河北工业大学任芝军、孙丽团队与交通运输部天科院魏燕杰BT综述：藻类-细菌共生系统新兴生物技术的发展与挑战

图片摘要

成果简介

近日，河北工业大学能源与环境工程学院任芝军研究员、孙丽副教授团队和交通运输部天津水运工程科学研究院魏燕杰研究员在环境领域著名学术期刊 Bioresource Technology 上发表了题为“ Development and challenges of emerging biological technologies for algal-bacterial symbiosis systems: A review ”的论文 。文中全面概述了 ABSS 在去除常见污染物、重金属和新兴污染物方面的机制。在宏观层面，综述详细介绍了 ABSS 反应器的构型、运行模式等最新进展，并创新性地提出了将 ABSS 与其他工艺相结合的新思路，以期提高生物难降解污染物的去除效率。在微观层面，本文深入探讨了藻类与细菌之间的相互作用，包括营养物质的交换、信号传递和基因转移，以及上述相互作用在营养物质去除和生物量生产中的共生关系。综上所述，本文全面探讨了 ABSS 的原理、发展历程、藻类与细菌的相互作用，以及其在废水处理中的应用，旨在探索 ABSS 技术的理论与实践之间的联系，以推动该技术的发展 。

图 1 ： 图文摘要

随着城市的发展及工业化进程的不断加快，水环境污染日益严重。据相关报道，全球每年约 1732 亿立方米污水未经有效治理而直接排放至受纳水体。污水中含有不同浓度的氮、磷、重金属和新兴污染物（如抗生素），若未经有效治理而直接排放，将导致严重的水体富营养化，从而破坏生态系统。特别是新兴污染物对自然广谱生物具有毒性，传统方法难以有效去除。然而，这也为从废水中提取、回收和再利用这些新兴污染物提供了宝贵机会。生物污水处理技术因环境友好性及低成本而被广泛关注，但其面临污染物去除效率低、机械曝气能耗高以及对新出现污染物去除易产生耐药性等问题。菌藻共生技术（ ABSS ）因其高效的同步脱氮除磷能力、低能耗需求以及资源回收潜力，被认为是最具前景的生物技术之一。本文综述了 ABSS 去除传统污染物及新兴污染物机制、菌藻工艺发展，重点关注其与化学工艺耦合的新型污水处理模式；解析了菌藻相互作用机制，提出了未来研究方向建议。旨在探索 ABSS 技术的理论与实践之间的联系，促进其发展及实际应用。（对主要内容进行概述） 。

图文导读

菌藻共生系统废水处理的新兴工艺

图 2 ：菌藻共生技术废水处理悬浮生长反应器。 (a) HRAPs ； (b) 管式 PBR ；

(c) 柱式 PBR ； (d) 平板式 PBR ； (e) 厌氧氨氧化与 ABSS 耦合的机理。

将高级氧化技术（ AOPs ）与菌藻工艺相结合以去除持久性污染物是一种新兴的污水处理方法。在该耦合技术中，难降解污染物首先通过高级氧化作用被转化为可生物降解的物质，随后被菌藻进一步降解，充分发挥两者的优势，耦合系统有效降低单一 AOPs 产生的不完全氧化产物的毒性，同时提高了污染物的去除效率。厌氧氨氧化（ ANAMMOX ）与菌藻工艺相结合来处理垃圾渗滤液和猪场废水也是一种新兴的废水处理工艺。单一 ANAMMOX 工艺处理后的污水仍然含有有机化合物和磷，可能对环境造成潜在危害。在该耦合技术中， ANAMMOX 未去除的有机物和磷可由菌藻进一步降解。藻类通过光合作用产生的氧气被好氧菌利用，从而矿化有机污染物并氧化 NH4+-N ，而异养菌的新陈代谢产生的二氧化碳则被藻类吸收。藻类利用氮合成蛋白质，并将磷转化为核酸和磷脂，从而通过微生物同化作用去除铵和磷。这一耦合工艺有效解决了 ANAMMOX 工艺的不完全性以及藻类对高浓度铵的耐受性不足的问题。此外，当前的研究还重点集中在人工湿地（ CWs ）与菌藻工艺的耦合，以处理高浓度抗生素废水。 CWs-ABSS 耦合系统能够有效克服 CWs 在抗生素废水处理方面的局限性，同时， CWs 中丰富的微生物可以为 ABSS 的生长提供支持，从而显著提高废水处理的整体效率。综上所述，将化学处理方法与菌藻共生工艺相结合，能够有效去除高氨氮及抗生素等难以降解的污染物，从而提高废水处理效率并降低处理成本。然而，目前关于菌藻共生与其他工艺相结合的研究相对匮乏，因此，需要进一步的研究以深入探讨这些耦合废水处理工艺的运行机制及其优化潜力 。

藻类和细菌之间的相互作用

图 3 ：废水处理中藻类与细菌之间的相互作用。

藻类和细菌之间通过营养交换、信号传递和基因转移等多种机制发生特异性地相互作用，形成共生或竞争关系。通常，藻类与细菌的共生关系对其生理和代谢产生积极影响，从而改变生态功能和微生物群落的多样性。因此，深入研究藻类与细菌之间的相互作用具有重要意义。营养交换是藻类与细菌之间的主要相互作用机制。在富营养条件下，这些微生物通过氧气、二氧化碳、可溶性代谢物及微量营养素的相互交换来维持共生关系。然而，在营养物质匮乏的情况下，藻类和细菌之间的竞争行为会显著增强。信号传递是藻类与细菌相互作用的另一重要方式，涉及的化学物质通过激活或抑制相关基因的表达来影响生物活性，促进菌藻系统的生长与适应性。基因转移是获得新功能和增强环境适应性的关键机制。目前关于 ABSS 中基因转移的研究仍处于初步阶段，潜在的转移途径尚未得到充分探索。未来的研究可以利用转录组学分析，量化基因表达并阐明潜在的生物合成途径，以进一步揭示细菌和藻类之间的基因转移 。