為了降低溫室氣體的排放量，污水處理技術(shù)開始向低碳和碳回用技術(shù)等方向發(fā)展。藻菌共生工藝是指含有葉綠體或葉綠素的藻類在光照下進(jìn)行光合作用，吸收CO2并釋放O2，同時(shí)去除水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而活性污泥含有的豐富細(xì)菌、真菌和原生生物利用藻類釋放的O2降解有機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理。作為一種新型的水處理技術(shù)，該工藝不但解決了單獨(dú)培養(yǎng)微藻產(chǎn)生的絮體較小、沉降性較差的問題，還通過生物匯碳、原位產(chǎn)氧等方式抵消CO2的排放，提高溶解氧的利用率，有望實(shí)現(xiàn)碳“零”排放。

目前，藻菌共生工藝受到越來越多的關(guān)注，但還存在一些需要解決的問題。例如，如何維持系統(tǒng)中藻類和細(xì)菌數(shù)量的合理比例，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同生長(zhǎng)；在脫離實(shí)驗(yàn)室理想條件下，系統(tǒng)是否可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；出水中攜帶的藻細(xì)胞對(duì)水環(huán)境會(huì)造成影響等。因此，為了實(shí)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運(yùn)行，有必要深入了解污水處理過程中藻類和細(xì)菌之間相互作用的機(jī)理。

1、藻菌共生系統(tǒng)原理及其影響因素

1.1 藻菌共生系統(tǒng)原理

藻類和細(xì)菌在自然環(huán)境下存在著互利共生、共棲和寄生關(guān)系。藻-菌間的共生關(guān)系是藻類和細(xì)菌對(duì)彼此產(chǎn)物的利用，主要體現(xiàn)在CO2和O2在藻-菌間的循環(huán)流動(dòng)。藻菌共生系統(tǒng)原理如圖1所示。

藻菌共生系統(tǒng)中微藻對(duì)細(xì)菌的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①光合作用碳固定產(chǎn)生的碳水化合物、脂質(zhì)，以及微藻細(xì)胞分解產(chǎn)生的有機(jī)碳、氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均會(huì)促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)；②光合作用產(chǎn)生的O2可促進(jìn)細(xì)菌分解有機(jī)物；③微藻可少量吸收水體中的重金屬、抗生素等，減小對(duì)細(xì)菌的毒害作用；④微藻群是細(xì)菌的次生棲息地，細(xì)菌可附著在藻細(xì)胞外鞘表面生長(zhǎng)而形成生物膜，在一定程度上保護(hù)細(xì)菌使其免受有害環(huán)境因素的影響。

細(xì)菌生長(zhǎng)代謝對(duì)微藻的促進(jìn)作用體現(xiàn)在：①細(xì)菌代謝分泌酶、糖肽類物質(zhì)，利于蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)水解，加快系統(tǒng)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，促進(jìn)微藻生長(zhǎng)；②細(xì)菌分解死亡的微藻細(xì)胞，產(chǎn)生的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物可被微藻利用；③細(xì)菌代謝產(chǎn)生的生長(zhǎng)素、B族維生素為微藻提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。藻類和細(xì)菌間的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)加強(qiáng)了對(duì)污染物的吸附和降解作用，提高了污水處理的效率。

目前，對(duì)藻菌共生系統(tǒng)原理的闡述主要集中在宏觀的物質(zhì)交換層面，對(duì)于微觀狀態(tài)下共生系統(tǒng)對(duì)藻、菌的影響還不明確，如藻菌間結(jié)合的界面作用力及結(jié)合條件、微藻與細(xì)菌間代謝碳/氮/磷的通路、藻菌間相互作用的調(diào)控因子等。

1.2 藻菌共生系統(tǒng)的影響因素

1.2.1 化學(xué)因素

污水中存在著銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和亞硝態(tài)氮（NO2--N）等多種形式的氮，而藻類會(huì)優(yōu)先吸收NH4+-N進(jìn)行新陳代謝，當(dāng)水體中NH4+-N被消耗完時(shí)，NO3--N和NO2--N會(huì)在硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的作用下被還原為NH4+-N，繼續(xù)被藻類利用。

CO2是藻類光合作用的必需物質(zhì)，會(huì)改變系統(tǒng)的pH從而影響藻菌的生長(zhǎng)：當(dāng)輸入CO2時(shí)，系統(tǒng)pH降低，過低的pH會(huì)阻礙藻類生物量的增長(zhǎng)，影響污染物的去除；隨著光合作用的進(jìn)行，CO2被消耗并釋放出O2，pH升高，PO43--P在堿性條件下（pH為9~11）易生成沉淀，但過高的pH會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌含量下降，影響脫氮效果。此外，CO2還可以促進(jìn)藻菌顆粒分泌胞外多糖（PS），使其結(jié)構(gòu)更加緊密，有利于藻菌顆粒污泥的穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行。胞外蛋白（PN）是藻類和細(xì)菌在造粒過程中增加的主要胞外聚合物（EPS），但添加CO2對(duì)分泌PN并無顯著影響，并且經(jīng)過CO2強(qiáng)化的藻菌顆粒污泥對(duì)COD和磷的去除率明顯升高，對(duì)COD的去除率從81.2%提高至91.7%，對(duì)磷的去除率從50.1%提高至72.3%。當(dāng)EPS分泌量增加時(shí)，PN和PS含量也逐步增加。PN、PS含量的改變，對(duì)真核生物的影響不顯著，如其主要屬小球藻的豐度可達(dá)99%，而原核生物中α-變形菌綱的相對(duì)豐度增加，此類細(xì)菌多為異養(yǎng)細(xì)菌，可以氧化有機(jī)物產(chǎn)生CO2，供給微藻使用。綜上，PN、PS對(duì)藻菌顆粒的最終形成及維持菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要作用。

1.2.2 物理因素

大多數(shù)藻類為自養(yǎng)生物，光照是其生長(zhǎng)和繁殖的必要條件。光照周期和光照強(qiáng)度是重要的影響參數(shù)：光照周期影響藻細(xì)胞的分裂模式和生物活性，只有在適當(dāng)?shù)墓?/span>/暗周期下，藻細(xì)胞才能完成物質(zhì)代謝與光合產(chǎn)物的合成。根據(jù)藻類對(duì)光照強(qiáng)度的適應(yīng)性，可將光照強(qiáng)度分為光限制區(qū)、光過渡區(qū)、光飽和區(qū)和光抑制區(qū)。在光限制區(qū)，藻類的生長(zhǎng)速率隨光照強(qiáng)度的增加而增快，當(dāng)光強(qiáng)到達(dá)光飽和區(qū)時(shí)，強(qiáng)光會(huì)抑制光合色素的分解并使光合結(jié)構(gòu)受到損壞，使藻類生長(zhǎng)受到抑制。通常在較弱光，污泥易形成顆粒，促進(jìn)生物質(zhì)增長(zhǎng)。

1.2.3 生物因素

藻菌間的信號(hào)是一種實(shí)現(xiàn)群體行為、調(diào)控代謝功能的通信語言，目前在藻類和細(xì)菌間主要存在3種信號(hào)物質(zhì)：①溶解性較差的脂質(zhì)分子，能夠在不依靠能量的情況下自由穿過生物膜，如細(xì)菌中的磷脂、磷脂酰乙醇胺、二硬脂�；�磷脂酰乙醇胺等，以及藻類中的甾醇、脂肪酸等。②某些結(jié)構(gòu)保守的分子，如農(nóng)桿菌自誘導(dǎo)劑（AAI）可作為一種信號(hào)將膜結(jié)合的TraR蛋白釋放到細(xì)胞質(zhì)中，從而誘導(dǎo)TraR蛋白的二聚化。③細(xì)菌產(chǎn)生的信號(hào)分子和藻類產(chǎn)生的化感物質(zhì)。細(xì)菌間通過分泌并感知信號(hào)分子從而進(jìn)行交流的現(xiàn)象被稱作群體感應(yīng)（Quorumsensing，QS）。研究表明，藻菌顆粒污泥也受QS的調(diào)控，藻類和細(xì)菌都可以接收信號(hào)分子并開始自聚集，從而發(fā)生相應(yīng)的變化（見圖2）。藻菌顆粒污泥系統(tǒng)中主要存在C6-HSL和3-oxo-C8-HSL兩種信號(hào)分子，向藻菌顆粒系統(tǒng)內(nèi)添加AHLs上清液會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)源AHLs釋放，使顆粒污泥結(jié)構(gòu)更緊密，呈現(xiàn)出較好的抗沖擊能力，維持顆粒長(zhǎng)期運(yùn)行中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。QS對(duì)藻類的影響主要包括構(gòu)建生態(tài)位、調(diào)控孢子的成熟與釋放、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的加工與轉(zhuǎn)化、藻細(xì)胞的裂解，但加入信號(hào)分子后對(duì)藻菌共生系統(tǒng)具體的影響機(jī)制還不明確，還需要進(jìn)一步研究。

藻-菌間的基因轉(zhuǎn)移是指基因在相鄰微生物之間的水平轉(zhuǎn)移。原核生物間的基因轉(zhuǎn)移主要存在轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)三種形式，轉(zhuǎn)化是指受體直接接受供體的DNA片段；接合是指以細(xì)菌菌毛為介質(zhì)，將受體DNA片段傳導(dǎo)給受體；轉(zhuǎn)導(dǎo)是以噬菌體為載體完成基因轉(zhuǎn)移。而真核生物間的基因轉(zhuǎn)移機(jī)制更加復(fù)雜，此類研究較少。藻類中含有多個(gè)與細(xì)菌高度相似的基因，如硅藻的葉綠體基因、鞭毛藻ycf16和ycf24基因，從而推測(cè)細(xì)菌基因水平轉(zhuǎn)移到藻中，細(xì)菌中也含有藻類特有基因，說明基因轉(zhuǎn)移是藻類和細(xì)菌共同進(jìn)化的結(jié)果（見圖2）。基因轉(zhuǎn)移使藻菌間進(jìn)行信號(hào)交流并促進(jìn)藻菌的協(xié)同發(fā)展，提高藻菌共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

藻菌共生系統(tǒng)的影響因素眾多，但研究主要集中在如何提高藻菌共生系統(tǒng)的處理效果上，而對(duì)藻菌共生系統(tǒng)快速形成及穩(wěn)定運(yùn)行的影響因素研究較少。因此，需確定影響藻菌共生系統(tǒng)形成的關(guān)鍵因素，使藻菌共生系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 藻菌結(jié)合方式

目前，藻菌共生系統(tǒng)主要有三種應(yīng)用形式：懸浮態(tài)藻菌共生系統(tǒng)、固定化藻菌共生系統(tǒng)和藻菌生物膜系統(tǒng)。

懸浮態(tài)藻菌共生系統(tǒng)中細(xì)菌附著在藻細(xì)胞表面自由生長(zhǎng)，主要包括高效藻類塘和藻菌顆粒污泥兩種形式，目前的研究多集中在藻菌顆粒污泥上。當(dāng)藻類與顆粒污泥自動(dòng)結(jié)合時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)形成沉降性能較好的藻菌顆粒污泥。細(xì)菌有助于保護(hù)藻細(xì)胞免受浮游動(dòng)物等捕食者的侵害，而藻細(xì)胞的裂解會(huì)為細(xì)菌生長(zhǎng)提供更多的營(yíng)養(yǎng)，有助于加速造粒過程。由于懸浮態(tài)藻菌顆粒體積較小且密度接近于水，易隨出水流出，造成藻細(xì)胞的流失，影響系統(tǒng)的處理效果。未處理的藻細(xì)胞直接排放會(huì)影響當(dāng)?shù)厮�體水質(zhì)，甚至造成二次污染，可選用過濾法或增添膜組件進(jìn)行處理，但這會(huì)增加運(yùn)行成本；此外，在藻菌顆粒污泥系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，藻類易附著在反應(yīng)器上生長(zhǎng)，造成光遮擋，使藻類競(jìng)爭(zhēng)力下降，數(shù)量減少。而微藻EPS的主要成分為PS，當(dāng)微藻數(shù)量減少時(shí)系統(tǒng)內(nèi)PS相對(duì)含量會(huì)減少，PN相對(duì)含量則會(huì)增加。并且，系統(tǒng)內(nèi)對(duì)藻類生長(zhǎng)有益的細(xì)菌種類有限，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)非目標(biāo)菌種數(shù)增加，當(dāng)有害細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌時(shí)就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)主要功能菌群缺失，造成顆粒污泥的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這些都是藻菌顆粒污泥系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行亟待解決的問題。

固定化藻菌共生系統(tǒng)是在懸浮態(tài)藻菌共生系統(tǒng)的基礎(chǔ)上投加載體，使藻類和細(xì)菌固定在載體表面，提高單位面積的生物量，減少系統(tǒng)中懸浮態(tài)藻的數(shù)量。它能有效解決藻細(xì)胞易流失的問題，有利于微藻的收集，還能有效延緩藻類的分解、衰老和死亡。然而，直接投加載體時(shí)藻類的附著率較低，為了提高藻類的附著率需要對(duì)載體進(jìn)行改性，如將發(fā)光材料涂在載體表面，使藻類向載體方向生長(zhǎng)，以利于藻類的附著，還能在黑暗環(huán)境中補(bǔ)充光照，從而提高污染物的去除率。但是，現(xiàn)階段固定化技術(shù)并不成熟，改性載體成本較高，并且載體的存在對(duì)藻菌代謝的影響還不明確，可能會(huì)阻礙藻類的光合作用，限制其大規(guī)模使用。

藻菌生物膜系統(tǒng)是將惰性載體引入污水處理體系，利用藻菌定向吸附特性，在載體表面自動(dòng)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的藻菌生物膜，最終達(dá)到凈化污水的目的。藻菌生物膜可以緩解藻類隨出水大量流失的問題，而且不需要復(fù)雜的固定化技術(shù)，成本較低。生物膜的正常老化脫落會(huì)促進(jìn)新的生物膜形成，提高污水處理效率。但是生物膜的非自然脫落（如水體剪切力變大導(dǎo)致的脫落等），會(huì)使出水水質(zhì)變差。因此，當(dāng)生物膜進(jìn)入老化期時(shí)需要進(jìn)行反沖洗，以增強(qiáng)生物膜的穩(wěn)定性。

2、藻菌共生系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 藻菌共生系統(tǒng)對(duì)污染物的去除

2.1.1 對(duì)氮、磷的去除

藻菌顆粒污泥具有較好的脫氮除磷能力，其去除方法主要包括微生物的同化作用、藻類的吸收和外界環(huán)境變化引起的去除3種。在藻菌共生系統(tǒng)中，微生物同化是藻菌顆粒污泥脫氮除磷的主要途徑。藻類光合作用產(chǎn)生O2，好氧細(xì)菌利用O2分解有機(jī)物產(chǎn)生CO2，并將含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化成NH4+-N，將含磷有機(jī)物轉(zhuǎn)化成PO43--P，藻類利用好氧細(xì)菌產(chǎn)物進(jìn)行光合作用。外界環(huán)境變化去除氮、磷主要通過藻菌系統(tǒng)引起pH變化達(dá)到，由于藻類、細(xì)菌的代謝CO2被利用，系統(tǒng)內(nèi)pH會(huì)升高至9左右，此時(shí)PO43--P開始沉淀。

藻菌共生系統(tǒng)對(duì)污水中氮、磷的去除效果見表1。

通過對(duì)比不同運(yùn)行方式，發(fā)現(xiàn)曝氣對(duì)藻菌共生系統(tǒng)脫氮除磷的影響較大，尤其是磷的去除效果變化顯著，添加曝氣過程的反應(yīng)器對(duì)磷的去除率可達(dá)80%以上。但是藻菌共生系統(tǒng)受環(huán)境因素影響較大，對(duì)污染物的去除效果不穩(wěn)定，需要合理設(shè)計(jì)。例如，模擬輻流式二沉池設(shè)計(jì)藻菌共生生物膜反應(yīng)器，在進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大時(shí)仍能保持穩(wěn)定的脫氮除磷效果，出水TN、NH4+-N、PO43--P和COD均能達(dá)到國(guó)標(biāo)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，有望應(yīng)用到污水處理廠中。

藻菌共生系統(tǒng)可應(yīng)用于沼液和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的處理，研究發(fā)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)可有效減少沼液中的碳、氮、磷等污染物，提高凈化效率，并且藻菌共同培養(yǎng)比單獨(dú)培養(yǎng)對(duì)COD和總磷的去除效果更好。此外，藻菌共生系統(tǒng)處理高濃度的沼液造價(jià)較低。

藻類系統(tǒng)去除污染物所需的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，藻菌生物膜系統(tǒng)在24h水力停留時(shí)間內(nèi)對(duì)人工養(yǎng)殖廢水中NH4+-N的去除率為69%。而藻菌顆粒污泥工藝在水力停留時(shí)間8h內(nèi)，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中PO43--P和COD的平均去除率分別為84.2%和64.8%，對(duì)NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除率分別為84.9%、70.8%和50.0%，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了污染物的去除效率。

2.1.2 對(duì)重金屬的去除

當(dāng)前，去除重金屬離子的方法主要包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、電解法和吸附法。由于重金屬離子對(duì)微生物具有持續(xù)的毒害作用，因此生物法在重金屬去除方面應(yīng)用較少。藻菌共生系統(tǒng)為了抵御重金屬離子的毒害作用，會(huì)產(chǎn)生一種特有的“解毒”方式，為生物法去除重金屬離子的應(yīng)用提供了新的研究方向。

藻菌共生系統(tǒng)可通過吸附和富集作用去除水體中的重金屬（見表2）。吸附作用是細(xì)菌和藻類分泌的EPS將重金屬離子吸附在表面，并與氮、氧等離子形成絡(luò)合物，最終將重金屬離子去除。富集作用是指重金屬離子進(jìn)入藻細(xì)胞中與細(xì)胞器結(jié)合，使金屬離子富集到藻類體內(nèi)。重金屬對(duì)藻菌共生系統(tǒng)也具有持續(xù)的毒害作用，但重金屬進(jìn)入藻細(xì)胞后會(huì)使藻細(xì)胞產(chǎn)生相應(yīng)的抵御措施，如藻類自身會(huì)產(chǎn)生重金屬配體（如草酸鹽、磷酸衍生物等），將重金屬轉(zhuǎn)變成結(jié)合蛋白并存儲(chǔ)在液泡中，以降低細(xì)胞內(nèi)重金屬的濃度，減少毒害作用。重金屬還會(huì)刺激藻菌共生系統(tǒng)中EPS的分泌，保持系統(tǒng)中的生物活性，緩沖重金屬帶來的影響。此外，由于藻類吸收水中的CO2并釋放O2，使水環(huán)境中的pH升高，而重金屬離子在堿性水體中易形成沉淀，從而以沉淀的形式被去除。與好氧顆粒污泥相比，藻菌顆粒污泥對(duì)重金屬的吸附效果更好。但是，高濃度的重金屬會(huì)抑制酶的活性，從而抑制EPS的生成和微生物的生長(zhǎng)，還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧物種而損傷細(xì)胞膜，進(jìn)而造成EPS破裂并釋放胞內(nèi)成分。以Cd為例，低濃度（0.1、1mg/gVSS）時(shí)會(huì)與溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）結(jié)合形成保護(hù)屏障，促進(jìn)SMP與松散結(jié)合EPS（looselyboundEPS，LB-EPS）的分泌，對(duì)緊密結(jié)合EPS（tightlyboundEPS，TB-EPS）無明顯影響；但高濃度（10mg/gVSS）時(shí)會(huì)導(dǎo)致SMP、LB-EPS、TBEPS含量出現(xiàn)不同程度的下降。因此，高濃度的重金屬會(huì)抑制細(xì)胞代謝，進(jìn)而影響菌群活性。

值得注意的是，不同藻類對(duì)重金屬的耐受值不同。例如，當(dāng)Cr6+>12mg/L時(shí)，黑藻細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制；當(dāng)Cr6+達(dá)到10mg/L時(shí)，螺旋藻細(xì)胞就會(huì)死亡。因此，利用藻菌共生系統(tǒng)去除重金屬時(shí)，需根據(jù)重金屬濃度選擇合適的藻類進(jìn)行處理。

2.1.3 對(duì)難降解有機(jī)物的去除

降解有機(jī)物成分復(fù)雜、去除難度大，主要包括有機(jī)染料、抗生素等，常用的污水生物處理方法很難去除難降解有機(jī)物。藻菌共生系統(tǒng)由于藻類的加入，可通過靜電力、分子力將難降解有機(jī)物吸附、沉積在藻類表面，然后在酶促反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化和生物積累。并且藻類會(huì)先對(duì)難降解有機(jī)物進(jìn)行初級(jí)降解，隨后被細(xì)菌繼續(xù)利用；此外，還可以利用藻內(nèi)含有的錳過氧化物酶、木質(zhì)素過氧化物酶等，直接降解有機(jī)染料。

抗生素對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響與其濃度有關(guān)，在低濃度條件下，抗生素調(diào)節(jié)及誘導(dǎo)基因的表達(dá)可激活蛋白酶，促進(jìn)藻類的生長(zhǎng)；而在高濃度條件下，抗生素作為毒物會(huì)抑制微藻的生長(zhǎng)。例如，慶大霉素濃度為50~100mg/L時(shí)，對(duì)鞭金藻細(xì)胞的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，當(dāng)慶大霉素濃度為1000mg/L時(shí)，對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用。研究表明，藻類對(duì)抗生素的耐受濃度遠(yuǎn)高于細(xì)菌，并且微藻群是細(xì)菌的次生棲息地，可在一定程度上保護(hù)細(xì)菌免受抗生素的影響。藻菌之間的共生關(guān)系還可以增強(qiáng)細(xì)菌的活性，提高系統(tǒng)對(duì)抗生素的耐受能力。目前，隨著科技的進(jìn)步，許多難降解的新污染物出現(xiàn)在污水中。鑒于藻菌共生系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)物的去除機(jī)制，其在去除新污染物方面也具有較大潛力。

2.2 藻菌共生系統(tǒng)與多種反應(yīng)器的聯(lián)合

2.2.1 藻菌生物燃料電池

生物燃料電池產(chǎn)生的是可再生清潔能源。藻類是制作生物燃料電池具有發(fā)展前景的原材料之一，預(yù)先馴化的微生物可用于藻菌生物燃料電池。藻類衍生的生物燃料電池只需要陽光、CO2和水，就可以產(chǎn)生多種可再生能源產(chǎn)品。藻類在陰極室光照條件下進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O2，與H+結(jié)合生成水。細(xì)菌在陽極室遮光狀態(tài)下氧化底物產(chǎn)生CO2和H+，并通過陽離子交換膜到達(dá)陰極室。藻菌生物燃料電池的功率輸出與外部電路中的電阻和離子交換膜的滲透性有關(guān)。藻菌生物燃料電池作為預(yù)處理工藝，可為污水的凈化提供能量，并將陽極室產(chǎn)生的CO2引入陰極室，降低碳排放量。目前，藻菌生物燃料電池已被證明可以同時(shí)凈化污水和發(fā)電，最高產(chǎn)能可達(dá)到（0.157±0.001）kJ/d，但是藻菌生物燃料電池在大規(guī)模商業(yè)化方面還是存在很多問題，如藻菌生物燃料電池受季節(jié)變化影響、電池穩(wěn)定性易受藻類生長(zhǎng)周期影響等。

2.2.2 藻菌生物轉(zhuǎn)盤

藻菌生物轉(zhuǎn)盤可視為一種光生物反應(yīng)器，需要提供適宜的光環(huán)境，利用生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)為藻菌共生系統(tǒng)提供O2和動(dòng)力來源。該工藝無需曝氣裝置和混合裝置，選用高脂藻作為藻種，既可以達(dá)到凈化污水的效果，又可以通過回收高脂藻中的油脂達(dá)到資源回收的目的。然而，由于藻類的加入，需要選擇透光性好的材料，減少光能損失，在一定程度上增加了材料成本。并且出水中懸浮的藻細(xì)胞很難在二沉池中去除，需選用過濾法或增添膜組件進(jìn)行處理，增加運(yùn)行成本。

2.2.3 藻菌膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（MBR）是膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合的污水處理工藝，以膜組件代替二沉池，保持系統(tǒng)內(nèi)高濃度的活性污泥，提高處理效率。將藻菌共生系統(tǒng)與MBR工藝耦合，一方面由于MBR工藝的加入，解決了藻菌共生系統(tǒng)出水?dāng)y帶懸浮態(tài)藻細(xì)胞的問題，減少了藻細(xì)胞流失，還可回收藻類生物能源；另一方面，由于藻菌共生系統(tǒng)的加入，可進(jìn)一步提高MBR工藝對(duì)氮、磷的去除率，減少曝氣能耗。與傳統(tǒng)MBR相比，適當(dāng)?shù)脑孱惐壤龑⑻岣?/span>MBR的性能，接種比（藻類/活性污泥）為1∶1的MBR系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率為97.7%，而不添加藻類的MBR系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率為90.8%。然而，運(yùn)行過程中，由于大顆粒物質(zhì)的吸附使膜孔徑變小甚至堵塞而產(chǎn)生膜污染，影響膜的分離特性，需要對(duì)膜組件定期清洗，限制了MBR工藝的大規(guī)模應(yīng)用。一般認(rèn)為藻細(xì)胞會(huì)加速膜污染，但研究發(fā)現(xiàn)，投加適當(dāng)比例的藻細(xì)胞不但會(huì)提高污水處理效率還會(huì)緩解膜污染程度。膜污染可能是絲狀菌過度生長(zhǎng)所致，絲狀菌會(huì)阻止絮狀物顆粒的團(tuán)聚，導(dǎo)致絮狀物尺寸增加使微生物絮體形狀和結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則，傾向于沉積在膜表面。藻細(xì)胞投加比例的不同會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)溶解氧的變化，較高的溶解氧會(huì)抑制絲狀菌的過度生長(zhǎng)，從而起到緩解膜污染的效果。

3、結(jié)語

藻菌共生系統(tǒng)在去除污染物的前提下，可實(shí)現(xiàn)約77%的溫室氣體減排，已逐漸發(fā)展成結(jié)合生物學(xué)、環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約的綜合技術(shù)。然而，藻菌共生系統(tǒng)依然存在一些問題需要解決：①部分藻菌共生系統(tǒng)出水會(huì)攜帶一定量脫落的藻類，對(duì)出水水質(zhì)造成影響；②系統(tǒng)中會(huì)滋生一些有害細(xì)菌，破壞藻細(xì)胞的細(xì)胞壁，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞的死亡，影響系統(tǒng)穩(wěn)定；③藻菌共生系統(tǒng)在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用時(shí)，受光照、溫度等環(huán)境因素的影響，如何在多變的自然條件下實(shí)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是亟需解決的問題。

針對(duì)出水?dāng)y帶藻細(xì)胞的問題，通過與膜工藝結(jié)合，對(duì)出水進(jìn)行處理，收集流失的藻細(xì)胞，保持生物質(zhì)濃度；針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)有害細(xì)菌的滋生，在培養(yǎng)初期對(duì)加入細(xì)菌進(jìn)行篩選，投加有益菌，避免有害菌的過度繁殖；要實(shí)現(xiàn)藻菌共生系統(tǒng)在多變環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，一方面需通過多次試驗(yàn)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性來抵抗環(huán)境因素的不利影響，另一方面應(yīng)盡量避免環(huán)境的突然改變，影響系統(tǒng)處理效果。

目前，關(guān)于藻菌共生系統(tǒng)的影響因素及處理效果等研究較多，而藻-菌間的作用機(jī)理、維持藻菌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定和藻菌共生系統(tǒng)如何快速啟動(dòng)還需進(jìn)一步研究。藻-菌在環(huán)境影響下具有多變的作用關(guān)系，導(dǎo)致藻-菌間廣泛存在多種信息交流機(jī)制，并在藻菌各種生理特性中發(fā)揮重要作用。因此，在未來的研究中，有必要分析多種信號(hào)間的響應(yīng)機(jī)制，探究不同信號(hào)機(jī)制間是否具有協(xié)同或抑制機(jī)制，有望進(jìn)一步深化藻菌共生系統(tǒng)的形成機(jī)理。此外，還需明確外源添加信號(hào)分子的調(diào)控策略對(duì)藻菌及有害微生物的影響，能否通過信號(hào)傳遞確保優(yōu)勢(shì)藻與優(yōu)勢(shì)菌的地位，優(yōu)化藻菌共生系統(tǒng)，提高污水處理效率。藻類是一種具有高回收價(jià)值的生物質(zhì)資源，在去除污染物的同時(shí)進(jìn)行生物質(zhì)資源回收的研究，有望實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用價(jià)值的雙達(dá)標(biāo)。在疫情影響下，污水中個(gè)人醫(yī)藥護(hù)理品等新型難降解有機(jī)物濃度增加，藻菌共生系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)物的高耐受度，也為此類廢水的去除提供了新的方向。（來源：湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州市自來水有限公司，區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）