在當前碳中和背景下，以能源消耗和污染物轉移為代價的傳統(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量(CO2e)。微藻作為水體中常見單細胞生物，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（如微藻肥料、飼料添加劑和生物能源等）而得到廣泛研究。污水微藻處理技術有效推動污水處理從“高碳排放處理工藝”轉型為“低碳綠色生產工藝”。
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器缺乏等問題，導致目前相關研究多局限在實驗室水平，缺乏實際應用研究。為此，中國科學院成都生物研究所譚周亮研究員課題組利用國家大科學裝置-蘭州重離子研究裝置（HIRFL），選育優(yōu)良突變藻株Chlorella sp.（HM-3#），并與海天水務集團股份公司合作，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，并取得如下進展。
1.生活污水藻菌處理過程中MGPM研究
圍繞實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)，進而提升藻體生物量。R2實驗組(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實驗組(AS 50%)則分別高出68.59%和28.17%。當HRT為24 h時，R2和R3實驗組出水水質均達到《城市污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002) I級A類。進一步探索啟動階段MC共生模式、菌群動態(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，導致系統(tǒng)中其他微生物重新暴露，競爭并取代原有代謝功能；同時細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，且細菌相互作用的減弱也對應出水水質的失穩(wěn)階段。此外，通過LEfSe分析和線性判別分析(LDA)表征潛在MGPM，對比11個細菌和6個真菌生物標志物基礎上，細菌Ahniella、FukuN57和Fimbriimonadaceae更適合作為MGPM在生活污水處理中促進微藻生長。同時微生物代謝功能預測結果表明，細菌通過互補代謝過程與藻體形成密切的互利共生關系。雖然真菌代謝水平低于細菌，其通過分泌細胞外酶分解有機物，可有效利用微藻碳源補充碳源消耗。
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)網絡分析
2.管道式光生物反應器（TPBR）低溫啟動研究
在相同污水處理廠構建TPBR藻菌處理體系，進行低溫MC啟動研究。面向實際動態(tài)水質，在環(huán)境溫度5.7℃~13.1 ℃條件下，TPBR中藻菌啟動階段為4~8 d，突變藻株HM-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到22.85 mg·L-1。在低溫環(huán)境下，HRT為24 h時TPBR單藻啟動處理出水也可達標排放(GB 18918-2002 I級A類)，且MC對氨氮和TN去除率分別達到86.84%和79.95%，TP和COD去除率分別達到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仍能促進細菌種間相互作用，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，而冷脅迫相關基因則主要有防御信號分子(K03671和K00384)、冷休克蛋白基因(K03704)和細胞保護基因(K01784)等。
圖2 管道式光生物反應器運行及藻體積累與環(huán)境因子相關性分析
3.連續(xù)流藻菌膜光生物反應器（MPBR）處理技術
針對農村生活污水水量水質不穩(wěn)定，低C/N水質小微處理站點電耗藥耗高、操作難、資源化利用低等問題，集成污泥強化處理和膜反應器處理優(yōu)勢，研制新型連續(xù)流藻菌MPBR處理技術，并探索低功耗運行模式（靜置模式和內循環(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到排放標準(GB 18918-2002) I級A類要求，TP濃度甚至達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002) III類標準。低DO污泥相可富集異養(yǎng)細菌(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。同時分析藻菌相和污泥相共現(xiàn)網絡，發(fā)現(xiàn)HM-3#與異養(yǎng)菌協(xié)同去除有機物。此外，功能基因預測結果說明內循環(huán)模式明顯增強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研發(fā)項目（2022YFS0452）、四川省“天府峨眉計劃”青年人才項目、中國科學院戰(zhàn)略生物資源服務網絡計劃生物資源衍生庫（KFJ-BRP-009-004）、中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃項目（2021XBZG-XBQNXZ-A-004）和中國博士后科學基金（2022M710143）的聯(lián)合資助。