本研究由Zouhayr Arbib、Jesús Ruiz、Pablo Álvarez-Díaz、Carmen Garrido-Pérez和Jose A. Perales等人完成，第一作者及通讯作者Zouhayr Arbib隶属于西班牙加的斯大学（University of Cádiz）安达卢西亚海洋科学与技术中心（CACYTMAR）环境技术系，同时隶属于Aqualia Gestión Integral del Agua SA公司。该研究发表于《Water Research》期刊2014年第49卷，页码为465至474。

本研究的学术背景涉及微藻生物修复（phytoremediation）领域，具体聚焦于城市污水三级处理（tertiary treatment）、二氧化碳生物固定（CO₂ bio-fixation）以及低成本生物燃料生产。随着全球城市人口快速增长，大量废水与以二氧化碳为主的温室气体排放构成了严峻的环境可持续性挑战。传统污水处理厂在去除氮、磷等营养盐方面存在工艺流程复杂、运行成本高、污泥产量大以及难以同步脱氮除磷等不足。微藻能够在废水中生长并同时吸收有机碳和无机营养盐，因此在污水三级处理阶段具有重要的植物修复潜力。此外，微藻固定二氧化碳的效率远高于陆生植物，且其生物质可用于提取蛋白质、脂质等高附加值产品，并可作为第三代生物燃料的原料。基于此，本研究旨在评估三种常用微藻——普通小球藻（Chlorella vulgaris）、凯氏小球藻（Chlorella kessleri）、斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）以及一种天然藻华（natural bloom）在城市污水（wastewater, WW）和合成污水（synthetic wastewater, SW）两种培养基中、在5%二氧化碳通气条件下的生长、营养盐去除和二氧化碳同化动力学特征。

研究的详细工作流程包括微藻菌株获取与培养、实验装置构建、分析测定方法以及动力学参数计算四个主要环节。研究所用的斜生栅藻（SC）、普通小球藻（CV）和凯氏小球藻（CK）均来自德国哥廷根大学藻类培养保藏中心（SAG），天然藻华（BL）则分离自西班牙瓜达莱特河（Guadalete river）某城市污水处理厂出水口下游，经0.45微米孔径纤维滤膜过滤后以10倍浓度COMBO培养基富集获得。实验采用2000毫升派热克斯玻璃烧瓶作为反应器，通过膜式气泵将空气以1 vvm的流量从底部鼓入，并添加5%二氧化碳。光照由6支荧光灯提供，光照强度为250 μmol cm⁻² s⁻¹，光暗周期为14/10小时，温度控制在20±1℃。每种微藻分别在WW和SW中培养，同时设置不含微藻的对照反应器以观察物理化学变化。分析测定包括每日通过680纳米处光密度（OD₆₈₀）测定生物量，并通过各菌株在各培养基中的校准曲线将OD₆₈₀转换为干重；硝酸盐、铵盐和磷酸盐浓度采用标准方法的比色法测定；收获后的生物质经冷冻干燥后进行C、N、H、S元素分析；粗蛋白含量以氮含量乘以6.25估算；脂质含量采用改良的氯仿-甲醇萃取法测定。在动力学模型方面，研究采用Verhulst逻辑模型拟合生物量生长曲线，并通过提出的新方法计算批次生产力（batch productivity, P_b），该方法排除了延滞期和稳定期对生产力计算的影响，以t₁₀（生物量达到初始浓度110%所需时间）和t₉₀（生物量达到最大浓度90%所需时间）之间的生物量增长量除以时间差计算P_b，同时还计算了传统总生产力（overall productivity, P_overall）。营养盐去除动力学采用Quiroga-Sales模型拟合，并计算了达到欧盟98/15/CE指令中最严格排放限值（总氮10 mg L⁻¹、总磷1 mg L⁻¹）所需的时间。二氧化碳生物固定速率根据de Morais和Costa的方法，利用生物质碳含量和批次生产力计算得出。

研究的主要结果显示，所有受试菌株在两种培养基中均能良好生长。最终生物量浓度（x_max）可分为三个明显不同的组别：CVSW最低，为821±88 mg L⁻¹；CVWW、CKWW和CKSW居中，分别为1303±270、1172±110和1260±91 mg L⁻¹；SC和BL在两种培养基中均最高，其中BL在SW中达到1950±243 mg L⁻¹。最大比生长速率（μ_max）在各菌株和各培养基之间无显著差异（p≤0.05），说明光照、营养盐和二氧化碳条件一致时菌株间生长速率差异不显著。在生产力方面，新提出的P_b在所有试验中均比传统P_overall高24%至38%，这反映了排除延滞期和稳定期后微藻的真实产率潜力。营养盐去除方面，除BLSW的总氮去除率为79%外，其余所有反应器的总氮去除率均超过90%；所有试验中总磷去除率均超过98%。对照反应器无营养盐去除现象，证明去除过程由微藻生物活动完成。磷浓度在试验最初25小时内出现突然下降，去除量最高可达总磷的25%，结合反应器pH始终低于9且对照反应器未出现该现象，研究者判断这一初始快速下降是由微藻细胞壁吸附所致而非化学沉淀。达到排放限值所需时间方面，各菌株在WW中的t₁₀N和t₁P普遍低于SW，表明微藻更适合在实际废水中发挥营养盐去除功能。生物质组成分析显示，碳含量以CVSW最高（56.6±2.5%），BLWW最低（46.5±0.7%）；脂质含量以BL最高（BLSW为29.55±2.55%，BLWW为26.82±2.75%）；粗蛋白含量以SC最低（约16%）。二氧化碳生物固定速率方面，SC和BL由于具有较高的批次生产力，其P_CO₂也最高，SCSW和SCWW分别达到424.4和436.7 mg CO₂ L⁻¹ d⁻¹。

研究的结论指出，四种受试微藻均能在实际城市废水中有效生长，其中斜生栅藻和天然藻华在两种培养基中的最大生物量浓度无显著差异。新提出的批次生产力计算方法能够减少因延滞期和稳定期带来的数据离散性，使不同研究者之间的数据更具可比性。所有菌株均具有高效同步去除氮磷的能力，达到甚至低于欧盟最严格排放标准，且氮磷去除达到排放限值所需时间相近，表明同步光生物脱氮除磷在技术上是可行的。二氧化碳固定能力与培养基类型无关，而主要取决于菌株本身的生物质生产力，碳含量在各试验间较为接近，因此高生产力菌株（斜生栅藻和天然藻华）同时具有更高的二氧化碳固定速率。

本研究的亮点主要包括：第一，系统比较了三种模式微藻与一种自然环境分离藻华在真实废水和合成废水中的综合表现，为微藻筛选提供了直接依据；第二，提出了一种新的批次生产力计算方法，该方法通过排除延滞期和稳定期的影响，能够更真实地反映微藻的生长潜力并提高不同研究之间的数据可比性；第三，证实了在5%二氧化碳通气条件下，微藻可以同步实现高效脱氮除磷和二氧化碳固定，且实际废水并未抑制反而在某些情况下促进了微藻的生长和营养盐去除能力；第四，天然藻华在生物量产率和脂质含量方面的优异表现提示了利用本地适应型混合藻群进行污水修复和生物燃料生产的潜在优势。此外，研究还通过对照实验和pH监测排除了非生物因素对营养盐去除的贡献，明确区分了磷的初始吸附去除与后续生物同化去除过程，这一方法学上的细致处理增强了结果解释的可信度。