STOTEN高被引｜悉尼科技大学Long D. Nghiem等：微藻-细菌联合处理用于废水处理和生物质生产

微藻和细菌的多样性使它们能够形成一个互补的联盟，以实现高效的废水处理和养分回收。本综述强调了废水衍生的 微藻生物质作为有价值的可再生原料的潜力 ，例如利用微藻生产动物饲料、生物肥料、生物燃料等。本综述表明，微藻和细菌可以在许多环境中迅速生长，且微藻在生长过程中能高效利用水中的营养物质；进一步总结了目前对微藻特征及其在菌藻系统中和细菌相互作用，比较和讨论了单一微藻与细菌-微藻联合应用在处理废水上的性能，为实施基于细菌-微藻联合系统的各类废水（生活废水、工业废水、农用工业废水和垃圾渗滤液废水）处理制定研究路线图。与纯微藻系统相比， 菌藻系统具有更高的去除效率（高达15%）和更短的处理时间 。此外，该综述讨论了废水处理后生物质应用的各种可能性。本文自2022年9月发表以来，已被引用54次。

从生长环境看，微藻可以在淡水和海水栖息地茁壮生长，但细菌只能在低盐度环境中茁壮生长。这是因为一些微藻可以调控并与外界环境交换离子。与淡水物种相比，海洋微藻含有更多用于光合作用、细胞核、细胞器和细胞膜活性的离子转运蛋白。从生长方式看，微藻倾向于作为单细胞悬浮液生长，而细菌倾向于以生物膜或聚集絮状物的形式在聚集细胞的菌落中生长。从其在生态系统中的作用来看，微藻通过光合作用将光能和二氧化碳合成生物质，为整个生态系统提供化学物质能量来源。而细菌负责有机物质的分解和同化，这两个领域之间也有一些重叠。蓝绿藻（或蓝藻）较为特殊，严格意义上它是具有光合作用能力的细菌，但在生态系统中充当微藻。当微藻和细菌的生物多样性结合在一起时，可以带来共生效益和显著的经济环境价值。

图1 微藻的细胞分裂和细胞粘附机制

Fig. 1 Cell division and cell adhesion mechanisms of microalgae colony formation.

图2说明了微藻和细菌之间的碳、能量和关键化学物质的交换。微藻-细菌代谢过程中重要的几个协同因素如图所示：微藻产生O ₂ 供细菌用作电子受体和能量来源分解有机物，而微藻又能利用细菌产生的CO ₂ 作为碳源。在黑暗条件下，当微藻与细菌争夺氧气进行呼吸时发生拮抗作用。 维生素B在微藻和细菌之间的共生关系中起着至关重要的作用 ，维生素B ₁₂ 由细菌产生，有助于控制微藻发育和群落组成。微藻的光合作用导致pH值增加（白天），而细菌代谢产生有机酸能够降低pH值（夜间）。 联合体系统的主要优点是组合协同代谢 。有数据表明，菌-藻联合体系统在去除氨、磷和提高生物质能力等方面优于单个微藻系统。

图2 微藻和细菌相互作用模式的通用框架

Fig. 2. A generic framework for microalgae and bacteria interaction modalities.

表1 微藻和微藻-细菌联合体处理废水的培养效果比较

Table 1 A comparison of the culture efficacy for wastewater treatment of microalgae and a microalgal-bacteria consortium

微藻-细菌联合处理产生的生物质有多种应用，包括生物化学生产、动物饲料、生物肥料和生物燃料。 不同的培养过程最终决定了所生产的生物质的潜在应用 。营养品、化妆品和食品成分可以由微藻制成。然而，由于废水输入和细菌成分的原因，这些应用不适合联合体系统。因此，产生的最终产物不同，使用的处理系统也不同，应根据最终所需产物类型选择细菌和微藻的培养类型。

本综述证实的数据突出了微藻-细菌联合处理在废水处理和养分回收方面的潜力。该综述巩固了目前对微藻特征及其在联合处理系统中与细菌相互作用的理解。微藻和细菌可以在各种条件下生长，并以各种方式相互作用，从互利到寄生。本文讨论比较了近年来关于微藻纯培养及菌藻联合系统在各种废水处理（家庭、工业、农工和垃圾渗滤液废水）中实际施用研究，强调了微藻-细菌能够联合利用废水中的营养物质并生产有价值的微藻产品的能力。本综述还讨论了废水衍生的微藻生物质作为动物饲料、生物肥料、生物燃料和许多有价值的生物化学品原料的生产潜力及废水衍生微藻生物质的应用实例。同时，提出了微藻-细菌未来研究的几点建议：（1）利用微生物、生化分析技术及基因组尺度模型开展微藻-细菌相互作用机制以及在长期废水处理系统中藻-菌关系形成和稳定的深入研究；（2）提升光-生物反应器的配置，优化微藻-细菌的废水处理系统，防止生物量分离、减少外部干扰；（3）建立明确的微藻商业化技术经济评价体系。