藻菌共生体系及其水质净化功能研究

娄云剀

（湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410125）

1 藻菌共生体系

1.1 发展历程

藻菌共生体系是指自然界中特定的藻类和菌类之间，根据自身的协调作用而达到净化水体的效果的一种生物处理技术体系。

1962 年，美国堪萨斯大学的麦金尼教授，在构筑完全混合式活性污泥数学模型时，就设想建立一种处理污水的絮凝藻菌共生系统[1]。通过在一些特定构筑物中，采用人工控制的方式，培育相应的部分藻类来处理污水，藻菌共生体系由此走向人为控制的发展方向。1967 年，Oswald William 教授等在其文章中首次提出了菌藻共生系统这一概念[2]，并构筑了最初的稳定塘系统。这一概念的提出及稳定塘系统的构筑，使得关于藻菌共生体系的研究进一步专业化、系统化、规范化。20 世纪80 年代，国内外针对藻菌共生体系处理污水的大量试验性研究取得了突破性的成果。这些研究涵盖了进水水质及其种类、微藻处理反应器的结构、藻种的选择以及藻菌去除有机物、重金属与氮磷营养物质机理等许多方面[3]。并最终在1983 年，由 Buhr 等[4]建立了更加成熟的HRAP 动力学模型。这些研究为近现代藻菌共生体系处理污水的应用，提供了强有力的技术基础与理论支持。学术界自此掀起了一场关于利用微藻和细菌协同作用的研究热潮[5]。

1.2 模式及原理

水体中的有机污染物，经藻菌共生体系中好氧型细菌或真菌氧化分解产生二氧化碳（CO2）和铵离子（NH4+）、磷酸根离子（PO43-）等营养盐，藻类以光能为能源，通过吸收这些营养盐来进行光合作用，消耗了污水中存在的大量氮（N）、磷（P）等元素，并将无机物合成用以自身生长发育所需的细胞物质[6]。与此同时，再次释放氧气（O2）供好氧型细菌或真菌继续氧化有机物，实现系统循环共生。

随着对藻菌共生体系原理的掌握及研究深入，研究人员对其特异性的组合方式不断改良、创新，逐渐出现了高效藻类塘技术、活性藻技术、流化床光生物反应器、水力藻类床、生物转盘等新型的藻菌共生体系新模式（表1）。这些模式，也为现阶段应对不同水质污染问题，提供了多样且充足的选择。

表1 菌藻共生体系在污水中主要形式及优缺点

1.3 常用藻菌原料

现阶段，藻菌共生技术中常用的微藻主要有小球藻、月牙藻、栅藻、衣藻、螺旋藻、铜绿微囊藻等（表2）[7-12]。

表2 常用于污水处理的微藻及其去除率

常用的菌类有芽孢杆菌、硝化细菌、光合细菌、黑曲霉菌、烟曲霉菌等（表3）[13-18]。

表3 常用于污水处理的菌类及其去除率

这些微藻和菌类，因其种类的特异性，其个体本身及不同个体组合后，针对不同水域环境问题表现出特异性功能。

2 水质净化功能

藻菌共生体系最基础、最关键的功能即其水质净化功能，其效能往往代表着该体系在实际应用中绝大部分的功能效果。

2.1 对氮、磷营养盐的调控作用

N、P 是生命体生长中所必需的，也是水产养殖生态系统中物质循环的重要元素，其含量往往是养殖水体污染的重要指标[19]。随着当下社会高密度养殖模式的推广，大量养殖尾水随意排放进入自然水体，水域生态平衡被打破，导致自然水体中NH4+-N、NO2--N、PO43--P 等营养盐含量急剧上升[20-21]。由此引发的污染问题日趋严峻。

同时，当水中P 含量增加时，藻类生长繁殖速度随之加快。大量藻类漂浮在养殖水表面，引起赤潮或水华[22]，继而导致光合作用效率下降，降低水中溶解氧，导致动植物缺氧死亡[23]。藻类甚至会产生藻毒素，对鱼虾的生长具有毒性作用[24]。

藻菌体系与污水中N、P 之间的关系，可以简单概括为：微藻主要以无机N、P 为生长元素，合成自身的有机N、P，从而降低污水中的N、P 含量[25]。如若环境中无机N、P 缺乏，细菌在微藻死亡后可分解微藻的有机质，继续供其他微藻生长所需，从而提高元素的利用效率[26]。此外，杨翔梅[27]的研究结果表明，硝化细菌、复合细菌、COD 降解菌三种菌剂单独添加时，废水中NH4+-N 的去除率分别为27.3%，16.0%，13.3%。对比可知，其中硝化细菌去除NH4+-N 的能力最强。周鸣等[28]的研究结果表明，固化硝化细菌小球和固化菌藻小球均可显著去除污水中的NH4+-N，但后者的去除效果更佳。当实验条件为 28 ℃、pH 值为 8、NH4+-N 起始质量浓度为50 mg/L、NH4+-N 与固化菌藻小球用量比为 1∶40 时，24 h 内NH4+-N 去除率为96.51%。这些数据足以验证Oswald 等[29]提出的培养藻类进行深度生物处理污水的方法，即通过光合作用固定CO2，同时利用水体中的N、P 等富营养元素，实现微藻生长及废水处理的双重目的[30]。

同时，相关研究[31]发现，微藻-硝化细菌体系对NH4+-N 的去除率为51.2%，大于单独微藻对NH4+-N的去除率17.5%与单独硝化细菌对NH4+-N 的去除率27.3%之和。分析可知，硝化细菌与微藻间具有协同作用，且藻菌共生体系能够更大化地提高水质净化能力。

综上所述，藻菌共生体系通过微藻和细菌的联合作用，可以消耗或补充水体中含量失衡的N 和P，从而实现调控水中营养物质含量，改善水体水质的作用。

2.2 对BOD 和COD 的调控作用

在水质研究中，BOD 和COD 是两个重要的而且能较快测定的有机物污染参数。

郑耀通[32]构筑了由小球藻、乳酸菌、光合细菌、红酵母、产朊假丝酵母组成的藻菌共生体系，在不同条件下对经厌氧酸化预处理的养猪污水中氨氮含量指标（NH3-N）、有机质进行去除。其研究发现，实验组成的藻菌共生体系可使酸化猪场污水中的BOD 在48 h 内的去除率达 96.8%。同时发现，藻菌共生体系和细菌纯培养体系对沼液中COD的去除效果，明显优于小球藻纯培养体系。分析可知，藻菌共生培养体系和细菌纯培养体系处理效果明显，是因为沼液中COD 的去除作用主要是由细菌分解有机物产生的。

当然，藻菌共生体系中的微藻在该过程中发挥的作用同样不可或缺，据Wolfaardt 等[33]的研究估算结果，在微藻的协同作用下，细菌降解污水中COD的效率可提高37%以上。这就证明了微藻对系统中细菌分解有机物起到了积极的促进作用。

基于此，Mujtaba 等[34]研究了小球藻与假单胞菌putida 构建的藻菌体系，发现其对COD 的调节效果明显优于小球藻纯培养体系，可达86%。Maza-Márquez 等[35]也对橄榄油生产过程中的污水进行处理，该实验将斜生栅藻、小球藻、蓝藻、鱼腥藻等接种到PBR 中，与污水中的菌类形成菌藻联合体。实验结果表明，BOD、COD 的去除率分别可以达到（97.8 ±12.7）%和（80.7±9.7）%。

综上所述，污水中BOD 去除主要由细菌分解有机物完成，藻菌共生体系内的微藻在体系中起一定的促进作用。两者相结合的藻菌共生系统，能够有效地降低污水中的BOD、COD 含量，净化水质，维持相对健康的水体营养水平。

2.3 对重金属的吸附作用

目前所应用的菌藻共生体系对重金属的去除方式主要以生物吸附为主，即通过各自细胞表面的功能团（羧基、羟基等）与金属结合[36]，起到吸附降解重金属的作用。因此，通过筛选与重金属有高结合能力的细菌与微藻能够提高菌藻共生系统去除重金属的整体效果。

Batool 等[37]曾采用模拟的重金属溶液来研究小球藻与深海微小杆菌混合培养构建的藻菌共生体系对重金属的去除效果，研究发现该系统对污水中铜（Cu）、铬（Cr）和镍（Ni）的最高去除率分别达到78.7%，56.4%和80%。此外，Subashchandrabose 等[38]认为，在连续进水条件下，藻菌共生体系联合处理含 Cu 污水的最高去除效率可达80%。这些数据，都足以证明藻菌共生体系针对被重金属污染的水体，可以起到较为充分的吸附降解作用。

除此以外，何柳等[39]针对核废料金属铀在水体中的去除作用也做了相关的实验研究。其构筑了合果芋-内生菌共生体系，采用ICP-MS 测定方法，在铀初始质量浓度为0.5 mg/L 时，最高铀富集率达98.34%，实验组铀质量浓度降至16.615 μg/L；在1，2 mg/L 的初始质量浓度条件下，废水中铀质量浓度分别降至 17.903 和 26.067 μg/L，3 组废水浓度均达到排放标准。据此可知，特异性的藻菌共生体系还可用于修复较低浓度的铀污染废水。

另外，司建伟[40]在研究中发现，藻类物质在进行光合作用时既产生了氧气，又能超负荷地吸收重金属离子，提高了水的pH 值，可以起到一定的消毒作用，降解农药、烷烃、酚类等多种有机物质。并且它还能够结合外源物质，促进N、P 等元素在水中的循环吸收，增加藻类物质的生物量，可以创造更多的经济价值。

综上所述，藻菌共生体系对于降低污染废水中过高的重金属含量、协调水质、净化水体，有其独特的积极意义。

3 总结与展望

3.1 研究困境与应用难题

由于上述研究大多停留在实验室阶段，考虑到现实环境下变量因素的多样，数据呈现具有一定的局限。参照实际应用场景，熊云武等[41]构筑了生态模型，研究了藻菌共生体系对鱼类养殖池塘水、罗氏沼虾养殖池塘水的实际应用效果，发现在当前阶段，藻菌共生体系投入产出比不高，且构筑系统的多方面技术存在空缺。

现行较为先进的藻菌共生小球应用载体的包埋工艺，在实践中也出现了固定化藻菌胶球经长时间浸泡容易开裂等问题，继而造成体系破坏；此外，新型的固定化微生物反应器开发研究陷入困境，传统的固定化载体会限制光能的获得和物质的传递，不能较好适应新环境下藻菌共生体系各方面功能的实际应用等。这些都是藻菌共生体系产业化、规模化、实用化过程中需要解决的应用难题。

3.2 总结

现阶段，中国的水环境污染问题日益严峻。利用藻菌共生体系进行水质净化，这种新方式实现了由较为单一的传统物理化学净化方法向多元化的现代模式发展的巨大转变。其不仅可以改善环境、修复生态，还可以生产系列附属产品，实现生态、经济与社会效益，其在新型污水深度处理的应用上展现出不可小觑的巨大优势。

大量的研究表明，藻菌共生体系不仅能明显去除 N、P、有机物，降低 BOD、COD，降解污水中的重金属等，甚至还可以控制和净化大肠杆菌、诱变活性物质和病毒等。这也为藻菌共生体系的产业应用进一步有针对性的发展做好了先期准备。当然，本次研究发现了藻菌共生体系在发展初期具体实践及产业应用的诸多不足之处，也从中发现了大量的新思路新方向，这也为接下来有针对性的改良与发展，找到了突破口和新的起点。

3.3 寻求突破与新的方向

藻菌共生体系不仅符合生态学的原理，生态环保，而且可以实现水的资源化，具有相当高的生态和经济意义[42]。针对藻菌共生体系中，不同微藻和菌种组合以及不同的藻菌比例展现出的特异性功能，应当在进一步地深入研究与试验后，在实现高效微生物的优选及活性保存技术的研究突破的同时，寻求不同应用场景下，对普遍性规律选择的把握。

在处理水产养殖产生的富营养化养殖废水等技术产业化应用方面遇到了一系列问题。针对藻菌共生小球包埋工艺滞后，应当进行传统包埋工艺的技术改进，例如参考介孔硅纳米包埋对枯草芽孢杆菌的处理等。针对共生小球固定载体的选择难题，应当加快廉价高效固定化载体的研制和开发。针对传统的固定化微生物反应器，应当开展固定效率更高、共生小球回收更便捷的新型反应器的开发研究。针对固定化载体会限制光能的获得和物质的传递，应当展开固定化材料传质阻力问题的研究等。