陳 彪，朱 勇，王鍇瑜，肖艷春，黃 婧，張劍宇，張旭釧，陳曉晨※

（1.福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院福建省農(nóng)村廢棄物綠色循環(huán)技術(shù)工程研究中心，福州 350108；2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所，福州 350003；3.江蘇隆昌化工有限公司，如皋 226532；4.茂友木材（江蘇）有限公司，如皋 226532）

0 引言

隨著中國畜禽養(yǎng)殖業(yè)和沼氣工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，畜禽沼液的年產(chǎn)量可高達(dá)10 億t[1]。沼液中不僅含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有多種有害污染物，如重金屬（Cu、Zn、Cd、Cr）和抗生素等[2-3]，沼液的直接排放極易造成水體富營養(yǎng)化、土壤酸化和污染物累積等生態(tài)環(huán)境問題。因此，沼液已成為污水組成中不可忽視的一部分，對(duì)其進(jìn)行有效處理與資源化利用至關(guān)重要。

當(dāng)前通常運(yùn)用沼液還田、生化處理等方法以實(shí)現(xiàn)沼液的達(dá)標(biāo)排放。沼液還田是目前應(yīng)用最廣、最經(jīng)濟(jì)的沼液處理方式，但隨著沼液量的不斷增加，沼液量與消納土地的矛盾日益尖銳[4]，且長期的沼液還田還具有誘發(fā)土壤重金屬、抗生素污染累積的風(fēng)險(xiǎn)[5]。由于沼液成分復(fù)雜、C/N 低、可生化性較差，導(dǎo)致傳統(tǒng)的污水生化處理法在處理沼液時(shí)存在著諸多缺陷，如采用單一的活性污泥法處理沼液，往往存在著脫氮除磷效果不佳、曝氣耗能大等不足[6]，同時(shí)處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量CO2和甲烷等溫室氣體，其中甲烷比CO2的溫室效應(yīng)潛力高出約30 倍，因而活性污泥法不僅未實(shí)現(xiàn)沼液的資源化利用，而且會(huì)加劇溫室效應(yīng)[7]。因此，針對(duì)傳統(tǒng)沼液處理過程中所造成能源損耗和碳排放等問題，尋求一種具有經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-能源效應(yīng)的沼液資源化處理新方法具有重要意義，其不僅可助力于實(shí)現(xiàn)中國的“雙碳”目標(biāo)——2030 年達(dá)到碳排放峰值與2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和，而且可緩解當(dāng)前面臨的氣候變化和能源危機(jī)。

近年來，利用微藻和細(xì)菌的共生作用實(shí)現(xiàn)沼液的凈化處理與資源化利用引起了廣泛關(guān)注。藻菌共生系統(tǒng)處理法作為一種新興的沼液資源化方法，較之單一的微藻系統(tǒng)處理法（微藻養(yǎng)殖法），其通過藻菌之間的共生機(jī)制構(gòu)建的藻菌共生系統(tǒng)，不僅極大地提高了對(duì)污染物的吸附和降解能力[8]，而且在該過程中可同步實(shí)現(xiàn)污染物的去除、CO2的利用以及微藻生物質(zhì)的產(chǎn)生[9]，具有低成本、高效率、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。此外，末端產(chǎn)品（微藻生物質(zhì)）中的脂質(zhì)和聚羥基丁酸酯含量豐富，具有分別替代化石燃料和塑料的潛質(zhì)[10]。

然而，目前關(guān)于藻菌共生系統(tǒng)的處理對(duì)象主要集中在低濃度生活污水[11]，較少應(yīng)用在沼液的資源化處理中，基于藻菌共生系統(tǒng)的沼液處理方法應(yīng)用潛力巨大。因此，本文從藻菌共生系統(tǒng)的共生機(jī)制、類型、污染物去除以及影響因素方面進(jìn)行較為全面的綜述，并且針對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用于沼液中的不足進(jìn)行討論和展望，以期為在沼液環(huán)境中藻菌共生系統(tǒng)的調(diào)控與規(guī)?；锰峁├碚撝笇?dǎo)。

1 藻菌的共生機(jī)制

藻菌共生系統(tǒng)自1957 年由OSlWALD 等[12]開發(fā)以來，得到了眾多學(xué)者的持續(xù)關(guān)注與探索，近十年來相關(guān)的研究更是呈指數(shù)增長[8]。微藻與細(xì)菌復(fù)雜的共生作用可概括為營養(yǎng)交換、信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)移[13]，典型的藻菌共生系統(tǒng)（小球藻與地衣芽孢桿菌）的共生機(jī)制如圖1 所示。

圖1 小球藻與地衣芽孢桿菌的共生機(jī)制[14]Fig.1 Mechanisms of symbiosis between Chlorella and Bacillus licheniformis

1.1 營養(yǎng)交換

營養(yǎng)交換是藻菌之間最常見的一種相互作用類型。典型案例為珊瑚中存在的微藻和細(xì)菌的共生機(jī)制，微藻給珊瑚和細(xì)菌提供O2，細(xì)菌通過分解有機(jī)物給共生系統(tǒng)提供碳源，沼液環(huán)境中的藻菌共生系統(tǒng)也類似。首先，微藻作為光合自養(yǎng)生物，利用CO2與沼液中的無機(jī)營養(yǎng)元素生產(chǎn)有機(jī)物，隨后以溶解有機(jī)物（dissolved organic matter，DOM）、氨基酸和O2的形式釋放，進(jìn)而為好氧細(xì)菌提供基礎(chǔ)營養(yǎng)條件。值得注意的是，由微藻（尤其是硅藻類）分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）也主導(dǎo)著藻菌共生系統(tǒng)的形成[15]，其一般由多糖、蛋白質(zhì)、核酸等組成，是微藻和細(xì)菌的一種防御機(jī)制，尤其是給暴露在沼液污染物中的細(xì)菌提供了庇護(hù)所[16]，而且在特殊情況下也能直接給細(xì)菌提供碳源[17]。同時(shí)，異養(yǎng)細(xì)菌分解礦化并同化吸收沼液和藻類中大部分的DOM，這種礦化過程通常能促進(jìn)微藻與細(xì)菌之間代謝物的交換。微藻再利用異養(yǎng)細(xì)菌代謝所產(chǎn)生的CO2、有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)和酶等，以支持自身的進(jìn)一步生長，進(jìn)而形成穩(wěn)定的營養(yǎng)交換循環(huán)。此外，藻菌之間還存在一些重要營養(yǎng)素的交換（包括氮、磷和多糖等），如一些生長促進(jìn)細(xì)菌能增強(qiáng)杜氏藻（Dunaliella sp.）對(duì)氮的同化[18]。這些營養(yǎng)交換關(guān)系相互配合，共同維系著藻菌的生長與共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也是實(shí)現(xiàn)共生系統(tǒng)中微生態(tài)平衡的基礎(chǔ)。

1.2 信號(hào)傳導(dǎo)

信號(hào)傳導(dǎo)是藻菌之間的另一種相互作用形式。二者通過相互作用的化學(xué)物質(zhì)（如?；呓z氨酸內(nèi)酯、自誘導(dǎo)劑和自誘導(dǎo)肽等）以激活或抑制基因表達(dá)和生理活動(dòng)，從而改變它們的行為和生長狀態(tài)[13]。這種細(xì)胞間的通信機(jī)制即群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）[19]，該機(jī)制中的QS 信號(hào)分子是藻菌共生系統(tǒng)中重要的信使，主要包括N-酰基-l-高絲氨酸內(nèi)酯（N-Acyl-1-homoserine lactones，AHLs）、環(huán)鳥苷二磷酸（cyclic diguanosine monophosphate，c-di-GMP）、自誘導(dǎo)肽、吲哚乙酸等[20]。這些信號(hào)分子可直接或間接地參與藻菌的生長調(diào)控，進(jìn)而提高微藻和細(xì)菌對(duì)不利環(huán)境的生存適應(yīng)能力（尤其是細(xì)菌）。例如當(dāng)細(xì)菌在含有重金屬、抗生素等污染物的沼液中生長時(shí)，往往會(huì)增強(qiáng)QS 機(jī)制的表達(dá)以增強(qiáng)其對(duì)污染物的抗性[21]。其中以AHLs 信號(hào)分子可直接介導(dǎo)微藻和細(xì)菌之間的交流，同時(shí)也能調(diào)節(jié)微藻的生長、繁殖以及基因表達(dá)[20]。而c-di-GMP 主要調(diào)節(jié)細(xì)菌行為和反映系統(tǒng)中QS 的表達(dá)情況，當(dāng)系統(tǒng)中c-di-GMP 的濃度達(dá)到3.85 μg/g 時(shí)，即共生系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的QS 信號(hào)接收能力[14]。例如，當(dāng)?shù)匾卵挎邨U菌受到來自胞外有機(jī)物的直接刺激時(shí)，其cdi-GMP 受體會(huì)接收并放大信號(hào)，促進(jìn)細(xì)菌體內(nèi)多糖的合成[14]。此外，信號(hào)分子也能直接作用于微藻。AMIN 等[22]指出硫化桿菌能將硅藻（P.multiseries）分泌的色氨酸轉(zhuǎn)化為吲哚-3-乙酸，進(jìn)而促進(jìn)硅藻細(xì)胞的分裂。雖然針對(duì)該機(jī)制的詳細(xì)情況已有相關(guān)綜述說明[8,20]，但由于沼液中還存在多種激素分子，將影響著藻菌間的信號(hào)傳導(dǎo)，基于此類相關(guān)問題研究較少，還有待深入探究。

1.3 基因轉(zhuǎn)移

水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer，HGT）是藻菌共同進(jìn)化過程中的一個(gè)關(guān)鍵因素，即基因在微藻和細(xì)菌之間發(fā)生的水平轉(zhuǎn)移。在這個(gè)過程中，遺傳物質(zhì)是水平交換的，通常以細(xì)菌到微藻的HGT 為主[23]，因此細(xì)菌的HGT 已成為微藻遺傳序列的重要來源之一。在鳥嘌呤-尿素循環(huán)中，酶編碼基因從細(xì)菌轉(zhuǎn)移到受氮限制的硅藻中，可促進(jìn)藻菌共生系統(tǒng)從長期的氮限制中快速恢復(fù)[24]。另有研究稱，細(xì)菌中編碼鐵蛋白吸收的基因也能通過HGT 轉(zhuǎn)移到硅藻中，從而使硅藻具備吸收鐵的能力[25]。RAYMOND 等[26]證實(shí)了奧地利雪藻的冰結(jié)合蛋白基因也來源于細(xì)菌。OLSSON 等[27]指出嗜酸衣藻中鉻耐受性的形成與細(xì)菌中的新型植物螯合素合酶基因的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。在沼液中，受污染物誘導(dǎo)的細(xì)菌抗性基因具有極易轉(zhuǎn)移到微藻的潛力[28]，主要包括雜交、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)方式[29]，這也成為微藻應(yīng)對(duì)污染脅迫的重要機(jī)制。雖然藻菌之間的HGT 對(duì)適應(yīng)沼液環(huán)境壓力極其重要，但當(dāng)前相關(guān)報(bào)道還較少，尤其是沼液中還存在各類污染物與抗性基因，這將深刻影響著藻菌原本的HGT 和后續(xù)藻菌之間的相互作用，如何闡明沼液環(huán)境中藻菌間具體的HGT 及其影響機(jī)制仍是當(dāng)前的一個(gè)重要難題。

因此，基于以上討論，深入理解藻菌共生的三大作用關(guān)系，對(duì)于沼液的藻菌共生系統(tǒng)處理與資源化利用的研究與應(yīng)用意義重大。

2 藻菌共生系統(tǒng)的類型

近年來，隨著藻菌共生研究取得的一系列突破，各類型的藻菌共生系統(tǒng)開始涌現(xiàn)。本綜述基于微藻和細(xì)菌在共生系統(tǒng)內(nèi)的存在狀態(tài)與發(fā)展順序，將其分成游離型藻菌系統(tǒng)、附著型藻菌系統(tǒng)和藻菌共生光生物反應(yīng)器。

游離型藻菌系統(tǒng)是藻菌共生系統(tǒng)的早期形式，微藻和細(xì)菌之間的協(xié)同作用較差，雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，但分離效果欠佳，目前研究較少。附著型藻菌系統(tǒng)通過讓微藻附在細(xì)菌絮體（如活性污泥）表面，共同形成顆粒體以捕集更多的微藻，進(jìn)而形成尺寸更大的緊密顆粒體[30]，通常分為著生型和固定型。著生型中最常見的為著生微藻-生物膜系統(tǒng)，該系統(tǒng)由人工接種的著生微藻、生物膜填料與載體所組成，微藻和細(xì)菌通過附在載體與填料上形成生物膜，以促進(jìn)穩(wěn)定微環(huán)境的構(gòu)建[9]，但該系統(tǒng)存在一定的局限性，在處理過程中存在著藻菌流失。固定型藻菌系統(tǒng)將藻菌與固定化載體材料通過吸附和包埋等固定化方式形成多孔隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的生物膜，從而實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間與藻菌停留時(shí)間的分離，不僅利于藻菌細(xì)胞的穩(wěn)定生長，而且能解決藻菌流失問題，具有運(yùn)行穩(wěn)定、反應(yīng)速率快和微藻易于收獲等優(yōu)勢(shì)。但目前缺乏適用于藻菌共生系統(tǒng)的新型固定化載體，且常用的固定化載體材料在應(yīng)用中存在微毒性、不穩(wěn)定、易被微生物分解等缺陷。由此可見，固定化材料問題的解決對(duì)于固定型藻菌系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣具有決定性作用，新型固定化載體材料的研究是未來的重要研究方向。

藻菌共生光生物反應(yīng)器把藻菌共生體系與光反應(yīng)器相結(jié)合，具有實(shí)現(xiàn)同步增強(qiáng)養(yǎng)分吸收速率與生物質(zhì)收獲效率的效果，該反應(yīng)器去除污染物的效果顯著，一般可分為開放式和封閉式兩類。開放式反應(yīng)器建造成本低，操作簡(jiǎn)單，是當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中最常用的一類。LI等[31]基于自然光照成功構(gòu)建了膜曝氣開放式藻菌生物膜反應(yīng)器，該反應(yīng)器由水力系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、膜系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)所組成，系統(tǒng)中心具有一個(gè)穩(wěn)定協(xié)同作用的多功能生物膜，對(duì)進(jìn)液中有機(jī)物和NH4+-N 的去除率分別高達(dá)90%和92%，且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)條件難以控制、易受外界污染[32]。而封閉式反應(yīng)器的運(yùn)行環(huán)境一般為密閉透明管或柱，幾乎不受外界環(huán)境干擾，穩(wěn)定且易于調(diào)控，是目前研究較多的培養(yǎng)系統(tǒng)，常見的封閉式藻菌共生光生物反應(yīng)器（藻菌生物膜反應(yīng)器）如圖2 所示。

圖2 常見的封閉式藻菌共生光生物反應(yīng)器Fig.2 Common closed photobioreactor of microalgae-bacteria symbiosis

LEE 等[33]設(shè)計(jì)的封閉藻菌共生的垂直光生物反應(yīng)器新工藝，首次將自熱嗜熱好氧消化、膨脹顆粒污泥床和垂直光生物反應(yīng)器三者相結(jié)合，其出水的揮發(fā)性固體和化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）濃度分別降低了99.3%和99.7%，拓寬了光反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思路，但存在造價(jià)和運(yùn)行成本高昂、適用范圍窄等不足?？煽紤]將兩種類型的優(yōu)勢(shì)充分結(jié)合，前期運(yùn)用封閉式藻菌光生物反應(yīng)器系統(tǒng)使藻菌大量增殖，后期將藻菌成規(guī)模接種入開放式藻菌光生物反應(yīng)器中[34]。

總體而言，藻菌共生系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)建過程中仍需充分協(xié)調(diào)前期沼液預(yù)處理與反應(yīng)器的對(duì)接，同時(shí)可采用具有多孔結(jié)構(gòu)的表面粗糙材料（如棉片、玻璃纖維、尼龍網(wǎng)等[35]）以促進(jìn)藻菌的附著生長，最大限度地激活藻菌共生系統(tǒng)的凈化與資源化利用潛力。此外，各類型的藻菌共生系統(tǒng)仍存在著末端微藻生物質(zhì)的收獲與精煉的技術(shù)瓶頸[36]，如何實(shí)現(xiàn)低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高效益地收獲微藻生物質(zhì)并獲取其精煉產(chǎn)品仍是當(dāng)前的研究難點(diǎn)。

3 藻菌共生系統(tǒng)對(duì)沼液中污染物的去除

3.1 沼液污染物特征

作為畜禽糞污厭氧消化后的副產(chǎn)物，畜禽沼液除含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)外，還含有多種污染因子，如氨氮、總磷、COD 等[3]，但由于飼養(yǎng)方式、清糞方式、消化底物和厭氧消化條件等不同，國內(nèi)外畜禽沼液在成分上可能有著顯著區(qū)別，甚至同樣是豬糞類沼液，其中氨氮、總磷、COD 等濃度也存在差異[37]。通常畜禽沼液中總氮濃度可達(dá)到200～5 500 mg/L，總磷（7.0～716 mg/L）和難降解有機(jī)物（300～18 000 mg/L）的濃度也較高[38-39]。此外，為了提高畜禽的養(yǎng)殖效益，養(yǎng)殖戶往往使用大量的飼料添加劑（含重金屬）、抗生素藥物來加速和保障畜禽的生長，而這些物質(zhì)最后大部分轉(zhuǎn)移到了畜禽沼液中，進(jìn)而造成沼液中重金屬和抗生素的累積。CHANG 等[40]對(duì)長江流域三個(gè)代表性養(yǎng)殖場(chǎng)沼液的重金屬情況進(jìn)行了調(diào)查和評(píng)估，其中所有養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中Cd和Pb 的濃度均超過了《中國農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的限值。KE 等[38]檢測(cè)了16 個(gè)城市不同原料的沼液樣本后發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出嚴(yán)重的砷元素污染，而且豬糞沼液中抗生素含量最高，主要為磺胺類、喹諾酮類和四環(huán)素類。衛(wèi)丹等[41]發(fā)現(xiàn)嘉興市10 家養(yǎng)豬場(chǎng)沼液中抗生素總濃度最高可達(dá)到1.09 mg/L。國外有研究報(bào)道經(jīng)過厭氧消化后的豬糞沼液中四環(huán)素、土霉素和金霉素的殘余量分別可以達(dá)到0.95、0.94、0.12 mg/L[42]，均遠(yuǎn)超歐盟規(guī)定的水環(huán)境抗生素閾值（10 ng/L）[5]。

3.2 污染物的去除

越來越多的研究已經(jīng)表明藻菌共生系統(tǒng)具有優(yōu)越的沼液凈化能力[43]。雖然不同地區(qū)、不同底物來源的畜禽沼液中所含污染物的情況有顯著差異，但在藻菌共生系統(tǒng)中的去除機(jī)理基本相似。藻菌共生系統(tǒng)主要通過生物吸附、生物降解、揮發(fā)去除等機(jī)制[44]高效去除沼液中的氮、磷等營養(yǎng)元素、難降解有機(jī)物（如抗生素）和重金屬，其污染物去除機(jī)理如圖3 所示。

圖3 藻菌共生系統(tǒng)去除沼液中污染物的機(jī)制Fig.3 Mechanisms of contaminant removal from biogas slurry by microalgae-bacteria symbiosis system

3.2.1 沼液中氮、磷的去除接吸

藻收菌和共間生接系作統(tǒng)用去除[45]。沼直液接中吸的收氮包、括磷微等藻的和機(jī)細(xì)理菌分對(duì)為氮直、磷等營養(yǎng)元素吸收同化與生物轉(zhuǎn)化。氮是沼液中含量最豐富的營養(yǎng)元素，主要以氨態(tài)氮（NH3、NH4+-N）的形式存在[4,46]，當(dāng)其進(jìn)入藻菌共生系統(tǒng)后，一部分NH4+-N通過細(xì)菌的硝化和反硝化作用，生成N2排出，另一部分NH4+-N 則通過硝化作用生成NO3--N 與未被硝化的剩余NH4+-N 被微藻同化吸收。微藻對(duì)各含氮化合物的利用順序[47]為NH4+-N、NO3--N、NO2--N，微藻可直接利用NH4+-N 合成氨基酸[9]，因此微藻的同化吸收是沼液中NH4+-N 去除的主要途徑[31]。磷作為細(xì)胞核糖核酸、ATP、細(xì)胞膜生成的基本元素，也是微藻生長的必備元素。沼液中的磷主要通過微藻細(xì)胞的光合磷酸化、底物水平磷酸化被同化[48]。在有機(jī)底物充足的情況下，藻菌共生系統(tǒng)可以有效提高磷的去除率[49]。此外，間接作用主要為微藻/細(xì)菌通過對(duì)環(huán)境中pH 的調(diào)控，使得氨揮發(fā)和磷沉淀。當(dāng)系統(tǒng)中pH 值大于8 時(shí)，有一部分氨將以NH3的形式揮發(fā)出來，磷在較高的環(huán)境pH 值下（pH 值為9）會(huì)與Ca2+結(jié)合形成沉淀。LI 等[11]通過Scenedesmus obliquus和Bacillus megaterium共培養(yǎng)處理后的高濃度沼液中總磷和NH4+-N 的去除率較單一微藻處理法分別增加了18.19%和53.49%。

3.2.2 沼液中難降解有機(jī)物的去除

沼液中高濃度的COD 會(huì)抑制微藻的生長[50]，在藻菌共生系統(tǒng)中，首先借助細(xì)菌的新陳代謝作用，對(duì)沼液中的有機(jī)物進(jìn)行生物降解和礦化，將其轉(zhuǎn)化為CO2和其他溶解有機(jī)碳[51]，以降低系統(tǒng)中的COD 含量，隨后與微藻發(fā)生營養(yǎng)交換，微藻提供的O2再強(qiáng)化異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)有機(jī)物的礦化作用，進(jìn)而促進(jìn)了COD 的降解。藻菌共生系統(tǒng)針對(duì)COD 的去除機(jī)制主要為微藻和細(xì)菌的生物降解、生物吸附和生物累積[52]。以沼液中典型的一類難降解有機(jī)物——抗生素為例，主要通過藻菌共生系統(tǒng)的生物降解與吸附作用去除[53]。生物降解作為藻菌共生系統(tǒng)中去除抗生素最有效的機(jī)制，主要依靠抗生素脅迫下的藻菌分泌的胞外酶來促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)抗生素的水解、催化氧化等作用的發(fā)生，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抗生素的礦化分解[54]。韋艷玲[55]得出小球藻對(duì)氯霉素類抗生素甲砜霉素的生物降解機(jī)制主要為羥基化反應(yīng)、氧化還原、側(cè)鏈斷開和脫氯反應(yīng)。此外，生物吸附對(duì)抗生素毒性的削減也不可忽視。WANG等[56]發(fā)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)主要通過生物吸附去除金霉素，前12 h 內(nèi)的吸附量可增加40.82 mg/g。在抗生素作用下，沼液環(huán)境中的菌藻共生體由單個(gè)顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ミB接的團(tuán)塊狀，微藻、細(xì)菌細(xì)胞壁和藻菌共生系統(tǒng)中的EPS對(duì)抗生素進(jìn)行直接的生物吸附[57]，如EPS 蛋白中的色氨酸能與四環(huán)素直接結(jié)合[58]。然而，藻菌對(duì)抗生素環(huán)境的適應(yīng)周期較長，初始處理過程中抗生素對(duì)藻菌的毒害作用極為明顯，其很可能直接干擾藻菌間的信號(hào)傳導(dǎo)，在一定程度上影響微藻釋放的細(xì)胞外產(chǎn)物或直接抑制細(xì)菌的代謝活性，進(jìn)而導(dǎo)致在沼液凈化初期抗生素的去除效率并不理想。因此，如何減輕抗生素及其他難降解有機(jī)污染物對(duì)藻菌生長的壓力效應(yīng)值得綜合考慮。

3.2.3 沼液中重金屬的去除

藻菌共生系統(tǒng)對(duì)沼液中重金屬的去除機(jī)制為生物吸附、生物吸收、氧化還原轉(zhuǎn)化等。在系統(tǒng)的重金屬容納閾值內(nèi)，一部分重金屬離子和藻菌產(chǎn)生的蛋白質(zhì)與多肽形成螯合物，促進(jìn)重金屬離子的吸附[59]。系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除主要以微藻的生物吸附為主，較之細(xì)菌，微藻對(duì)重金屬的耐受性更高[60]。其一，微藻上附著的大量細(xì)菌和EPS 構(gòu)成了微藻細(xì)胞的保護(hù)屏障，EPS 中含有大量的官能團(tuán)（如羧基、氨基、羰基、羥基）能直接捕獲沼液中的重金屬，以防止其進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部[61]。其二，微藻的細(xì)胞壁上有羰基、磷酰基和胺基等官能團(tuán)，使得微藻細(xì)胞壁帶負(fù)電荷[52]，微藻細(xì)胞表層可以通過靜電吸附作用與重金屬陽離子緊密結(jié)合。此外，另一部分重金屬離子則通過細(xì)菌的氧化還原、甲基化等作用改變重金屬的形態(tài)特征，減小毒害作用[59]。細(xì)菌表面則可通過靜電引力、離子交換、氧化還原和無機(jī)微沉淀等作用與金屬離子發(fā)生吸附效應(yīng)[62]，細(xì)菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對(duì)溶解態(tài)重金屬離子具有極強(qiáng)的絡(luò)合能力，能阻止某些特定的重金屬離子進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵部位，進(jìn)而使其無害化。據(jù)報(bào)道，微藻-活性污泥共生系統(tǒng)在外加葡萄糖作電子供體的情況下，對(duì)總鉻的去除率高達(dá)93%[63]。但是不同的藻菌類型對(duì)重金屬的去除效果存在顯著差異，加之來源不同的沼液中重金屬的種類和濃度不同，因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要充分考慮去除對(duì)象和目標(biāo)。

4 藻菌共生系統(tǒng)的影響因素

在整個(gè)處理過程中，按照各因素對(duì)藻菌共生系統(tǒng)的影響程度排序，微藻和細(xì)菌的生長主要會(huì)受到藻菌配比以及環(huán)境因素中的營養(yǎng)物質(zhì)、曝氣率、pH 值、溫度、光照條件、重金屬和抗生素等的直接影響，而這些因素也是調(diào)控藻菌共生系統(tǒng)以及決定系統(tǒng)處理效果的關(guān)鍵參數(shù)。

4.1 藻菌搭配與接種比

在藻菌共生系統(tǒng)中，微藻和細(xì)菌菌株類型在系統(tǒng)CO2利用效率和生物量積累等方面起著決定性作用[64]。不同的微藻和細(xì)菌間共生作用的強(qiáng)弱不同，不同的藻菌搭配所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)差異顯著，進(jìn)而直接影響著共生系統(tǒng)處理畜禽沼液中污染物的能力和系統(tǒng)的微生態(tài)結(jié)構(gòu)。此外，畜禽沼液中也存在著大量微生物，如細(xì)菌、真菌和病毒等，且殘存著大量厭氧消化過程中的水解菌、產(chǎn)酸菌和甲烷菌[39]，不可避免地會(huì)與目標(biāo)藻菌形成競(jìng)爭(zhēng)作用。因此，在沼液處理之前，篩選出沼液環(huán)境中抗污染能力強(qiáng)、占優(yōu)勢(shì)地位的微藻與目標(biāo)細(xì)菌顯得尤為重要。在選擇合適的藻菌搭配時(shí)，還需要密切關(guān)注目標(biāo)藻菌的類型與習(xí)性，根據(jù)微藻去除氮、磷的能力以及對(duì)不同廢水的適應(yīng)性，綜合考慮微藻和細(xì)菌的協(xié)同能力。常見藻菌搭配的共生系統(tǒng)處理畜禽沼液效果如表1 所示。由于小球藻（Chlorella vulgaris）對(duì)污染物的高耐受性，而且能有效地將沼液中豐富的氮、磷等轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品[65]，同時(shí)小球藻也可以忍受高CO2濃度，光合作用效率高[66]，因而在藻菌共生系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在實(shí)際操作中，一般將其與特定功能菌或活性污泥組合。

表1 不同藻菌搭配的共生系統(tǒng)畜禽沼液處理效果Table 1 Treatment effect of biogas slurry from livestock and poultry industry by symbiosis system with different microalgae-bacteria

除了藻菌搭配，藻菌的接種比也是一個(gè)影響藻菌共生系統(tǒng)建立以及系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。由于細(xì)菌本身對(duì)微藻的生長具有雙重效應(yīng)，當(dāng)細(xì)菌菌劑投放過多時(shí)，會(huì)弱化共生關(guān)系，進(jìn)而增強(qiáng)細(xì)菌同微藻的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，甚至一些菌株能分泌出纖維素酶來傷害微藻細(xì)胞[69]，所以合適的藻菌接種比對(duì)于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和污染物去除率具有積極作用。HUANG 等[67]發(fā)現(xiàn)當(dāng)小球藻與Shinella sp.YHB03 的接種比例從2:1 增加到50:1 時(shí)，藻菌共生系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)先增加后降低，以20:1 為最佳。同時(shí)有研究表明，藻菌共生系統(tǒng)中微藻葉綠素a 濃度與初始藻菌比顯著相關(guān)[21]。但郁穎等[70]發(fā)現(xiàn)，在5 組不同藻菌配比（1:5、1:2、1:1、2:1 和5:1）的生長試驗(yàn)下，藻菌配比為5:1 時(shí)，微藻生長狀況最好，葉綠素a 最高可達(dá)753.18 μg/L。由此可見，不同的微藻和細(xì)菌類型，其最適的藻菌配比也有顯著差異，合適的藻菌搭配和接種比對(duì)于藻菌的生長代謝起著關(guān)鍵性作用，優(yōu)勢(shì)微藻和細(xì)菌的篩選與特異性搭配是提高藻菌共生系統(tǒng)穩(wěn)定性與高效性的核心要素。

4.2 營養(yǎng)物質(zhì)

營養(yǎng)物質(zhì)作為藻菌共生系統(tǒng)建立的最重要的環(huán)境因素，是維系藻菌間營養(yǎng)交換的基礎(chǔ)。沼液中存在的營養(yǎng)物質(zhì)（如N、P 和K 等）是藻菌生長代謝的物質(zhì)來源，當(dāng)微藻通過光合作用利用太陽能時(shí)，也需要各種必需營養(yǎng)元素（如C、N、P、S、K、Fe 等）來合成它們自身的生物質(zhì)化合物，若缺乏其中一種元素就可能導(dǎo)致其生長停緩，甚至造成藻菌共生系統(tǒng)的啟動(dòng)失敗。C/N/P 比是驅(qū)動(dòng)藻菌共生系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)種形成和微生物群落演替的關(guān)鍵因素，高C/N/P 比（C/N/P=106:16:1）有利于共培養(yǎng)時(shí)NH4+-N 的去除[11]。盡管該比例主要由沼液的來源和成分所決定，但仍可通過科學(xué)計(jì)算和人工調(diào)控來確定最佳的C/N/P 比，進(jìn)而維持共生系統(tǒng)的穩(wěn)定。此外，沼液中存在的各類其他物質(zhì)，如維生素B12、植物激素（吲哚乙酸、細(xì)胞分裂素等），理論上會(huì)改變細(xì)菌吸附微藻的能力，刺激微藻的生長代謝[61]。當(dāng)系統(tǒng)中營養(yǎng)不足時(shí)，會(huì)加劇系統(tǒng)內(nèi)部微生物的競(jìng)爭(zhēng)，阻礙藻菌間正常的營養(yǎng)交換，造成系統(tǒng)內(nèi)微生態(tài)的失衡[8]。但系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)也不宜過高，一旦營養(yǎng)過飽和，高負(fù)荷的營養(yǎng)物質(zhì)不僅不能被藻菌同化吸收，甚至?xí)a(chǎn)生毒害作用，抑制藻菌的生長以及污染物的去除能力[9]。而通常沼液具有高負(fù)荷的N、P 營養(yǎng)元素，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需定期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)出水狀況，調(diào)整碳、氮和磷的比例與微生物生長所消耗的營養(yǎng)物質(zhì)的比例，最大化發(fā)揮藻菌共生系統(tǒng)的沼液凈化與生物質(zhì)生產(chǎn)的能力。

4.3 曝氣率

作為僅次于營養(yǎng)物質(zhì)的影響因素，曝氣對(duì)系統(tǒng)中的沼液凈化、碳固定起著重要作用。曝氣不僅能使系統(tǒng)中的O2和CO2濃度發(fā)生變化，還能改變系統(tǒng)的混合狀態(tài)。若系統(tǒng)曝氣率過低，一旦系統(tǒng)中CO2濃度過高時(shí)，CO2濃度也會(huì)影響著處理過程中系統(tǒng)的pH 值[64]，進(jìn)而抑制著微藻細(xì)胞的生長?？扇羝貧膺^度，所產(chǎn)生的機(jī)械力將對(duì)微藻和細(xì)菌的細(xì)胞造成傷害，從而直接影響細(xì)胞聚集狀態(tài)、代謝速率及存活率[71]。加之藻菌共生系統(tǒng)中O2與CO2可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)，當(dāng)水中的溶解氧濃度過高時(shí)會(huì)限制微藻的光合作用。適當(dāng)降低曝氣率可削弱水力剪切力，有助于微藻的生長，促進(jìn)微藻和細(xì)菌絮體之間的相互作用[72]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，在20 mL/min 的曝氣率下，采用夜間曝氣的方式更能提高系統(tǒng)中微藻生物量的產(chǎn)量，并使微藻與細(xì)菌共生系統(tǒng)的長期運(yùn)行更加穩(wěn)定[73]。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化曝氣條件有助于藻菌共生系統(tǒng)穩(wěn)定性、沼液中營養(yǎng)物質(zhì)的利用率以及污染物的去除率的提高。

4.4 pH 值與溫度

pH 值與溫度是限制和調(diào)控藻菌共生系統(tǒng)的重要因素，影響著微藻和細(xì)菌的細(xì)胞活性與生化反應(yīng)速率。大部分藻菌生長的理想pH 值范圍[8]為8.2～8.7，但系統(tǒng)中的pH 值和沼液類型以及曝氣率等密切相關(guān)，系統(tǒng)中的最適pH 值主要取決于所選用的藻菌類型。此外，溫度可直接影響微藻和細(xì)菌的生化反應(yīng)過程。對(duì)于大多數(shù)的微藻而言，最適宜的溫度為20～30 ℃。合適的溫度能提高微藻葉綠素、細(xì)胞內(nèi)酶活性和生物質(zhì)產(chǎn)量[74]。溫度過低引起代謝緩慢，溫度過高將使蛋白質(zhì)失活，甚至造成微藻與細(xì)菌的失活。LI 等[14]驗(yàn)證了藻菌共生系統(tǒng)溫度保持在25 ℃、pH 值為6.0 的條件下，藻菌的干重和微藻的吸附效率最高。然而，系統(tǒng)的溫度通常會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而變化，所以需要定期監(jiān)測(cè)內(nèi)部溫度變化，確保系統(tǒng)溫度處于合適的溫度范圍內(nèi)，這對(duì)藻菌細(xì)胞的生長分裂和共生系統(tǒng)的穩(wěn)定起著保障作用。

4.5 光照條件

光照作為藻菌共生系統(tǒng)中提供能量來源的重要方式，和以上直接影響藻菌共生系統(tǒng)建立與穩(wěn)定的因素不同，光照直接影響著微藻合成有機(jī)物的過程[8]。一般情況下，隨著光照強(qiáng)度的增加，藻類的光合作用也隨之增強(qiáng)，但一旦超過微藻的光飽和點(diǎn)，光合作用反而受到抑制，如小球藻HS2 的光飽和點(diǎn)為450 μmol/(m2·s)[75]。在強(qiáng)光照環(huán)境下，系統(tǒng)中的氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的活性都會(huì)受到一定程度的抑制[76]，PENG 等[77]證實(shí)了光照通過調(diào)節(jié)能量代謝和物質(zhì)合成的關(guān)鍵酶，進(jìn)而影響紫色非硫細(xì)菌的生長。此外，保持一定的黑暗期有助于部分光敏感細(xì)菌的生長，提高菌群的物種豐富度[78]。光照強(qiáng)度對(duì)藻菌共生系統(tǒng)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，光照強(qiáng)度的增強(qiáng)會(huì)提高系統(tǒng)中紅桿菌屬的相對(duì)豐度[79]。

4.6 重金屬與抗生素

重金屬與抗生素作為系統(tǒng)的去除對(duì)象，其對(duì)共生系統(tǒng)的影響常被忽略。雖然藻菌共生體可形成的大量EPS以降低重金屬和抗生素的生物有效性和毒性[15]，能在一定程度上緩解污染物對(duì)微藻和細(xì)菌的影響，但污染物的濃度一旦超過藻菌共生系統(tǒng)的耐受限度（如Cu 濃度超過208 mg/L 會(huì)造成50%的小球藻生長受到抑制）[61]，將在營養(yǎng)交換、信號(hào)傳遞和水平基因轉(zhuǎn)移層面嚴(yán)重制約著微藻和細(xì)菌的微環(huán)境平衡，進(jìn)而抑制著微藻和細(xì)菌的生存[61]。因此，在藻菌共生系統(tǒng)處理沼液之前必須對(duì)沼液進(jìn)行預(yù)處理，稀釋或?yàn)V除部分沼液中的重金屬和抗生素。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

作為一種低成本、高效率、環(huán)境友好的沼液處理與資源化利用的新興方法，藻菌共生系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)沼液凈化、資源回收和碳減排，基于藻菌共生系統(tǒng)的沼液處理方法的應(yīng)用前景廣闊。本文對(duì)藻菌共生系統(tǒng)處理沼液的共生機(jī)制、類型、污染物去除及其影響因素等方面進(jìn)行了全面的綜述總結(jié)，主要結(jié)論如下：1）藻菌的共生作用機(jī)制為營養(yǎng)交換、信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)移，是藻菌共生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沼液凈化與資源化利用的基礎(chǔ)。2）基于微藻和細(xì)菌在共生系統(tǒng)內(nèi)的存在狀態(tài)與發(fā)展順序，可將其分成游離型藻菌系統(tǒng)、附著型藻菌系統(tǒng)和藻菌共生光生物反應(yīng)器，在系統(tǒng)構(gòu)建過程中均需要充分協(xié)調(diào)前期沼液預(yù)處理與反應(yīng)器的對(duì)接。3）藻菌共生系統(tǒng)主要通過生物吸附、生物降解、揮發(fā)去除等機(jī)制高效去除沼液中的氮、磷等營養(yǎng)元素、難降解有機(jī)物（如抗生素）和重金屬等。4）微藻和細(xì)菌的生長主要受到藻菌配比、營養(yǎng)物質(zhì)、曝氣率、pH、溫度、光照條件、重金屬和抗生素等因素的直接影響，作為調(diào)控藻菌共生系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，其核心要義是根據(jù)目標(biāo)畜禽沼液的水質(zhì)特點(diǎn)、期望的處理效果以及末端微藻生物質(zhì)的品質(zhì)來選擇合適的藻菌配比和環(huán)境參數(shù)。

5.2 展 望

鑒于沼液和藻菌共生系統(tǒng)的復(fù)雜性、影響因素的多維性，目前基于藻菌共生系統(tǒng)的沼液處理的相關(guān)應(yīng)用少，大體處于實(shí)驗(yàn)室階段，中試規(guī)模極少，在機(jī)制探討（對(duì)沼液環(huán)境中的藻菌信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)移了解不夠全面）、反應(yīng)器構(gòu)建、關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控（影響因素對(duì)共生機(jī)制的影響）等方面仍存在著一些問題，未來需在以下方面深入研究：

1）加強(qiáng)對(duì)藻菌間信號(hào)傳導(dǎo)和基因轉(zhuǎn)移的探索，包括對(duì)分子水平上藻菌間的代謝物、信號(hào)分子、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等的功能及其影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，尤其是利用藻菌間的信號(hào)分子和群體感應(yīng)機(jī)制強(qiáng)化共生作用以增強(qiáng)藻菌共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)可通過基因標(biāo)記識(shí)別、宏基因組測(cè)序等分子生物學(xué)和生物信息學(xué)手段識(shí)別可移動(dòng)遺傳元件、獲取基因組背景以進(jìn)一步闡明沼液環(huán)境中藻菌間具體的水平基因轉(zhuǎn)移及其影響機(jī)制。

2）沼液本身具有復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物特性，對(duì)目標(biāo)藻菌的共培養(yǎng)存在一定的抑制作用，因此需拓展預(yù)處理方法，優(yōu)化沼液預(yù)處理效果，減輕抗生素、重金屬及其他污染物對(duì)藻菌生長的壓力效應(yīng)，以縮短藻菌的生長適應(yīng)期。

3）充分協(xié)調(diào)前端預(yù)處理與反應(yīng)器的對(duì)接，同時(shí)設(shè)計(jì)新型穩(wěn)定且廉價(jià)的固定化載體材料，綜合密閉式和開放式光生物反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)，以開發(fā)更穩(wěn)定、更可控、更高效的適用于高濃度沼液的新型藻菌共生光生物反應(yīng)器。

4）開展藻菌共生系統(tǒng)中試工程應(yīng)用研究，注重長期的效果評(píng)估與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積，并結(jié)合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用情況與數(shù)學(xué)模型，開展多因素的調(diào)控試驗(yàn)，包括藻菌的特異性配對(duì)、新型污染物的耦合去除等，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以最大限度激活藻菌共生系統(tǒng)的凈化與資源化潛力。

5）末端微藻生物質(zhì)的收獲與精煉仍存在著技術(shù)瓶頸，如何實(shí)現(xiàn)低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高效益地收獲微藻生物質(zhì)并提取其精煉產(chǎn)品仍是未來的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。因此，未來亟需打通基于藻菌共生系統(tǒng)的沼液處理模式的上下游通道，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從沼液到微藻生物質(zhì)精煉產(chǎn)品的全鏈條資源循環(huán)。