微藻在污水处理与生物燃料生产中的双重作用：Chlorella sorokiniana 和 Scenedesmus obliquus 对原污水的综合处理及生物质产能研究

本文作者 Sanjay Kumar Gupta、Faiz Ahmad Ansari、Amritanshu Shriwastav、Narendra Kumar Sahoo、Ismail Rawat 与 Faizal Bux 来自南非德班理工大学水与污水处理技术研究所（Institute for Water and Wastewater Technology, Durban University of Technology）。该研究于2015年12月22日在线发表于 Journal of Cleaner Production 第115卷，页码为255–264。

随着社会发展和淡水资源日益紧张，传统一级、二级、三级污水处理工艺能耗和成本较高，难以在经济欠发达地区广泛推广。微藻利用污水中的营养物生长，同时产生可用于生物燃料的高价值生物质，因而在污水处理和资源回收方面具有重要潜力。此前研究多集中于利用二级或三级处理出水培养微藻，而对于直接使用原污水进行综合处理，即同时去除有机碳、营养盐和病原体并积累脂质的研究仍然不足。Chlorella sorokiniana 和 Scenedesmus obliquus 被报道对高有机负荷具有一定耐受性，但二者是否能在不经过任何附加处理的情况下直接利用原污水实现上述多重目标尚未得到系统比较。因此，本研究旨在评估和比较这两种微藻在过滤原污水中实现综合污水处理与脂质积累的能力，并考察培养过程中的生理胁迫状态，以判断其在长期应用中的可行性。

在实验设计上，研究者首先从南非夸祖鲁-纳塔尔省德班地区分离并纯化得到 C. sorokiniana（GenBank 登录号 AB731602.1）和 S. obliquus（GenBank 登录号 FR751179.1）。实验所用原污水取自南非 eThekwini 市，经过0.25 mm不锈钢滤网过滤后曝气8小时，以去除油脂和泡沫，之后用污水处理厂的加氯出水（余氯小于0.01 mg/L）进行稀释，得到原污水比例分别为100%、75%、50%和25%的四种实验培养基，分别记作 WW-100、WW-75、WW-50 和 WW-25。两种微藻均以5%的接种量接入上述培养基，在2 L锥形瓶中进行15天培养。培养条件为连续曝气，光照强度80 µmol m⁻² s⁻¹，光暗周期16:8小时，温度22±2°C。每3天取样50 mL，其中10 mL用于光密度（OD680）和脉冲振幅调制荧光测量，其余40 mL离心后分别用于理化与微生物分析以及生物质干重测定。研究指标包括生长动力学、PS-II 光化学量子效率（Fv/Fm）以表征生理胁迫、化学需氧量（COD）去除、氮磷去除、总大肠菌群和粪大肠菌群去除、最终生物质脂质含量以及培养过程中 pH 变化。脂质提取采用微波辅助溶剂萃取法，以氯仿-甲醇（2:1）为溶剂，在100°C、1000 W条件下微波消解10分钟，并通过称重法计算脂质百分比。病原体检测采用 Colilert 试剂盒和 IDEXX Quanti-Tray 系统，通过显色和荧光反应分别定量总大肠菌群与大肠杆菌。

在生长方面，两种微藻在大多数原污水稀释条件下均表现出合理生长，但 WW-25 因营养物浓度过低限制了生长。C. sorokiniana 在 WW-75 中获得最大生长，而 S. obliquus 的最优培养基为 WW-50。C. sorokiniana 使用 WW-100 时出现约两天的延滞期，提示其需要对原污水进行适应；而 S. obliquus 使用 WW-100 时前6天生长与其他处理相近，之后因持续生理胁迫而表现较差。在生理健康方面，Fv/Fm 值低于0.5通常表示微藻处于胁迫状态。C. sorokiniana 在 WW-75 中 Fv/Fm 始终高于0.5，表明其生理状态健康；在 WW-100 中培养初期处于胁迫状态，随后逐渐适应，最终 Fv/Fm 可达0.53±0.01。相比之下，S. obliquus 在各处理中均表现出更高的生理胁迫，即使在最优的 WW-50 中也仅维持较低 Fv/Fm，并在实验后期继续下降。该结果表明 C. sorokiniana 对原污水的适应能力和抗胁迫能力更强，因而更适合长期培养。

在有机碳去除方面，WW-100 的原污水 COD 为320.07±3.78 mg/L。C. sorokiniana 对 WW-100、WW-75、WW-50 和 WW-25 的 COD 去除率分别为69.38±1.81%、77.89±2.81%、70.49±6.13%和55.15±5.63%。S. obliquus 的 COD 去除率则分别为76.13±1.59%、69.31±2.72%、70.56±6.35%和71.10±6.28%。尽管 S. obliquus 在多数条件下最终出水 COD 更低，且去除率较稳定，但 C. sorokiniana 在 WW-75 中达到最佳去除效果。研究认为，COD 去除在培养初期主要由污水中的细菌与微藻协同完成，细菌将复杂有机物降解为简单代谢产物，微藻再利用这些产物进行生长，这一观点与以往关于藻-菌共生系统的研究一致。

氮磷去除方面，原污水中氮主要以氨氮形式存在，加氯出水中硝酸盐含量较高，稀释后各处理中的氮形态分布发生变化。两种微藻均能有效去除氨氮，但处理出水中亚硝酸盐和硝酸盐均有所增加，说明培养体系内存在硝化作用。特别是 C. sorokiniana 处理组出水中硝态氮比例高于 S. obliquus，提示 C. sorokiniana 培养系统中光合产氧更强，促进了氨的硝化。整体来看，S. obliquus 的总氮去除率在 WW-100、WW-75、WW-50 和 WW-25 中分别为98.54±3.30%、98.02±4.23%、97.29±5.58%和95.44±8.77%，均高于 C. sorokiniana 的86.93±3.49%、89.01±4.28%、91.85±5.56%和88.92±9.08%。磷的去除也表现出类似趋势。S. obliquus 对 WW-100 的磷去除率达到97.99±3.95%，显著高于 C. sorokiniana 的68.24±11.69%。虽然 C. sorokiniana 在 WW-50 中磷去除率可达96.20±6.72%，但在原污水中磷去除效果较差，这与原污水引起的生理胁迫和适应期有关。

病原体去除方面，两种微藻培养均能使总大肠菌群下降超过99.7%，并在所有处理中实现100%的粪大肠菌群去除。S. obliquus 对总大肠菌群的去除率在 WW-100 中为99.93±0.12%，略优于 C. sorokiniana 的99.78±0.12%。研究还发现，培养过程中 pH 升高至10以上，但单独提高 pH 并未显著降低大肠菌群数量，因此认为病原体去除的主要机制并非单纯 pH 效应，而更可能与微藻分泌的具有抗菌活性的代谢产物有关。这一点与文献中关于藻类代谢物杀菌作用的研究相互印证。

脂质积累结果显示，在 BG11 对照培养基中，C. sorokiniana 的脂质含量为14.17±1.72%，S. obliquus 为15.82±2.23%。而在不同稀释程度的污水中，两种微藻的脂质含量均显著升高。C. sorokiniana 在 WW-100、WW-75、WW-50 和 WW-25 的脂质含量分别为22.74±3.11%、25.87±2.62%、26.11±1.86%和27.68±3.12%；S. obliquus 分别为23.26±3.95%、25.34±1.55%、26.59±3.12%和28.36±2.02%。WW-25 条件下两种微藻均获得最高脂质含量，这是因为较低营养物水平诱导了更强的营养胁迫，从而促进脂质积累。尽管 S. obliquus 在各处理中脂质含量略高于 C. sorokiniana，但其生理胁迫程度也更高，这可能导致长期应用中生物质产率和处理效率下降。

综合来看，S. obliquus 在营养物去除、病原体去除和脂质积累方面均表现出略优于 C. sorokiniana 的潜力，但其培养过程中生理胁迫更明显，且最优生长需要将原污水稀释至50%，这意味着需要额外稀释用水和运行成本。相反，C. sorokiniana 对原污水的适应能力更强，Fv/Fm 较高，使用75%原污水即可获得最佳生长，因此更适合在不影响长期处理效率的前提下同时实现污水综合处理和脂质生产。本研究的主要价值在于首次系统比较了两种微藻在未经过二次或三级处理的原污水中同时去除有机碳、氮磷和病原体并积累脂质的能力，并引入 Fv/Fm 作为评价微藻适应性和胁迫状态的重要指标。该研究表明，选择抗胁迫能力更强的藻种对于实现长期稳定的综合污水处理与生物燃料生产具有重要意义，也为微藻-细菌共生系统在原污水处理中的应用提供了实验依据。