在當(dāng)前碳中和背景下，以能源消耗和污染物轉(zhuǎn)移為代價(jià)的傳統(tǒng)污水處理工藝不能滿足“減污降碳”戰(zhàn)略要求。目前國內(nèi)污水處理廠每年用電量占全國總量0.3%，釋放約1.14億噸二氧化碳當(dāng)量(CO2e)。微藻作為水體中常見單細(xì)胞生物，因其快速同化污水中氮磷污染物、高效固碳、低能耗和資源化利用優(yōu)勢(shì)（如微藻肥料、飼料添加劑和生物能源等）而得到廣泛研究。污水微藻處理技術(shù)有效推動(dòng)污水處理從“高碳排放處理工藝”轉(zhuǎn)型為“低碳綠色生產(chǎn)工藝”。
然而，微藻處理過程中仍面臨處理效率低，生物量積累慢，并且適配光生物反應(yīng)器缺乏等問題，導(dǎo)致目前相關(guān)研究多局限在實(shí)驗(yàn)室水平，缺乏實(shí)際應(yīng)用研究。為此，中國科學(xué)院成都生物研究所譚周亮研究員課題組利用國家大科學(xué)裝置-蘭州重離子研究裝置（HIRFL），選育優(yōu)良突變?cè)逯?em>Chlorella sp.（HM-3#），并與海天水務(wù)集團(tuán)股份公司合作，在西南某市政污水處理廠分別建立微藻處理小試和中試開展研究，并取得如下進(jìn)展。
1.生活污水藻菌處理過程中MGPM研究
圍繞實(shí)際污水處理過程中單一微藻體系不穩(wěn)定難題，研究發(fā)現(xiàn)添加活性污泥(Activated sludge,AS)可明顯提高微藻促生菌(Microalgal growth-promoting microorganisms,MGPM)比例，并通過共演化過程形成穩(wěn)定藻菌體系(Microalgae consortium,MC)，進(jìn)而提升藻體生物量。R2實(shí)驗(yàn)組(AS 20%)藻菌生物量和總光合色素分別比單藻組（R1）高出57.41%和22.90%，R3實(shí)驗(yàn)組(AS 50%)則分別高出68.59%和28.17%。當(dāng)HRT為24 h時(shí)，R2和R3實(shí)驗(yàn)組出水水質(zhì)均達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002) I級(jí)A類。進(jìn)一步探索啟動(dòng)階段MC共生模式、菌群動(dòng)態(tài)、潛在MGPM和微生物代謝功能。由于HM-3#快速同化污染物并積累藻體，MC中微生物豐富度和多樣性顯著降低，并且微生物種群生態(tài)位的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)中其他微生物重新暴露，競(jìng)爭(zhēng)并取代原有代謝功能；同時(shí)細(xì)菌和真菌之間相互作用分別呈現(xiàn)出抑制-重建和重建-抑制的相反趨勢(shì)，且細(xì)菌相互作用的減弱也對(duì)應(yīng)出水水質(zhì)的失穩(wěn)階段。此外，通過LEfSe分析和線性判別分析(LDA)表征潛在MGPM，對(duì)比11個(gè)細(xì)菌和6個(gè)真菌生物標(biāo)志物基礎(chǔ)上，細(xì)菌Ahniella、FukuN57和Fimbriimonadaceae更適合作為MGPM在生活污水處理中促進(jìn)微藻生長。同時(shí)微生物代謝功能預(yù)測(cè)結(jié)果表明，細(xì)菌通過互補(bǔ)代謝過程與藻體形成密切的互利共生關(guān)系。雖然真菌代謝水平低于細(xì)菌，其通過分泌細(xì)胞外酶分解有機(jī)物，可有效利用微藻碳源補(bǔ)充碳源消耗。
圖1 生活污水藻菌處理小試研究與藻菌體系微生物種群共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析
2.管道式光生物反應(yīng)器（TPBR）低溫啟動(dòng)研究
在相同污水處理廠構(gòu)建TPBR藻菌處理體系，進(jìn)行低溫MC啟動(dòng)研究。面向?qū)嶋H動(dòng)態(tài)水質(zhì)，在環(huán)境溫度5.7℃~13.1 ℃條件下，TPBR中藻菌啟動(dòng)階段為4~8 d，突變?cè)逯闔M-3#在其中可有效同化污染物積累生物量，光合色素最大值可以達(dá)到22.85 mg·L-1。在低溫環(huán)境下，HRT為24 h時(shí)TPBR單藻啟動(dòng)處理出水也可達(dá)標(biāo)排放(GB 18918-2002 I級(jí)A類)，且MC對(duì)氨氮和TN去除率分別達(dá)到86.84%和79.95%，TP和COD去除率分別達(dá)到79.95%和69.78%，延長HRT可明顯提高處理系統(tǒng)穩(wěn)定性。微生物群落分析表明，雖然低溫下接種AS仍能促進(jìn)細(xì)菌種間相互作用，但受TPBR均相循環(huán)抑制微生物多樣性影響，除固氮作用(K02588)、亞硝化作用(K10944、K10945和K10946)、同化性硝酸鹽還原作用(K00366)和氨化作用(K01915和K05601)以外，低溫下MC中微生物氮循環(huán)功能均低于曝氣反應(yīng)器體系。此外，還發(fā)現(xiàn)處理過程中耐低溫MGPM主要為Delftia、Romboutsia、Rhizobiales和Bacillus等，而冷脅迫相關(guān)基因則主要有防御信號(hào)分子(K03671和K00384)、冷休克蛋白基因(K03704)和細(xì)胞保護(hù)基因(K01784)等。
圖2 管道式光生物反應(yīng)器運(yùn)行及藻體積累與環(huán)境因子相關(guān)性分析
3.連續(xù)流藻菌膜光生物反應(yīng)器（MPBR）處理技術(shù)
針對(duì)農(nóng)村生活污水水量水質(zhì)不穩(wěn)定，低C/N水質(zhì)小微處理站點(diǎn)電耗藥耗高、操作難、資源化利用低等問題，集成污泥強(qiáng)化處理和膜反應(yīng)器處理優(yōu)勢(shì)，研制新型連續(xù)流藻菌MPBR處理技術(shù)，并探索低功耗運(yùn)行模式（靜置模式和內(nèi)循環(huán)模式）處理效果。與序批式處理模式不同，低C/N生活污水連續(xù)流入MPBR，靜置處理模式在低流速(375 mL/h)下能有效去除污染物，而內(nèi)循環(huán)模式在750 mL/h流速下去污效果則優(yōu)于靜置模式。結(jié)果表明，藻菌相主要發(fā)揮氮磷去除功能，出水中COD和氨氮在低流速下可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002) I級(jí)A類要求，TP濃度甚至達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002) III類標(biāo)準(zhǔn)。低DO污泥相可富集異養(yǎng)細(xì)菌(如Bacteroidetes vadinHA17,Spirochaeta and Ahniella)和氮循環(huán)微生物(如Mycobacterium,Bacillus和Ellin6067)，并有效提升連續(xù)出水中COD和NO3--N去除效果。同時(shí)分析藻菌相和污泥相共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)HM-3#與異養(yǎng)菌協(xié)同去除有機(jī)物。此外，功能基因預(yù)測(cè)結(jié)果說明內(nèi)循環(huán)模式明顯增強(qiáng)MPBR中微生物氮代謝功能，在處理過程中藻菌相的硝化作用和反硝化作用相關(guān)基因豐度較高，而污泥相的硝化、異化硝酸鹽還原和反硝化作用基因豐度較高。
圖3 連續(xù)流處理過程中MPBR體系中微生物種群組成
上述研究成果分別發(fā)表于期刊Bioresource Technology (原文鏈接),Chemosphere (原文鏈接)和Journal of Environmental Chemical Engineering (原文鏈接)。李欣副研究員、碩士研究生田健松和李盼，以及李俊杰博士分別為第一作者，譚周亮研究員和陳楊武博士分別為通訊作者。該研究得到四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFS0452）、四川省“天府峨眉計(jì)劃”青年人才項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略生物資源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃生物資源衍生庫（KFJ-BRP-009-004）、中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2021XBZG-XBQNXZ-A-004）和中國博士后科學(xué)基金（2022M710143）的聯(lián)合資助。