微藻团在污水处理中的应用研究进展外文翻译资料

 2022-08-13 16:10:29

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微藻团在污水处理中的应用研究进展

摘要：人类活动的发展导致过量污染物排入水体中，进而导致水质恶化，破坏了水生生态系统。为了避免废物排入水道所带来的负面影响，需要采取有效的补救措施来降低排放污水中氮和磷的浓度。目前用于去除营养物质的方法往往比较复杂、昂贵并且需要消耗能量。因此，培养小藻类成为去除废水中营养物质的一种新方法。这些光合微生物的生长需要大量的氮和磷。然而，由于很难在废水处理过程中对这些微生物进行纯化，一些研究已经实现了利用天然的和人工的微藻联合体，这些联合体只由微藻或微藻和细菌组成。利用这些联合组织来修复废水可能是非常有利的，因为:(1)可以在共培养的微生物之间发生合作的相互作用，从而提高营养物质的全面吸收;(2)这些系统往往更能抵抗环境条件的变化。这项研究对一篇文章做了最新的回顾，这篇文章关于微藻联合体对不同来源废水修复的应用，集中研究了微藻去除营养物质的机理和组成联合体的微生物之间建立的作用及其如何影响营养去除效率。

1引言

在过去的几十年里，大量的废水被产生，主要是由于人为的活动，如农业灌溉、城市化和工业化[1-4]。不经适当处理而持续排放废水可能造成严重的污染问题。与污水不断向水体排放有关的主要问题之一是所谓的富营养化现象，即使水体中的营养物质(主要是氮、磷)得到富集。这种现象导致了藻类的大量繁殖，水生植物的蔓延，氧气的消耗和关键物种的消失，导致淡水生态系统的完全退化[3,5]。除了淡水生态系统的退化外，这些水华的发展还可能对周围居民的公共卫生造成威胁[6]。这清楚地证明了需要有效的处理方法，使得废水在排放到自然体内之前，其中的氮和磷的浓度能够得到降低。

废水中氮、磷的去除主要在三次处理阶段进行(图1)。最常用的方法包括生物过程，如厌氧消化，然后硝化和反硝化[3,7]。然而，需要几个好氧和硝化反硝化循环才能达到欧盟立法所接受的营养水平。此外，这些方法需要几个罐和内部的活性污泥回收，导致整个过程的成本增加，复杂性和能源投入[8-11]。另外，氮和磷的再循环可以通过化学方法来实现，如使用铝盐和铁盐来沉淀。然而，这些方法费用较高，会产生大量的含有化学混合物的污泥[12-14]，需要进一步的处理。

为了克服常用三级处理方法的缺陷，在过去几十年中研究人员广泛研究生物处理中使用微藻（通常指光合作用微生物，如真核微藻和原核蓝藻）。微藻的生长需要大量的氮和磷[3,15]，这意味着这些微生物可以有效地从废水中吸收氮和磷。事实上，已经研究表明，使用微藻可以高效的去除不同来源废水的的氮和磷（去除效率可达(80-100%)[16-20]。此外，利用微藻去除营养物质有几个优点[1-3]:(1)利用微藻吸收的氮和磷可以通过从微藻生物生产肥料来循环利用;（2）所产生的生物量可用于生产生物能源、粮食、动物饲料和药品;（3）含氧废水排放到自然水体中。

最近，几项研究报告了微藻联合体(微藻和微藻-细菌)的潜在应用，包括生物量生产和营养物质的去除[2,15,21-24]。使用多元培养物来去除营养物质是非常有利的，因为将微生物与不同的代谢活动结合起来，并适应不同的环境条件，可以开发一个强大的生物系统，可以在不同的环境条件和营养负荷下运行[25-27]。此外协作的相互作用在有机结合的组织间建立，这可以导致更高的营养摄取率[3]。因此，这份手稿强调了在污水生物修复中使用微藻联合体的优势，提供了一个已成功应用到这个领域的微藻联合体的最新的综述。

2微藻培养

用于废水处理的微藻培养可在悬浮或固定细胞系统中进行[20,28-30]。表1显示了在污水处理中这些系统的主要优缺点。为了有效地进行栽培和修复，必须严格控制某些参数，如光照、温度、pH值、营养物质的供应和混合[31-34]。

表1 悬浮和固定化细胞培养系统在废水处理中的优点和局限性

培养系统

优点

缺点

悬浮细胞培养系统
  • 广泛研究和优化
  • 可以处理大量废水
  • 适用于大规模操作
  • 在处理污水之前需要对微藻收取

固定化细胞培养系统
  • 在处理废水之前收集微藻更简单
  • 一定时间的培养物更能防止光抑制
  • 固定化基质使细胞能更好地抵抗恶劣的环境，如盐度、金属毒性和pH值
  • 与聚合物基质相关的高成本(在细胞诱捕的情况下)
  • 所需表面积大(以微藻黏附和生物膜为例)
  • 可能会出现光限制
  • 只适用于小型和中型规模的操作

2.1悬浮细胞培养系统

悬浮培养是最常用的微藻生长方式[35]。通常用于微藻生长的悬浮系统包括过滤器和开放式生物反应器。使用封闭的光生物反应器（PBRs）于微藻生长更具有优势，因为（1）培养条件和生长参数，如温度、混合、二氧化碳(CO2)和氧气 (O2)的浓度，可以严格控制；（2）很容易避免蒸发和污染；并且(3)可以获得更高的细胞浓度[36-38]。尽管具有这些优势，光生物反应器要具有一些局限性比如过热，难以扩大规模和高建设成本[37]。最常用的光生物反应器包括平板反应堆，泡罩塔反应堆，管式反应器[36,38,39]。在开放系统中进行微藻生产在建设和操作方面成本较低，生产能力更高[37,40,41]。然而，由于混合不充分，在培养条件下振荡和对污染的高度敏感性，生物量生产率和养分去除效率低于封闭PBRs。此外，这些系统更容易导致CO2向大气扩散，水分蒸发和较低细胞光利用率[37,38,41,42]。开放系统可分为两类:天然池塘，其中包括湖泊、泻湖和人工池塘或容器[36,38,42]。最常用的系统包括浅水大池塘、水池、圆形池塘和滚道池塘[38,42,43]。已有文献报道了悬浮培养体系中微藻团的生长情况。在悬浮培养系统中培养由蓝藻念珠藻和杆菌属山羊豆根瘤菌组成的微藻细菌联合体可以维持18个月的稳定，在东方山羊豆种子试验中可以维持其结构与活性[44]。

2.2固化细胞培养系统

尽管悬浮细胞培养系统已在废水处理中得到了有效的应用，但微藻生物量的进一步分离仍是需要的，因为它可能占出水生化需氧量(BOD)的60-90%[45]。为了克服当前应用于微藻分离技术耗时费力的收获方法所带来的问题，基于微藻固定化的栽培系统已经成为悬浮细胞培养系统的一种替代方法[35,45-47]。根据Tampion和Tampion的结论[48]，一个固定化细胞是指通过自然或人工的技术，使得细胞不能脱离于其周围细胞而独立的移动到研究水系统的各个部分。天然或被动固定化是通过微藻细胞附着于特定表面的固有能力来实现的，从而形成生物膜。另一方面，人工或交流固定化技术包括吸附、封闭在液-液乳状液中、半透膜捕获、共价偶联和聚合物内包封另一方面，人工或交流固定化技术包括吸附、封闭在液-液乳状液中、半透膜捕获、共价偶联和聚合物内包封[46,49-51]。微藻固定化最常用的方法包括:将细胞包埋在聚合物基质中，通常是藻酸盐和卡拉吉南，以及在固体表面形成细胞粘附和生物膜[46,50-52]。在细胞诱捕过程中，微藻细胞被限制在聚合基质中，基质和产物通过存在于基质中的微孔向细胞内外扩散。这些体系的使用已经在一定程度上提高了生物量、色素生产力和脂质含量[46,51,52]。然而，当目标是处理大量废水时，与固定矩阵相关的高成本可能是一个限制因素。关于藻类生物膜，我们认为，如果提供足够的表面积，微藻的生长可以比悬浮细胞培养系统更高。这些系统产生的生物量生产力与报道的以降低成本捕获细胞的产量相似。藻类生物膜的形成对水的要求较低，不需要昂贵的固定基质[52]。目前，微藻固定化系统被用于不同的应用，如代谢物的生产，氢和电的生产，毒性测量和修复过程[30]。Paniagua-Michel和Garcia[53]采用固定化法从玻璃棉表面沉积物中提取天然微生物垫，以促进虾养殖废水脱氮。固定化垫由丝状形式的蓝藻细菌（小球藻、螺旋藻sp.、振荡藻(atoria sp.)、裂殖藻sp.、眉藻sp.和席藻sp.），绿藻（小球藻sp.、杜氏藻sp.），硅藻（菱形藻sp.和舟形藻sp.）和硝化菌（亚硝化单胞菌sp.和硝化杆菌sp.）组成，这些微生物可以有效去除硝态氮和氨氮。培养20天后，NO3-N和NH4-N的去除率分别为95%和97%。固定在在陶瓷、卡普纶和羊毛上的由小球藻、绿藻、链球菌和席藻以及由细菌红球菌和荒漠拟孢囊菌组成的微藻细菌联合体可以形成一个稳定的联合体，防止相关微生物被冲刷走[54]。此外，该体系还能有效去除苯酚、重金属(铜、镍、锌、锰、铁)和化学需氧量(COD)。在Chavanh和 Mukherji[55]的研究中，在旋转生物接触器上培养福尔米菌、振荡菌、色球菌和油降解菌、洋葱伯克霍氏菌等菌种，获得了稳定的菌落。实验证明，这个联合体在去除碳氢化合物方面是有效的。

2.3影响微藻生长的因素

部分因素，包括生物性的和非生物性的都会影响微藻的生长。生物因素包括细菌、真菌和病毒等病原体的存在和其他微藻的竞争，而非生物因素包括光(质和量)、温度、pH、盐度、营养物质的定性和定量配置、溶解氧浓度和有毒化合物的存在。此外，微藻生长可能会受到操作条件的影响，如水力停留时间、收集效率、气体输送和混合，因为这些参数控制二氧化碳的获取效率、剪切速率和光照条件。

微藻的光自养生长通常是由光供应驱动的[58]，因为光供应是转化有机碳（通常是二氧化碳变成有机碳）的能量来源。对于低于最大饱和点的光辐射，光合作用活性与最大辐射强度成比例。然而，对于高的光辐照度值，根据所用的微藻种类和其他培养参数，会有不同的影响。培养参数中特别是温度，可能会破坏光合受体系统，从而抑制光合作用，从而影响微藻的生长[41,56,57]。

另一个强烈影响微藻生长的因素是温度。微藻生长的最佳温度是具有物种特异性的[59]：（1）一些通常在极地环境中发现的种类，可以在低于10℃的环境中生长[60,61]；（2）还有一部分可以在较为温和的温度（10-20℃）中生长；（3）其他来自热带环境的种类可以在高于30℃的环境中生长[62]。然而，温度升高通常导致代谢活动增加，而较低的温度会抑制微藻的生长[59,63]。理想情况下，微藻培养物应保持与收集到他们所处的环境温度相当的温度[10,32]。

在pH值的影响方面，大多数微藻生长环境的pH值在7.0到9.0之间[32-34]。然而，一些微藻是嗜碱的，而另一些是嗜酸的。例如，螺旋藻可以在pH值在9.0到10.0之间的环境中生长[64]，而绿球藻则适应pH值在5.0到6.0之间的酸性环境[65,66]。培养基的pH值决定了微藻的生理变化，因此，将微藻培养物保持在最佳范围内，避免极端pH值对培养物造成的损失是至关重要的。此外，培养基的pH值与所供给的CO2浓度有关，这是由于在以下物种之间建立了化学平衡，包括CO2，H2CO3，HCO3-和CO3-[32-34]。气体输入流中CO2浓度的增加会导致了培养基的pH值降低。因此，应该严格控制供给微生物CO2的数量，以免微生物因培养基pH的降低而受到影响。另一方面，在培养期间，由于二氧化碳的吸收，导致pH值通常随时间增加而增加[33,34]。因此，每天监测培养基中的pH值对于评估微藻的生长和确定将培养物维持在最佳pH值范围内的程序非常重要。

在盐度方面，最佳浓度根据微藻种类的不同而不同[32,34]。培养基盐度的改变会对微藻的生长和组成产生不利影响，这是由于（1）渗透压；（2）离子（盐）压力；（3）膜对离子渗透性的改变[67]。蒸发损失和降雨(在开放系统中)是影响培养基盐度变化的主要因素。Tredici和Materassi和Garcia-Gonzalez等[69]已广泛研究这些变化对微藻生长的负面影响。可以通过在培养基中添加淡水或盐来控制盐度水平[70]。

在营养供应方面，自养微藻生长所需要的主要营养物质是无机碳，因为它是光合作用的前体。然而，微藻的生长依赖于其他营养物质，如氮和磷：这些营养物质是合成核酸和蛋白质所必需的。它们在极限浓度下的存在会导致生长速率和生物生产力的降低。氮素供应中最常见的是硝态氮、氨氮和尿

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