菌藻共生技术在畜禽养殖沼液资源化治理中的应用

众所周知，我国养殖业正朝着集约化、规模化方向发展，畜禽粪污产量随之增加，2015年规模化畜禽粪污产生量达到3.834*10⁹t。畜禽粪污的处理产生体量庞大的沼液，若沼液未经处理直接排放则会污染水体、诱发富营养化，并造成资源浪费。因此，沼液的资源化利用已经成为实现养殖业快速发展、解决农业面源污染的关键因素。

一、菌藻共生技术的兴起

上世纪80年代，研究者在用微藻处理养殖废水时发现了多种功能型微藻能够实现氮、磷的去除或资源化利用。畜禽粪污发酵过程中产生的沼气含有杂质CO₂，进而使CH₄含量降低，导致沼气品质下降，同时产生需要处理的沼液。向发酵过程中引入微藻能够消耗CO₂，这不仅有助于减少沼液资源化过程中的碳排放，而且有利于提高沼气中CH₄的含量，实现沼气品位的提升。不仅如此，微藻富含脂质、蛋白质、维生素、不饱和脂肪酸等物质，在实现废水氮、磷净化、油脂积累和高价值副产品产出等方面显示出巨大潜力。尽管微藻技术有望实现沼液中污染物的处理与资源化，然而单一微藻技术在沼液资源化中仍面临许多问题。例如，沼液中污染物成分复杂，且随季节变化较大，单一的微藻系统运行不稳定；再者，微藻会向沼液中不断释放可溶性微藻产物，抑制微藻生长。为了解决单一微藻系统在沼液资源化治理中的不足，细菌-微藻耦合技术在养殖沼液的处理中开始崭露头角。

二、菌藻共生技术的优势

相比之下，菌藻共生系统具有低成本、高效率、环境友好等优点。具体而言，微藻能够利用1/4-1/3细菌产生的CO₂，同时为好氧细菌提供O₂。共生系统甚至可以在零曝气条件下去除84.9%的NH₄⁺-N和84.2%的P，能够节省60%-70%的曝气能耗，而且藻类优异的除磷性能也减少了传统化学除磷过程中的药剂费用。传统的微藻收获过程是能源密集型的，费用占总成本的30%。在菌藻共生系统中，细菌排泄的胞外聚合物与微藻细胞表面产生的静电相互作用，可以促进微藻生物絮凝，能够便捷地从培养装置底部收获微藻聚集体，该过程更加高效且具备成本效益。这些生物质可以用于菌肥、藻肥等生物肥料的生产。此外，微藻脂质也是生物柴油生产的主要原料，利用微藻制造生物乙醇、氢，借助光合藻类微生物燃料电池发电也都有很好的应用前景。

三、菌藻共生技术的原理

细菌和微藻的协同关系在自然界中广泛存在，例如细菌、真菌和微藻通过相互协同形成地衣。菌藻联盟在沼液中同样存在，他们通过互相利用代谢产物来增强对沼液中污染物的去除与富集。菌藻协同净化沼液的相关机理如图2所示。在这种共生系统中，细菌利用微藻释放的氧气分解有机物产生无机碳，并将氮、磷转化成易于微藻利用的形式。经细菌转化后的氮、磷在光照条件下与CO2共同通过光合作用被微藻利用。同时，细菌能够产生促进微藻生长的多种信号分子，如吲哚乙酸和酰基高丝氨酸内酯等。相应的，微藻通过代谢为细菌提供溶解性有机物，便于细菌利用。此外，细菌的存在增强了微藻对污染物的利用率和去除效率，特别是将对微藻有生长有抑制作用的NH₄⁺-N转化成NO₃^--N和NO₂^--N，使得微藻可以更好的适应这些高浓度的沼液，提高其耐受性，在菌藻共生系统中，水中的无机碳去除率大大提高。

四、菌藻共生技术关键点研究现状

菌藻共生技术作为一种耦合工艺，其处理效能受多种因素影响，如光照条件、曝气率、pH、温度、反应器构型、菌藻的选择和接种比等。具体而言，光照作为菌藻共生系统中微藻能量来源的重要方式，充足的光照条件能够提升微藻活性，然而，光照过量时则会破坏硝化细菌线粒体的能量获得途径，研究发现光暗交替的培养方式能够缓解过量光照对硝化菌的抑制。适当的曝气可以调节系统中CO2和O2的浓度并维持稳定的pH，避免对微藻生长产生抑制；过度的曝气则会导致剪切力过大，影响菌藻团聚，且造成溶解氧过高，限制微藻的光合作用。pH同样是影响菌藻共生系统的重要因素之一，一般认为小球藻属等大多数微藻可以在pH处于4-10范围内正常生长，除上述因素外，反应器的开发及应用，功能菌种与藻种的开发，菌藻接种比的影响和菌藻颗粒污泥的开发等是目前菌藻共生技术的关键点。

1.反应器的开发及应用

在菌藻共生系统的构建中，要兼顾细菌和藻类对生长环境的需求，选择合适的装置对其进行培养，在目前的研究和应用中，菌藻共生反应装置主要分为开放式和封闭式两种。开放式反应器构造相对简单且操作运行简便，但系统更易受环境和气候因素影响，无法严格控制微藻的生长，而封闭式反应装置如管式、板式及发酵罐式反应器，在结构上与传统微生物反应器相似，更利于控制反应条件。封闭式装置可以使悬浮态的菌藻共生体以固定化以及生物膜的形式存在，这不仅克服了大多数开放系统中藻类和细菌易悬浮并随水流出，影响出水质量的缺点，同时优势菌种和藻类不易流失提高处理效率，已成为今后的发展方向。

2.功能菌种与藻种的开发

不同功能菌和优势微藻的选择对沼液处理和资源化表现出明显差异。可用于菌藻联合培养的功能菌种类很多，然而针对不同性质的沼液需要选用特定的功能菌来达到好的处理效果。对于沼液废水，其本地藻中的蓝藻、微囊藻、螺旋藻、衣藻和绿藻都对沼液有很好的处理效果。但效果最为理想且研究最多的是小球藻，因为它不仅适应性强、生长速度快而且光合效率高。除此之外，小球藻本身的蛋白质含量很高，可达细胞干重50%以上，而且生长过程中会分泌大量油脂，有很高的资源利用价值。

3.菌藻接种比的影响

微藻与细菌的接种比直接影响菌藻共生系统对污染物的处理效果。菌藻接种比同样影响沼液废水的处理，例如，小球藻属和活性污泥的接种比显著影响共培养物对沼液养分去除和生物量生产，将小球藻和希纳菌接种比设置为50:1，20:1，10:1，5:1和2:1，并与单培养小球藻对比，发现接种比为20:1时的沼液资源化处理效果最好，微藻细胞活性比其单培养时提高了45.5%，生物量生产力达到80 mg/（L·d），NH₄⁺-N、TP、总有机碳和无机碳去除效率分别提高至72.2%、48.3%、65%和 63.4%。由于细菌与微藻之间的相互作用是复杂的，既有协同作用也可能表现出抑制作用，而系统中菌藻的初始接种比可以很大程度上影响并调节这种关系，改变共生环境，进而使系统表现出不同的营养物质去除效率。

（四）菌藻颗粒污泥的开发

早在20世纪50年代，菌藻共生系统已经被用于废水治理，但这些研究都集中在微藻和活性污泥联盟上，2016年微藻—细菌颗粒污泥技术已经被报道，该技术是基于好氧颗粒污泥技术的改进。相比于微藻活性污泥联盟，细菌颗粒污泥具有更致密的结构、更高的生物量产量、更好的沉降能力，生物量的提高不仅使其对沼液中营养物质有更加优异的去除效果，同时也更大程度上解决了藻类生物沉降能力差、固液分离困难的问题，增加了其资源化回收潜力，新型细菌颗粒污泥工艺有望成为下一代沼液资源化处理的新技术，该工艺能够生产出更多的黏性胞外聚合物，提高下游资源化的潜力。