1 引言(Introduction)

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人類醫(yī)用抗生素及個(gè)人醫(yī)療衛(wèi)生用品的濫用，富含氮磷、重金屬及抗生素的污水不斷產(chǎn)生，最終排入污水處理廠.富含這幾類污染物的污水利用傳統(tǒng)的生物處理工藝較難處理.有研究報(bào)道微藻在利用空氣中CO2進(jìn)行光合作用時(shí)，能夠同時(shí)去除N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、BOD、重金屬、病原體等污染物，微藻技術(shù)已經(jīng)成為有毒污染物處理的關(guān)鍵技術(shù)之一.污水中存在大量的微生物群落，它們能夠與微藻相互作用，促進(jìn)污水的生物處理.利用菌藻共生系統(tǒng)中藻類的光合作用和微生物的代謝及呼吸作用能協(xié)同降解污水中的有機(jī)物，并能實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷及抗生素、重金屬的去除.20世紀(jì)50年代末，Oswald等報(bào)道了氧化塘中藻菌共生和藻類光合放氧等現(xiàn)象，提出了利用高效藻類塘處理污水的新工藝，隨后許多學(xué)者對(duì)菌藻共生系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究利用菌藻共生系統(tǒng)處理銅、鈣污水，去除效率分別達(dá)到80%、100%采用菌藻共生系統(tǒng)處理磺胺甲惡唑、三氯生污水，處理效率分別達(dá)到32%、74%采用菌藻共生系統(tǒng)處理處理高氨氮濃度的養(yǎng)豬污水，N、P的去除效率分別達(dá)到82.7%、58.0%.在利用藻類處理污水的技術(shù)中，菌藻共生系統(tǒng)具有較強(qiáng)的凈化優(yōu)勢(shì)，但菌藻之間的關(guān)系較為復(fù)雜，研究菌藻共生系統(tǒng)的構(gòu)建及其在污水中的應(yīng)用較有意義.因此，本文主要綜述了菌藻之間的相互作用關(guān)系及污水處理中微藻的選擇，著重介紹了菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理以及在污水中的應(yīng)用.

　　2 菌藻之間的相互作用關(guān)系(Interactions between bacteria and algae)

　　微藻與細(xì)菌之間的相互作用較為復(fù)雜，作用形式多種多樣.既包括相互利用代謝產(chǎn)物的互利共生關(guān)系，也包括對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng)和抑制關(guān)系，菌藻之間的相互作用關(guān)系如圖 1所示.

　　圖 1 菌藻之間作用關(guān)系示意圖

　　2.1 互利共生關(guān)系

　　通常細(xì)菌和微藻的互利共生關(guān)系是建立在兩者在代謝功能上的互補(bǔ)基礎(chǔ)上，主要表現(xiàn)為對(duì)氧氣和代謝產(chǎn)物的釋放和吸收利用上.微藻通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，作為好氧細(xì)菌呼吸降解污染物的電子受體去除污染物，同時(shí)細(xì)菌呼吸產(chǎn)生的二氧化碳也能供微藻進(jìn)行光合作用.在物質(zhì)代謝方面，在富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，微藻通過(guò)光合作用吸收利用氮磷等元素合成自身物質(zhì)，同時(shí)向環(huán)境中釋放有機(jī)物，微藻細(xì)胞分解也是溶解性有機(jī)碳的重要來(lái)源而細(xì)菌能夠利用氧氣分解微藻產(chǎn)生的分泌物及死亡的藻細(xì)胞，產(chǎn)生的分解產(chǎn)物反過(guò)來(lái)被微藻吸收利用.細(xì)菌和微藻在增殖過(guò)程中，會(huì)向環(huán)境中分泌一些酶物質(zhì)，如脂肪酶、磷酸酶、硫酸醋酶、葡萄糖昔酶、乳糖昔酶等，這些酶能夠?qū)⒋蠓肿游镔|(zhì)如多糖、蛋白質(zhì)水解成小分子物質(zhì)，從而被細(xì)菌和微藻吸收利用.研究表明與微藻的純培養(yǎng)相比，菌藻系統(tǒng)能夠提高微藻的產(chǎn)量.在自然環(huán)境中，微藻能夠與微生物相互作用，為細(xì)菌提供棲息地避免不良環(huán)境的影響，同時(shí), 細(xì)菌能產(chǎn)生生長(zhǎng)因子促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，使菌藻系統(tǒng)能夠回收部分能源,并且菌、藻產(chǎn)生代謝產(chǎn)物也能被微生物和微藻相互利用，從而減少額外投加能源物質(zhì)的費(fèi)用.在研究藻類微環(huán)境時(shí)，沒(méi)有投加任何補(bǔ)充物，發(fā)現(xiàn)微藻環(huán)境中有大量溶解性有機(jī)碳，可促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng).

　　2.2 相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

　　細(xì)菌和微藻在增殖過(guò)程中都會(huì)吸收利用環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷等，如果環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能夠滿足細(xì)菌和微藻共同生長(zhǎng)需要時(shí)，細(xì)菌和微藻就會(huì)產(chǎn)生對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng).同時(shí)，在黑暗環(huán)境中微藻的呼吸作用也會(huì)吸收環(huán)境中的氧氣，從而與細(xì)菌產(chǎn)生對(duì)氧氣的競(jìng)爭(zhēng).有研究表明菌藻系統(tǒng)中，當(dāng)環(huán)境中磷酸鹽含量較低時(shí)，細(xì)菌對(duì)磷酸鹽的利用效率比微藻對(duì)磷酸鹽的利用效率更高.此外，微藻能夠產(chǎn)生抑制細(xì)菌生長(zhǎng)或毒害細(xì)菌的廣譜或特殊抗生物活性物質(zhì)——藻毒素，1944年首次從小球藻(Chlorella sp.)中分離到有抑菌活性的小球藻素.微藻產(chǎn)生的一些胞外分泌物，如溶解態(tài)的氨基酸、抗生素類物質(zhì)可能對(duì)細(xì)菌和病原菌也可產(chǎn)生抑制或毒害作用.某些細(xì)菌可釋放細(xì)菌毒素抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，甚至裂解藻細(xì)胞，表現(xiàn)出殺藻效應(yīng).細(xì)菌與藻細(xì)胞直接接觸，釋放可溶解纖維素酶溶解藻細(xì)胞的細(xì)胞壁，然后溶解整個(gè)藻細(xì)胞，粘細(xì)菌是最早被報(bào)道和報(bào)道較多的溶藻細(xì)菌.細(xì)菌在生長(zhǎng)過(guò)程中可能釋放特異性或非特異性化感物質(zhì)，這些化感物質(zhì)可通過(guò)阻斷呼吸鏈、抑制細(xì)胞壁合成等抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，甚至溶解藻細(xì)胞.這些化感物質(zhì)包括多肽類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、生物堿、抗生素、色素等.菌藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)改變生物群落組成.同時(shí)，由于光合作用引起pH上升對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生危害.3 污水處理中微藻種類的選擇(Selection of microalgae for wastewater treatment)

　　污水中存在大量的細(xì)菌群落，菌藻之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，因此如何利用菌藻之間的互利共生關(guān)系較好的構(gòu)建菌藻系統(tǒng)是將其系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理的前提之一.目前，微藻在污水處理中的應(yīng)用主要有兩個(gè)目的：其一是利用微藻來(lái)凈化污水，去除污染物，節(jié)約能源，此時(shí)，選擇微藻應(yīng)綜合考慮微藻對(duì)污水中可能存在的污染物(如高氨氮、重金屬離子、毒性化合物等)的耐受能力，從高氧氣產(chǎn)生速率，高二氧化碳捕獲能力，強(qiáng)勁的生長(zhǎng)特性方面選擇微藻來(lái)提高其對(duì)環(huán)境變化的耐受力;此外，可用污水來(lái)培養(yǎng)微藻，收獲的微藻作為生物質(zhì)能源解決能源危機(jī)，減少微藻培養(yǎng)過(guò)程中的物質(zhì)(N、P和水等)消耗，考慮選擇的微藻應(yīng)有較高的生長(zhǎng)速率，高的油脂含量和產(chǎn)率，以便后續(xù)收獲微藻作為生物質(zhì)能源.針對(duì)不同的生活污水和工業(yè)廢水，表 1列舉了污水處理中常用的微藻種類.

　　表 1 污水處理中常用的微藻種類 　　

　　在眾多的微藻中，常用于污水處理的微藻種類大部分屬于光合自養(yǎng)型單細(xì)胞綠藻，它們對(duì)許多污水都具有耐受性并且有較高的油脂或淀粉生產(chǎn)和積累潛力(Wu et al., 2014).目前，常用來(lái)凈化污水或污水培養(yǎng)作為生物質(zhì)能源的微藻有小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus).其適應(yīng)能力強(qiáng)，易于培養(yǎng)，對(duì)富含氮磷的污水具有明顯的凈化效果，同時(shí)有較快的生長(zhǎng)速率、較高的環(huán)境耐受能力、較高的油脂或淀粉生產(chǎn)和積累潛力.雖然，微藻油脂和淀粉的積累通常是在營(yíng)養(yǎng)損耗下增強(qiáng)的，在用于凈化高氮磷廢水時(shí)，微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂積累量較低，但微藻生物量增長(zhǎng)較快，總的油脂和淀粉積累量較高，可作為生物質(zhì)能源利用.從表 1可以看出，構(gòu)建菌藻系統(tǒng)用于處理污水時(shí)，對(duì)于重金屬?gòu)U水，小球藻具有一定的優(yōu)勢(shì);而對(duì)于藥物廢水，柵藻應(yīng)用較廣.然而，微藻對(duì)有毒污染物較敏感，可用作毒性測(cè)試或者生態(tài)系統(tǒng)改變時(shí)的指示生物.研究表明，重金屬對(duì)微生物光合作用有較強(qiáng)的抑制作用，能導(dǎo)致柵藻(Scenedesmus incrassatulus)細(xì)胞形態(tài)和大小的變化.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅離子濃度為2 mg·L-1時(shí)，小球藻(Chlorella sorokiniana)光合作用產(chǎn)氧去除水楊酸完全被抑制.發(fā)現(xiàn)在密閉的光生物反應(yīng)器中，微藻對(duì)有機(jī)污染物的耐受力較為敏感，此外，在高氨氮和高pH聯(lián)合作用下，微藻耐受力也較為敏感.因此，應(yīng)根據(jù)污水中污染物的類型及其濃度合理選擇菌藻共生系統(tǒng)中微藻的種類.

　　4 菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理(Mechanisms of pollutants removal through bacterial-algal symbiotic system) 4.1 去除N、P營(yíng)養(yǎng)元素

　　菌藻共生系統(tǒng)去除N、P營(yíng)養(yǎng)元素主要有3方面的作用：細(xì)菌的氧化降解、藻類的同化吸收和共生環(huán)境中pH的變化引起的去除.好氧菌利用微藻產(chǎn)生的O2降解含碳有機(jī)物產(chǎn)生CO2，氨化含氮有機(jī)物，繼而進(jìn)行硝化，生成氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，同時(shí)能將含磷有機(jī)物降解為正磷酸鹽，供藻類利用.藻類利用細(xì)菌產(chǎn)生的CO2進(jìn)行光合作用，同化吸收N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).微藻光合作用利用的氮源可以是有機(jī)氮也可以是無(wú)機(jī)氮.有研究表明，微藻對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收利用過(guò)程分為3步：①微藻在特定酶的協(xié)助下將硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮吸收到細(xì)胞中;②在相關(guān)酶催化作用下，利用ATP將硝酸鹽、亞硝酸鹽還原成銨;③將還原生成的銨并到碳骨架中.因此相比于硝酸鹽和亞硝酸鹽，微藻在吸收利用氮源過(guò)程中優(yōu)先利用氨氮，當(dāng)氨氮消耗完后再消耗其他形態(tài)的氮.磷作為核酸、細(xì)胞膜及能量?jī)?chǔ)存物的必需元素，也是微藻生長(zhǎng)過(guò)程中所必需的常量元素.微藻在吸收磷的過(guò)程中，常常優(yōu)先吸收無(wú)機(jī)離子HPO42-和H2PO4-，吸收的磷合成核酸或能量傳遞物質(zhì)等.Stumm提出藻類分子式近似為C106H263O110N16P，微藻在生長(zhǎng)過(guò)程中主要以CO2為碳源，通過(guò)細(xì)胞中葉綠素的光合作用把污水中的NH4+、NO3-、NO2-、H2PO4-等無(wú)機(jī)離子和尿素等有機(jī)物質(zhì)所含有的N、P等元素締合到碳骨架上，形成藻細(xì)胞完成細(xì)胞增殖并向水體中釋放O2，增加了水體中的溶解氧(DO)含量，有利于其他生物的生長(zhǎng).微藻同化NH4+的反應(yīng)如式(1)所示：

　　由于微藻以CO2為碳源進(jìn)行光合作用，因此污水中的CO2含量減少，pH值升高，導(dǎo)致氨氮揮發(fā)增加，磷酸鹽與水中的鈣離子在高pH條件下形成磷酸鈣沉淀，從而實(shí)現(xiàn)氮磷的有效去除.

　　4.2 去除難降解有機(jī)物

　　難降解有機(jī)物毒性大、成份復(fù)雜，此類污染物包括有機(jī)氰化物、有機(jī)農(nóng)藥、有機(jī)染料、抗生素類藥物廢水等.一般的生物處理方法很難將其降解，同時(shí)此類污染物的存在能對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用或者抑制微生物生長(zhǎng)，影響污水處理過(guò)程.共代謝技術(shù)是基于非專一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生和作用生物處理難降解有機(jī)物的有效技術(shù)之一，但受誘導(dǎo)基質(zhì)濃度的影響，且難降解有機(jī)物濃度高時(shí)，也會(huì)影響微生物活性.藻類可以有效地富集和降解多種難降解有機(jī)化合物如抗生素、有機(jī)氯、農(nóng)藥、偶氮染料等，研究表明，柵藻能通過(guò)生物降解有效降解卡馬西平，且當(dāng)卡馬西平濃度達(dá)100 mg·L-1時(shí)，僅有30%的藻類生長(zhǎng)受到抑制，微藻對(duì)高濃度難降解有機(jī)物有較好地耐受能力.構(gòu)建結(jié)合細(xì)菌和微藻降解難降解有機(jī)物特點(diǎn)的菌藻共生系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)此類污染物的有效去除.

　　菌藻系統(tǒng)處理抗生素類難降解有機(jī)物時(shí)，主要是通過(guò)細(xì)菌和藻類兩方面的作用.細(xì)菌能通過(guò)生物降解、吸附、揮發(fā)、水解和礦化等去除抗生素，但通過(guò)吸附、揮發(fā)、水解和礦化的量相對(duì)較小，主要是通過(guò)生物共代謝去除抗生素.有研究發(fā)現(xiàn)硝化污泥和Nitrosomonas Europaea可以通過(guò)共代謝降解作用來(lái)有效降解抗生素這類污染物，根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究情況可見(jiàn)有些抗生素只能通過(guò)與氨氧化細(xì)菌的共代謝作用才能被有效降解(劉婳, 2012).Yin等(2014)實(shí)驗(yàn)證明市政污泥系統(tǒng)中濃度為500 μg·L-1的磺胺類抗生素磺胺甲嘧啶經(jīng)過(guò)120 h后可通過(guò)生物降解作用完全去除.抗生素對(duì)藻類本身有直接的作用，既可能作為毒物抑制藻類的生長(zhǎng)，又可能在特定濃度時(shí)發(fā)生毒物刺激效應(yīng)，進(jìn)一步激活蛋白酶，調(diào)節(jié)合成及誘導(dǎo)基因表達(dá)等，從而促進(jìn)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)，呈現(xiàn)“低促高抑”作用.在低濃度下，抗生素能被藻體吸收富集和生物降解而被去除,研究表明，微球藻能有效去除32%的磺胺甲惡唑.在高濃度下，抗生素可能對(duì)微藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，機(jī)制可能包括以下幾個(gè)方面：①改變細(xì)胞成分，主要表現(xiàn)為影響葉綠素中不同組分的含量、可溶性蛋白質(zhì)的含量等.②影響基因表達(dá).通過(guò)影響某些編碼藻類光合作用、氮磷吸收和運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)蛋白質(zhì)和酶基因的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄來(lái)影響藻的生長(zhǎng)情況.③影響光合作用.主要表現(xiàn)在影響藻細(xì)胞對(duì)氧的吸收量、葉綠素含量變化、抑制光合作用中電子的傳遞等.④誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基，引發(fā)氧化脅迫，破壞抗氧化酶系統(tǒng).⑤影響細(xì)胞膜.細(xì)胞膜的通透性降低.但藻類對(duì)抗生素的耐受濃度遠(yuǎn)高于細(xì)菌類微生物，利用菌藻系統(tǒng)處理抗生素類難降解有機(jī)物時(shí)，菌藻之間的共生關(guān)系能增強(qiáng)細(xì)菌的活性，提高系統(tǒng)對(duì)抗生素的耐受能力.

　　4.3 菌藻系統(tǒng)去除重金屬

　　菌藻共生系統(tǒng)去除重金屬污染物主要是通過(guò)生物吸附和生物富集過(guò)程完成.在低濃度下，微生物對(duì)水體中重金屬的作用可分為兩個(gè)階段：①生物吸附：金屬離子通過(guò)絡(luò)合、配位、離子交換等作用附著在微生物細(xì)胞表面，該過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間較短、與代謝無(wú)關(guān)，且無(wú)需提供能量;②生物富集：微生物表面的金屬離子在細(xì)胞的代謝作用下與質(zhì)膜上某些酶類結(jié)合，轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，該過(guò)程反應(yīng)緩慢并且不可逆、與代謝活動(dòng)有關(guān).

　　菌藻共生系統(tǒng)能有效去除重金屬，主要是因?yàn)橄啾燃?xì)菌類微生物，微藻對(duì)重金屬有較高的耐受力，從而能提高該系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除效果.關(guān)于重金屬對(duì)微藻生長(zhǎng)繁殖的影響，國(guó)內(nèi)外都有進(jìn)行大量的研究工作，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Ni等金屬在濃度較低時(shí)能促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，較高濃度時(shí)對(duì)微藻生長(zhǎng)有抑制作用，這種較低濃度促進(jìn)、較高濃度抑制的現(xiàn)象被認(rèn)為是自我平衡效應(yīng).

　　微藻吸附重金屬常見(jiàn)的機(jī)理主要是離子交換機(jī)理和絡(luò)合機(jī)理.陽(yáng)離子可與分子或帶有自由電子對(duì)的陰離子(堿基對(duì))起絡(luò)合或螯合反應(yīng).絡(luò)合物則是經(jīng)過(guò)污水中的金屬陽(yáng)離子與細(xì)胞里的蛋白質(zhì)、脂類及多糖中帶負(fù)電荷的官能團(tuán)絡(luò)合而形成的，如—CONH2、R—SH、—NH2、—COOH、咪唑、硫醚、硫酸鹽和磷酸鹽等.離子交換作用主要是污水中所含有的金屬陽(yáng)離子將藻類細(xì)胞壁上的質(zhì)子置換出，而其他金屬離子則通過(guò)離子間的靜電引力作用或通過(guò)配位鍵吸附在細(xì)胞壁表面上研究表明離子交換機(jī)理是最能反映藻類細(xì)胞生物吸附重金屬離子的實(shí)際過(guò)程，多糖中的藻酸鹽與硫酸鹽也被發(fā)現(xiàn)具有較為顯著的離子交換能力.在高濃度下，重金屬對(duì)微藻的毒性效應(yīng)主要表現(xiàn)為：影響藻類的生長(zhǎng)代謝、抑制光合作用、減少細(xì)胞色素、導(dǎo)致細(xì)胞畸變、改變自然環(huán)境中的藻種組成等.通常情況下，重金屬對(duì)微藻的毒性大概是(從強(qiáng)到弱)：Hg > Cd ≈ Cu > Zn > Pb > Co > Cr.但并不是所有的微藻都會(huì)符合這樣的規(guī)律，不同的微藻對(duì)同種重金屬的耐受性可能會(huì)存在差異.

　　5 菌藻共生系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用(Application of bacterial-algal symbiotic system in wastewater treatment)

　　自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模培養(yǎng)應(yīng)用菌藻系統(tǒng)的技術(shù)也得到進(jìn)一步的完善，菌藻在污水凈化方面應(yīng)用的研究取得了較大進(jìn)展，先后有學(xué)者研究使用菌藻系統(tǒng)處理污水的工藝.菌藻系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理主要有3種形式：懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)、菌藻生物膜系統(tǒng).

　　5.1 懸浮菌藻系統(tǒng)

　　在懸浮生長(zhǎng)過(guò)程中，細(xì)菌附著在藻細(xì)胞表面有利于絮凝，提高沉降性能.典型的懸浮菌藻系統(tǒng)有高效藻類塘和活性藻處理系統(tǒng).高效藻類塘是在傳統(tǒng)生物穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上添加細(xì)菌、微藻等微生物形成的菌藻共生的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng).有研究采用小球藻、光合細(xì)菌、乳酸菌、產(chǎn)朊假絲酵母和紅酵母菌構(gòu)成的復(fù)雜高效菌藻體系，處理豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水，試驗(yàn)結(jié)果表明，48 h內(nèi)氨氮、BOD5去除率分別達(dá)到98.7%和96.8%.活性藻處理系統(tǒng)是利用藻類和活性污泥的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)協(xié)同處理污水，采用人工強(qiáng)化培養(yǎng)高濃度的藻類，將其與活性污泥混合培養(yǎng)，使藻類與活性污泥一樣，具有良好的絮凝沉淀特性.陳志華利用活性污泥-螺旋藻體系處理生活污水在6 d運(yùn)行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)TP、TN、COD出水處理效率分別達(dá)到77.11%、87.82%、76.9%.有研究表明用活性藻系統(tǒng)處理污水，BOD、COD、TN、TP的去除率分別能達(dá)到97%、87%、92%、74%.懸浮菌藻系統(tǒng)處理污水能達(dá)到較好的效果，然而聚集的微生物可能由于沉積物屬性如剪壓力、附著細(xì)菌的數(shù)量和水流速而重新懸浮，導(dǎo)致出水水質(zhì)受到影響，其對(duì)污染物的去除仍然是依靠藻類自然生長(zhǎng)和半人工控制手段，仍有許多因素限制藻類生長(zhǎng)，如光照、生物量、水力停留時(shí)間等.雖沉降效果好，但需定期排泥，處理效果不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制.

　　5.2 固定化菌藻系統(tǒng)

　　針對(duì)懸浮菌藻系統(tǒng)出水水質(zhì)易受懸浮菌藻的影響，且分離收獲困難，產(chǎn)泥量大等特點(diǎn)，菌藻固定化技術(shù)隨之發(fā)展起來(lái).菌藻固定化技術(shù)是在細(xì)胞固定化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用菌藻之間的協(xié)同作用，將細(xì)菌和微藻按照一定的比例固定在特定的載體上的技術(shù)，其主要目的是提高單位面積的生物量，同時(shí)利于微藻的收集，常見(jiàn)的載體材料有海藻酸鈣、卡拉膠、瓊脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等(嚴(yán)清等, 2012).李永華(2010)對(duì)比分析了固定化的菌藻體系對(duì)污水的處理效果明顯好于游離態(tài)的菌藻系統(tǒng).潘輝等(2006)以聚乙烯醇作為包埋劑，將活性污泥與小球藻制成包埋球狀顆粒，用于高有機(jī)物、低氮磷濃度的市政污水的處理，實(shí)現(xiàn)了氨氮高達(dá)100%的去除和磷的93.6%的去除效果.牛曼等(2010)設(shè)計(jì)了一套固定化菌藻小球的流化床光生物反應(yīng)器和好氧池組成的“菌藻-菌”系統(tǒng)，以避免活性污泥的遮光作用，同時(shí)不破壞藻菌之間的共生關(guān)系，利用該系統(tǒng)處理碳酸飲料污水，COD、NH4+ -N和PO43-去除率分別達(dá)90. 5%、82. 6%和75.8%.雖然固定化技術(shù)提高了菌藻系統(tǒng)對(duì)污水的處理效果和藻類的生物量，但其在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些缺陷，如包埋基質(zhì)可能會(huì)阻礙菌藻代謝產(chǎn)物、氧氣和二氧化碳的傳遞.此外，基質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)生降解，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，從而影響菌藻的正常代謝等(王秀和張小平，2009).固定化的成本較高，很難找到無(wú)毒、透明、多孔、穩(wěn)定而不溶解于處理介質(zhì)或不易被生物分解的載體，限制了其在污水處理中的應(yīng)用.

　　5.3 菌藻生物膜系統(tǒng)

　　菌藻生物膜技術(shù)是在固定化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它與固定化技術(shù)不同之處在于它利用微藻本身易于附著的特性，附著在載體表面，在一定條件下培養(yǎng)馴化形成菌藻生物膜中微藻的密度大大提高，并且脫氮除磷效果穩(wěn)定，且處理效果優(yōu)于普通懸浮藻系統(tǒng)(邢麗貞等, 2004).相互附著的菌藻群落在固體載體生長(zhǎng)形成光合生物膜.光合生物膜的組成和結(jié)構(gòu)根據(jù)環(huán)境中的非生物和生物因素會(huì)有所不同.在生物膜的形成和增長(zhǎng)階段，微藻通過(guò)增加或減少特定的啟動(dòng)子的表達(dá)影響胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生速率，進(jìn)而對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng).Shen(2015)等研究表明增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，尤其是氮濃度，能增加硅藻和綠藻EPS的產(chǎn)量.此外，溫度變化和礦物質(zhì)(Ca2+)積累也能影響藻類的EPS的產(chǎn)生.菌藻生物膜中包括不同的藻類(綠藻、硅藻、絲狀藻等)、細(xì)菌(異氧細(xì)菌、自養(yǎng)細(xì)菌)、藍(lán)細(xì)菌、原生動(dòng)物和多細(xì)胞微生物等.它們?cè)谏�物膜�?nèi)彼此之間形成共生關(guān)系.菌藻生物膜的成熟度會(huì)影響所存在物種的演替，例如影響藻類、細(xì)菌、EPS的豐度和比例.菌藻生物膜的形成與生長(zhǎng)主要有4個(gè)階段,，其示意圖見(jiàn)圖 2.在菌藻生物膜中形成的初始階段，也稱為固體載體表面調(diào)節(jié)階段(Ⅰ)，由細(xì)胞分泌的胞外聚合物附著在固體載體上，細(xì)菌開(kāi)始生長(zhǎng)，在此階段生物膜中含有較高的EPS和細(xì)菌比例，藍(lán)細(xì)菌和藻類相對(duì)較少.隨后，進(jìn)入光合生物膜的早期生長(zhǎng)階段(Ⅱ)，各類微藻開(kāi)始附著在固體載體表面的EPS基質(zhì)中生長(zhǎng).在光合生物膜的發(fā)展階段(Ⅲ)，藻類細(xì)胞快速生長(zhǎng)，與EPS基質(zhì)中的細(xì)菌形成了共生微環(huán)境.如果培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，光合生物膜將進(jìn)入成熟階段(Ⅳ)，在EPS基質(zhì)中有較為豐富的藻類細(xì)胞、細(xì)菌和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://szhmdq.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 2 菌藻生物膜形成發(fā)展階段示意圖

　　菌藻生物膜系統(tǒng)典型的有水力藻類床.水力藻類床系統(tǒng)主要由附著在傾斜水渠中的絲狀藻、懸浮的微藻和細(xì)菌組成，可以認(rèn)為是強(qiáng)化藻類作用的高效藻類塘.美國(guó)帕特森市利用水力藻類塘系統(tǒng)對(duì)城市部分處理水進(jìn)行深度處理，平均磷去除量達(dá)到(0.73±0.289) g·m-3·d-1(邢麗貞等, 2004).隨著菌藻系統(tǒng)理論的發(fā)展，有益于菌藻共生微環(huán)境的菌藻生物膜反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生.Chavan和Mukherji(2008)在生物轉(zhuǎn)盤(pán)上接種了細(xì)菌和微藻，利用形成的菌藻生物膜處理柴油廢水.De Godos等(2009)依據(jù)菌藻共生原理，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出了一種由Chlorella sorokiniana和活性污泥構(gòu)成的管狀菌藻生物膜光反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)光合作用的O2和CO2、高濃度的氨氮從膜的兩邊各自擴(kuò)散，同時(shí)高效實(shí)現(xiàn)硝化細(xì)菌的硝化作用和微藻的光合作用，利用該反應(yīng)器中處理豬場(chǎng)污水，總碳(TOC)、NH4+-N和PO43-去除量分別達(dá)到(80±5)、(89±5)、(13±3) g·m-3·d-1.菌藻生物膜系統(tǒng)處理污水存在一定的優(yōu)勢(shì)，能克服懸浮菌藻系統(tǒng)出水含有大量藻類和細(xì)菌，影響出水質(zhì)量的缺點(diǎn)，同時(shí)生物膜易于形成，優(yōu)勢(shì)菌種和藻類不易流失，菌藻生物膜形成過(guò)程中菌藻分泌的EPS能夠?yàn)榫�藻共生體提供一個(gè)緩沖的微環(huán)境，使菌藻生物膜能在不利的環(huán)境中保持較高的活性，并持續(xù)去除污水中的污染物(張道勇等, 2004)，成本較低，但存在生物膜脫落問(wèn)題，設(shè)計(jì)及運(yùn)行反應(yīng)器時(shí)應(yīng)綜合考慮光照、水力流速等因素，控制生物膜的增殖衰減與平衡.

　　菌藻共生系統(tǒng)處理污水的幾種類型及其應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)如表 2所示.

　　表 2 菌藻共生系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用及其特點(diǎn)

   　6 結(jié)論(Conclusions)

　　菌藻系統(tǒng)中菌藻之間的關(guān)系相對(duì)較為復(fù)雜，菌藻系統(tǒng)相對(duì)于單獨(dú)細(xì)菌系統(tǒng)和單獨(dú)藻類系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的污染物耐受能力.因此，利用菌藻共生關(guān)系處理污水，如含高N、P污水、重金屬污水、抗生素污水等時(shí)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需依據(jù)廢水特征合理地選擇菌藻種類.用于污水處理的菌藻共生系統(tǒng)主要包括如下類型：懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)和菌藻生物膜系統(tǒng).目前菌藻生物膜系統(tǒng)相比懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，具有處理效率高、優(yōu)勢(shì)菌藻不易流失、處理成本較低等特點(diǎn).

　　7 展望(Prospects)

　　菌藻共生系統(tǒng)在污水處理與資源化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.但總體來(lái)說(shuō)，在菌藻系統(tǒng)去除污染物的代謝機(jī)理、傳質(zhì)過(guò)程、工藝動(dòng)力學(xué)模擬、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等諸多方面仍需加強(qiáng).

　　1) 菌藻共生系統(tǒng)對(duì)污染物去除有一定優(yōu)勢(shì)，但菌藻微環(huán)境中菌藻結(jié)合的界面作用力以及結(jié)合條件仍不清楚，細(xì)菌和微藻具體對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)率尚未探究清楚，因此可通過(guò)微觀機(jī)理研究與污染物去除特性相聯(lián)系，進(jìn)一步研究菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理.

　　2) 菌藻生物膜系統(tǒng)也存在生物膜脫落等問(wèn)題，生物膜中微環(huán)境的形成與維持、共生傳質(zhì)、菌藻增殖衰減平衡及代謝機(jī)理等方面都有待深入的研究.

　　3) 菌藻共生系統(tǒng)不僅能去除水中污染物，同時(shí)也能固定氣體中的CO2，如何合理的設(shè)計(jì)菌藻生物膜光生物反應(yīng)器同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水和廢氣同步處理，仍有較大的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝優(yōu)化的空間.