和生物絮凝,基于磁性顆粒的絮凝劑與化學絮凝結合有望成為傳統(tǒng)收獲技術的替代方案[60]。微藻濃縮的目的是對收獲的微藻進一步脫水增厚,可以通過離心、過濾和超聲凝聚等方法實現。具體操作工藝需要評價各種策略進行定量成本效益分析。

生物絮凝是一種有潛力的收獲方法。一方面,與特定微藻共培養(yǎng)相關的任何特定細菌物種都可能促進生物絮凝[61];另一方面,根據菌藻間作用,細菌可以通過破壞微藻細胞壁以此利用胞內營養(yǎng)物質,在收獲階段需要藻類細胞破裂才能獲得所需的產品,因此了解菌藻間相互作用機制對于開發(fā)能源和經濟上可行的藻類生物質收獲方法也很重要。若能把握共生細菌致藻類細胞破裂機理與規(guī)律并且利用好這一生物特性,將大大提高收獲效率并減少成本與能源消耗。

膜采收是一種有前景的回收方法。影響膜回收微藻效果的因素有膜孔徑、膜的不對稱性、膜的親疏水性、膜-分子相互作用(如與膜表面官能團有關的靜電作用)、膜污染以及操作參數。微濾膜具有更寬的孔徑,能夠截留懸浮顆粒、油乳液、特定細菌和細胞以及膠體。超濾膜比微濾膜孔徑更小,能夠截留如病毒、蛋白質等大分子。納濾和反滲透膜孔徑最小;納濾膜可以截留亞分子有機分子、二價離子和低分子量化合物(如糖類、多酚類等)[62]。壓力驅動的膜采收在致密性、高水回收率和濃縮時保持高質量生物質方面具有優(yōu)勢[63]。在運行模式方面,采用死端或錯流過濾都有助于藻生物量的富集。研究發(fā)現截留分子量為40 kDa的聚丙烯腈(PAN)超濾膜對兩種海洋微藻(牡蠣海氏藻和中肋骨條藻)的連續(xù)回收效果良好[64]。相關研究開發(fā)了一種高效的藻類生物質濃縮膜技術,通過掃描電鏡(SEM)與傅里葉紅外光譜儀對膜污染進行表征并提出了防污策略;開發(fā)模型來預測濃縮過程中通量下降、微藻富集和體積減小,評估并驗證了使用錯流膜超濾工藝收集并濃縮藻懸浮液的可行性[65]。馬爾卡蒂等研究了使用CogentM1中試規(guī)模的切向流過濾裝置從紫球藻中回收B-藻紅蛋白,該裝置使用PES平板膜以超濾和滲濾兩步模式運行,能夠以2.3的純度比回收高達48%的蛋白質[66]。應用膜技術可有效提取微藻細胞中高附加值化合物(如脂質、蛋白質和碳水化合物)[67],可以促進更可持續(xù)和更具成本效益的微藻生物精煉廠的發(fā)展。

2.3.2 不同組分生物質的回收

細菌在增強微藻生物質積累和提高微藻生長速率方面有重要作用。與單獨固定化和光自養(yǎng)條件下生長的C.vulgaris細胞相比,光自養(yǎng)條件下與固氮螺菌共培養(yǎng)的C.vulgaris細胞中淀粉和碳水化合物積累也呈現類似的增強效應[19]。由于藻種生物質組成差異,最終回收得到的營養(yǎng)物質側重不同。對于蛋白組分含量高的藻種,在加工營養(yǎng)品及醫(yī)藥保健方面應用前景廣闊,而脂質含量較高則可在生物燃料研發(fā)方面廣泛應用。表2為一些主要藻種在研究中的產品及應用分析。

表2 一些主要藻種組分分析及產品應用[68](改編自[69])

(1)回收脂質加工生物燃料

生物燃料可以來源于農產品中的淀粉、糖、植物油等以及廢棄的農業(yè)和木質纖維素生物質。農作物作為生物燃料來源時與糧食作物存在土地利用面積的競爭矛盾,對糧食安全有不利影響[70],因此需要尋找其他清潔可再生的生物燃料原料。微藻的脂質含量為干物質量的20%～50%[71],脂質(主要是三酸甘油脂)含量高,并且微藻培養(yǎng)無需額外耕地面積,是生產生物柴油的可行原料。微藻將二氧化碳轉化為富含碳的脂質方面的生產力,大大超過了農業(yè)產油作物,因此微藻也被認為是生物燃料最有前景的原料之一[72]。在世界范圍內,正在開展研究和示范項目,以開發(fā)將藻類油脂生產從工藝擴大到主要工業(yè)過程所需的技術。雖然微藻還沒有大規(guī)模生產應用,但最近在系統(tǒng)生物學、基因工程和生物煉制方法方面的進展,為在未來10～15 a內以可持續(xù)和經濟的方式發(fā)展這一過程提供了機會[73]。

當營養(yǎng)物質匱乏時,藻類以中性脂質或甘油三酯等油的形式儲存化學能[74]。微藻生物質可通過熱化學轉化(如熱解、氣化、水熱氣化)、生化轉化、酯交換和光合微生物燃料電池過程轉化為生物燃料被利用。從藻類生物質中提取藻油,再通過與短鏈醇的酯交換反應[75]或通過將脂肪酸加氫成線性碳氫化合物[76]方式可以轉化為生物柴油。此外藻類還合成其他燃料產品,如氫,乙醇和長鏈烴類油,類似于原油。

微藻基生物燃料已顯示出作為其他作物基生物燃料的替代低碳生物燃料的前景,但生產過程高成本和低脂產量的問題還有待解決。為了實現藻類基生物燃料的經濟生產,必須提高微藻油脂生產能力,降低相關成本[77]。在微藻培養(yǎng)中,通過技術(反應器設計、過程控制、收獲和提取)和菌株的改進,生產率得到了實質性的提高。根瘤菌形成的人工細菌群落可以提高具有重要商業(yè)價值的綠藻生長速度,有希望用于開放式池塘/反應器的大規(guī)模培養(yǎng),從而提高生物燃料生產力[78]。

(2)回收蛋白質

微藻蛋白質在食品、化妝品、醫(yī)療保健方面都有廣闊應用前景。微藻蛋白產量比小麥、豆類等陸生作物高,對淡水及耕地需求少,生產成本低,具有經濟優(yōu)勢,是經濟、可再生可持續(xù)的食品成分來源。微藻蛋白質含量豐富,由于其氨基酸組成特性,具有極高的營養(yǎng)回收價值,可用于人類營養(yǎng)保健品和動物飼料加工。由于微藻生物功能蛋白具有全面的生物學特性,包括抗腫瘤、抗高血壓、抗炎癥、抗病毒、抗氧化和抗凝血性[79],在制藥行業(yè)生產高價值化合物前景可觀。某些微藻蛋白質含量高于動植物來源蛋白質,且微藻蛋白含有各種必須和非必須氨基酸,營養(yǎng)均衡,可提供優(yōu)質蛋白來源。微藻蛋白的缺點是風味不夠鮮美[80],限制其在食品加工方面的廣泛應用。

獲得微藻蛋白質必須實現高效的微藻細胞壁破壁同時又不破壞生物功能蛋白質活性。細胞壁通常由纖維素和木聚糖等多糖組成,還包含硫酸化多糖(苯酚化合物、糖蛋白和蛋白多糖)[79]。由于微藻細胞結構微觀且復雜,針對細胞壁降解機制和有效技術仍需進一步探究。目前對微藻蛋白質回收技術集中在細胞破碎方面研究,針對破壞的程度不同分為機械破碎與非機械型破碎。微藻機械破碎方法包括珠磨、超聲波、高壓均質、微波輔助提取和脈沖電場,這類方法優(yōu)點為適用性高、回收率高,但缺點為必須以高能耗為代價;非機械方法包括酶處理、酸/堿處理[81],酶處理法具有高選擇性、溫和性和低能量需求特性,但酶的高成本以及新型特異性酶仍需進一步開發(fā),才能實現高效經濟低能耗的規(guī)?；褂?。

(3)回收碳水化合物

碳水化合物是微藻生物質的主要成分,占總干重的一半以上。微藻碳水化合物主要為分為淀粉和纖維素,可為生物乙醇生產提供原料來源,作為發(fā)酵的可再生原料,可代替甘蔗來源的糖蜜,從而節(jié)約農業(yè)用地和保護環(huán)境。從微藻收獲淀粉生產生物乙醇通常包含四個步驟:(a)解構細胞壁回收儲存在藻類細胞中的可發(fā)酵淀粉;(b)使用α-淀粉酶水解淀粉;(c)酵母菌將水解糖發(fā)酵成乙醇;(d)對乙醇進行分離和純化[82]。

3 展 望

綜上,菌藻共生系統(tǒng)可應用于污水生物修復、CO2固定和回收生物質能用于食品、醫(yī)療保健、化妝品等領域。菌藻間物質傳遞應用于污水處理技術中,可以獲得更高的藻生物積累量和污染物去除率,從而最大限度地降低微藻培養(yǎng)和污染廢水處理成本。

利用藻菌共生體系的工藝具有可再生和可持續(xù)的優(yōu)越性,將在當前的微藻產業(yè)中得到應用,未來關于微藻-細菌作用研究應著眼于實際應用。然而,大多數關于微藻的研究都是在實驗室規(guī)模上進行的,在工業(yè)規(guī)模上提高微藻的產量需要突破性的發(fā)現。在耦合菌藻系統(tǒng)三種目的基礎上構建的新概念微藻廢水處理廠,集廢水處理、碳捕集以及微藻培養(yǎng)于一體,有望聯結微藻生物質加工廠形成綜合污水資源化工業(yè)體系,此外可通過合理規(guī)劃去除煙道氣等高濃度CO2來源。微藻生產成本主要與微藻的培養(yǎng)(上游過程)和生物質的收獲與加工(下游過程)有關。高效經濟的工業(yè)微藻收獲技術需要進一步開發(fā),且獲取生物質各組分蛋白、脂質和碳水化合物等如何妥善分離與遴選并輸送到不同完善的生產加工線也需進一步探究。此外,廢水基微藻培養(yǎng)會導致微藻產品的污染,限制了其在食品段中的加工生產,因此保證產品質量以及加工廠的高效經濟可持續(xù)運行,污水處理與生物質回收之間的銜接也尤為重要。