菌藻联合修复不同类型污染物及其内在机制

菌藻联合修复不同类型污染物及其内在机制

王涵1,2，王亮红1, 2，赵俊涛1, 2，刘伊琳1, 2

（1: 长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室, 湖北武汉 430100；2: 长江大学资源与环境学院, 湖北武汉 430100）

摘要：菌藻联合修复技术作为一种环境友好型、高效的污染物修复方法，近年来受到了广泛关注。本文综述了菌藻联合修复技术的作用机理，探讨菌藻联合修复系统在去除营养底物，重金属以及抗生素等不同类型污染物的应用情况和效果。最后，总结当前研究中存在的问题和挑战，并展望了菌藻联合修复技术在未来在环境修复领域的发展方向。

关键词：菌藻共生系统；营养底物；重金属；抗生素

Abstract: As an environmentally friendly and efficient remediation method for pollutants, the combined remediation technology of bacteria and algae has received wide attention in recent years. In this paper, we review the mechanism of the combined remediation of bacteria and algae, and discuss the application and effect of the combined remediation system in removing different types of pollutants such as nutrient substrates, heavy metals and antibiotics. Finally, it summarizes the problems and challenges in the current research, and looks forward to the future development of the combined remediation technology in the field of environmental remediation.

Keywords: bacterial-algal symbiotic system; nutrient substrate; heavy metals; antibiotics

引言

地球环境问题的日益严峻使得环境修复技术的发展和应用成为了当今科学研究的重要方向之一。污染物的迅速积累和广泛分布不仅威胁着生物多样性和生态系统的稳定性，也对人类健康构成了严重威胁。菌藻联合修复技术作为一种新型的生物修复手段，因其高效、环保的特点，在各种环境污染物治理中展现出了巨大的潜力。

Oswald等人于1957年首次报道了氧化塘中藻菌共生和藻类光合放氧等现象，并开发出藻类塘高效处理废水的新技术[1]，由此引发了国内外学者对菌-藻共存体系的基础理论与实践应用，更好的引导我国水处理技术创新发展。

本文旨在通过综述已有研究成果，分析菌藻联合修复技术在处理不同类型污染物中的作用机理与优势，并探讨其未来发展方向，以期为环境修复技术的进一步发展提供理论依据和实践指导。

1菌藻共生系统

藻类是水体中主要营养物质吸收者，而微生物则是水体中有机质的主要降解者。细菌-藻类共生体系是一种通过微生物与藻类间的互利共生来实现对污水的有效治理。污水中含有丰富的微生物，可与藻类相结合，通过藻类的光合作用和微生物的代谢及呼吸作用可实现对废水中有机物的去除，达到同步脱氮除磷和去除抗生素和重金属的目的[2]。

2菌藻共生系统去除污染物的作用机理

2.1去除N、P营养元素

菌藻之间在营养物质与能量供给方面能够通过相互利用代谢产物相互促进。其特点是把微生物对废水中污染物的降解能力与藻类对氮、磷及有机物的吸收作用相结合：藻类释放的O2被微生物充分利用，微生物将废水中的含碳有机物通过代谢作用转化为CO2和水，在代谢过程中的无机化合物也会加快藻类的生长，产生的CO2可以作为促进藻类光合作用的碳源，同化吸收N、P营养物质[3]。

菌-藻系统处理废水的营养底物近年来受到了广泛研究，不同的菌藻结合，去除率也有差别。如利用小球藻-变形杆菌处理生活污水，NH4+-N、TP、COD的去除率能达到96.83%、96.69%、92.72%，而小球藻和活性污泥菌结合处理生活污水，TN、TP、NH4+-N、COD的去除率为79.01%、89.28%、92.48%、81.71%[4]。

2.2去除重金属

菌-藻系统去除水体中的重金属机制为细胞表面吸附作用和细胞内生物富集作用。第一阶段金属离子可能通过表面络合、离子交换和氧化还原作用附着在细胞表面。第二阶段生物富集的途径主要包括胞外聚合物、金属结合蛋白与多肽、多磷酸体、液泡区室化作用这四种。在细胞代谢作用下进一步转运至细胞内

[5]。与传统的重金属处理方法相比，菌藻共生系统具有成本低、环境友好、操作简单安全、不产生污泥等优点。菌藻共生系统中菌藻的互利共生关系，有利于菌和藻在重金属含量较高的恶劣环境下生存并保持活性。大多数情况下与单独使用藻类处理重金属废水相比菌藻共生系统对重金属的去除效率有大大提升。

已有研究表明内生菌(Endophytes)与小球藻(Chlorella)相结合的系统处理复合重金属废水时，Cd、Pb、Zn、Cu的去除率分别为75%、78%、88%、61%[6]。而氧化塘菌-藻共生膜系统针对煤矿区污水中Cr的去除结果显示，去除率能超过90%[7]。

2.3去除难降解有机物

菌藻共生系统去除抗生素的途径主要包括生物吸附、生物累积和生物降解，其中生物累积主要发生在微藻系统中。生物降解主要通过两个阶段：首先是经过氧化、还原或水解反应阶段，其次是与大的并且一般是极性的化合物共轭。生物吸附发生在微生物细胞壁或者胞外聚合物（EPS）上，包括脂质过氧化作用，DNA和蛋白质的变性，细胞死亡。生物累积是指抗生素被活性微藻细胞吸收后与细胞内蛋白质或其他化合物相结合的代谢过程[8]。主要有微生物细胞壁和排泄到周围环境中的有机物质这两大途径[9]。

大量的研究显示，细菌-藻类共生体系对抗生素具有明显的去除作用。Xiong等[10]研究利用高效藻塘降解100ug/L的四环素，去除率为93.99%。有研究发现利用小球藻Chlorella vulgaris-活性污泥在处理浓度10-100 mg/L的阿莫西林，去除率甚至能达到99%[11]。藻菌联合可显著增强细菌的活性，提高系统对抗生素的耐受能力，为菌-藻共生体系应用于抗生素废水治理提供了有利条件。

3结论与展望

在菌-藻体系中，菌-藻相互关系比较复杂，其中菌-藻体系具有比单一菌群和单一藻菌群更强的污染物耐受性。在高N、P、重金属和抗生素等污水处理中，采用菌-藻共生体系是一种有效的方法，但需要根据污水特性进行合理筛选。尽管实验室阶段已经展示了菌藻联合修复技术的潜力，但将其从实验室推广到实际应用中仍面临多重挑战。如何在大规模水体中有效应用，如何解决设备运行成本、能耗等问题，都需要进一步研究和技术突破。综上所述，菌藻联合修复技术在解决不同类型污染物问题上展现出巨大的潜力和前景。

参考文献

[1]Oswald W J , Gotaas H B,Golueke C G. Algae inwaste treatment[J]. Sewage and Industrial Wastes , 1957,29(4) :437 -457.

[2]王荣昌,程霞,曾旭. 污水处理中菌藻共生系统去除污染物机理及其应用进展 [J]. 环境科学学报, 2018, 38 (01): 13-22. DOI:10.13671/j.hjkxxb.2017.0421.

[3]巫小丹,阮榕生,王辉.菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景[J].环境工程,2014,32(3)：34-37.

[4]刘一萱. 藻菌共生系统处理城市生活污水的研究[D]. 湖北工业大学, 2018.

[5]支田田,程丽华,徐新华,等. 藻类去除水体中重金属的机理及应用 [J]. 化学进展, 2011, 23 (08): 1782-1794.

[6]王时佩．内生菌⁃小球藻共生系统对重金属废水的修复研究[D]．南昌：南昌航空大学，2020．

[7]梁丽华．藻菌共生生物膜系统修复煤炭矿区污染水体的研究[Ｄ]．西安：西北大学，2012．

[8]XIONG J Q, KURADE M B, JEON B H. Can microalgae remove pharmaceutical contaminants from water?[J]. Trends in Biotechnology, 2018, 36(1): 30-44.

[9]应璐瑶,王荣昌. 菌藻共生系统削减抗生素类污染物的去除途径及胁迫响应 [J]. 化工进展, 2023, 42 (01): 469-479. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0570.

[10]Xiong J Q，Kurade M B，Jeon B H.Biodegradation of levofloxacin by an acclimated freshwater microalga，Chlorella vulgaris[J].Chemical Engineering Journal，2017，313：1251-1257.

[11]Shi X Q，Yeap T S，Huang S J，et al.Pretreatment of saline antibiotic wastewater using marine microalga[J].Bioresource Technology，2018，258：240-246.