光合周期共培养小球藻与铜绿假单胞菌：高效营养去除及脂质/淀粉合成的优化策略

本研究针对废水处理与生物燃料生产的双重需求，通过优化小球藻（C. vulgaris）与铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的共培养体系，探究了初始葡萄糖浓度（2 g/L）、细菌接种比例（50%）及混合营养条件对营养去除（NO3- 43.6%、PO43- 99.5%）和脂质（20.8%）、淀粉（10.9%）积累的影响，并创新性地采用光周期调控策略（400 mg/L NO3-+连续光照），实现脂质（633.8 mg/L）与淀粉（493.9 mg/L）的高效产出，为废水资源化提供了新思路。

　　

随着城市化进程加速，废水处理与资源回收成为环境领域的核心挑战。传统活性污泥法虽能降解有机物，但难以同步实现营养盐回收与高附加值产物生产。微藻-细菌共生系统因其协同效应备受关注：微藻通过光合作用提供氧气和有机物，细菌则降解复杂污染物并释放CO₂促进藻类生长。然而，如何优化培养条件以平衡营养去除效率与生物质产量仍是难题。

在此背景下，研究人员聚焦于两种高耐受性微生物——小球藻（Chlorella vulgaris）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的共培养体系。前者以高效的营养吸收和脂质/淀粉合成能力著称，后者则以广谱降解特性闻名。研究通过三阶段实验设计（单培养筛选→共培养参数优化→光周期策略验证），系统评估了碳源浓度、接种比例及光照模式对体系性能的影响。

关键技术包括：（1）混合营养培养（mixotrophic）条件下微生物生长动力学分析；（2）光周期调控（48小时异养预处理+连续/循环光照）诱导氮胁迫；（3）高效液相色谱（HPLC）定量营养盐残留；（4）傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征脂质与淀粉含量。

结果与讨论

1. 单培养与共培养比较：共培养在2 g/L葡萄糖和50%细菌接种比例下表现最优，硝酸盐、磷酸盐去除率分别达43.6%和99.5%，显著高于单藻培养（p<0.05）。脂质与淀粉含量分别提升至20.8%和10.9%，证实细菌通过分泌生长因子（如维生素）促进藻类代谢。

2. 光周期策略验证：在400 mg/L初始硝酸盐浓度下，连续光照使脂质产量飙升至633.8 mg/L，淀粉达493.9 mg/L。该条件触发氮限制效应，促使藻细胞将碳流转向储能物质合成，同时细菌的矿化作用加速了营养盐循环。

3. 机制探讨：铜绿假单胞菌通过降解葡萄糖产生CO₂，缓解微藻光合抑制；而微藻释放的溶解有机碳（DOC）反哺细菌生长，形成正向循环。低氮环境进一步诱导藻类积累三酰甘油（TAG）而非膜脂，提升生物燃料品质。

结论

该研究创新性地将光周期调控与菌藻共生相结合，不仅实现废水近完全脱氮除磷（PO₄^3-去除率99.5%），更获得高附加值生物质。连续光照下400 mg/L硝酸盐的优化方案，为工业化废水处理-生物燃料联产提供了可靠参数。未来可拓展至实际废水场景，并探索菌藻比例动态调控策略。论文发表于《Bioresource Technology》，为环境生物技术领域贡献了重要范式。