研究微藻在含有环烷酸的模拟尾矿池水中的耐受性和生长情况

《Canadian Journal of Chemical Engineering》：Investigation of microalgal tolerance and growth in simulated tailings pond water containing naphthenic acids

本研究评估了两种微藻（Chlorella vulgaris和Parachlorella kessleri）在模拟油砂尾矿池条件下对三种Napthenic Acid（F-1、T-4、Cyclo）的耐受性和降解能力。结果显示，C. vulgaris在较高盐浓度（4.5 g/L）和NA存在下仍保持稳定生长，并部分降解T-4（COD降低16%）；P. kessleri在T-4中生物质生产力提高70.3%，但不能异养生长。结论表明，单一微藻可能不足以有效降解天然Napthenic Acid，需结合微生物群落。

　　在加拿大东北部阿尔伯塔省等地，油砂尾矿池是工业活动过程中产生的重要环境问题之一。这些尾矿池中存在多种挑战，包括缓慢的沉淀过程、水体滞留以及有毒的环烷酸（Naphthenic Acids, NAs）等。尾矿池的水体不仅难以回收，还可能对周围生态系统造成严重影响，如地下水污染和生态毒性等。因此，如何有效处理这些尾矿池中的水体，成为环境科学和工业可持续发展领域的重要课题。

本研究聚焦于两种淡水微藻——**小球藻（Chlorella vulgaris）** 和 **拟小球藻（Parachlorella kessleri）**，探讨它们在模拟尾矿池条件下的耐受性与降解潜力。尾矿池中常见的环烷酸结构复杂，对环境和生物体具有毒性，而研究对象选择的是三种具有代表性的模型环烷酸：**芴-1-羧酸（F-1）**、**反式-4-戊基环己烷羧酸（T-4）** 和 **环己烷羧酸（Cyclo）**。这些模型化合物分别代表了环烷酸的多环结构、长烷基链结构以及简单的单环结构，便于研究其对微藻生长和代谢的影响。通过评估微藻在不同盐度和环烷酸浓度下的生长表现，以及其对环烷酸的降解能力，本研究为油砂尾矿池水体的生物修复策略提供了科学依据。

研究采用**Bold's Basal Medium（BBM）** 作为培养基，并调整其中的钠盐（NaCl）浓度为 1.5、2.2 和 4.5 g/L，以模拟尾矿池中常见的盐度条件。同时，将环烷酸浓度设定为 40 和 130 mg/L，以考察其对微藻生长的抑制效应。通过定期测量微藻的光密度（OD）和生物量浓度，研究者能够评估微藻的生长速率和生物量产出能力。此外，研究还利用化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）作为指标，监测微藻对环烷酸的降解过程。

实验结果显示，**小球藻（C. vulgaris）** 在所有盐度和环烷酸浓度下均表现出较强的耐受性和稳定的生长能力。在 4.5 g/L 的高盐度条件下，小球藻的生物量产出仍然保持稳定，且在 40 和 130 mg/L 的 T-4 环烷酸处理中，其生物量产出甚至有所提升。更值得注意的是，小球藻在 T-4 的作用下，COD 降低了 16%，表明其对 T-4 具有一定的生物降解能力。这可能是因为 T-4 的结构更易于被微藻代谢，从而在一定程度上被利用为碳源，支持其生长。相比之下，**拟小球藻（P. kessleri）** 在高盐度下表现出一定的延迟生长，但并未受到显著抑制。然而，在 T-4 的处理中，其生物量产出提升了 70.3%，显示出更强的代谢潜力。但值得注意的是，当实验条件为无光、无气泡的异养环境时，拟小球藻无法利用 T-4 作为唯一的碳源进行生长，这表明其代谢过程依赖于光合作用，光是其生长和代谢的关键因素。

进一步分析显示，尽管两种微藻均能适应高盐度环境，但它们对不同环烷酸的耐受性和降解能力存在差异。小球藻在所有类型的环烷酸处理中均表现出较强的适应能力，而拟小球藻则在某些情况下（如 F-1 和 Cyclo）表现出明显的生长抑制。这可能与不同环烷酸的化学结构有关，例如 F-1 的多环结构可能对微藻的代谢过程造成更大的压力，而 Cyclo 的简单结构虽然更容易被降解，但其降解效率并不高。此外，实验还发现，随着环烷酸浓度的增加，微藻的生长并未受到显著抑制，这说明其对环烷酸的耐受性较强，但并不能完全将其降解。

研究还揭示了微藻在生物修复中的潜力与局限性。虽然小球藻和拟小球藻在一定条件下能够部分降解环烷酸，但尾矿池中的天然环烷酸往往比模型环烷酸更为复杂，导致其降解难度更大。因此，仅依赖微藻进行尾矿水体的修复可能不足以达到理想的处理效果。研究者建议，将微藻与其他微生物群落（如细菌）结合使用，可能更有效地提高对天然环烷酸的降解效率。此外，实验结果也表明，微藻的生长不仅受到盐度和环烷酸浓度的影响，还与培养条件（如光照、气泡通入）密切相关，因此在实际应用中，需要综合考虑这些因素以优化微藻的生长和降解性能。

在实际应用中，微藻的耐盐性和环烷酸降解能力为油砂尾矿池的水体处理提供了新的思路。例如，小球藻因其较强的适应性和降解能力，可能更适合在中等盐度的尾矿池环境中进行应用。而拟小球藻则在低盐度条件下表现更佳，但其对环烷酸的利用能力受到光照的限制。因此，选择适合特定尾矿池环境的微藻种类，是实现高效生物修复的关键。此外，微藻在降解过程中释放的有机物可能影响水体的 COD 水平，从而间接反映其降解效率。然而，COD 的变化并不能完全代表环烷酸的降解程度，还需结合其他分析手段进行综合判断。

本研究的发现对于未来微藻在生物修复领域的应用具有重要指导意义。一方面，它为微藻在高盐度环境中的应用提供了数据支持，表明某些淡水微藻能够在盐度较高的尾矿池环境中生存并发挥一定的降解作用。另一方面，它也揭示了微藻对不同环烷酸的代谢差异，为优化生物修复策略提供了科学依据。例如，在处理富含 T-4 的尾矿水体时，小球藻可能是一个更优的选择，因为其在 T-4 的作用下不仅表现出更高的生物量产出，还能够通过降解 T-4 提高 COD 的去除率。而在处理多环结构的环烷酸时，微藻的代谢能力可能受限，因此需要结合其他技术手段。

此外，研究还强调了微藻在环境修复中的生态功能。微藻不仅可以利用环烷酸作为碳源，还能够通过光合作用改善水体中的氧气含量，为其他微生物提供适宜的生存环境。因此，在尾矿池的修复过程中，微藻不仅扮演着降解者的角色，还可能成为生态系统恢复的重要组成部分。然而，尾矿池中的环烷酸浓度和复杂性可能影响微藻的生长效率，因此在实际应用中，需要对微藻的耐受阈值进行更精确的评估，并结合其他生物修复技术，如微生物群落的协同作用，以提高整体的处理效果。

研究还指出，尽管微藻在生物修复方面具有一定的潜力，但其在处理天然环烷酸时的局限性不容忽视。天然环烷酸的结构复杂性可能使其更难被微藻代谢，而模型环烷酸则因其结构相对简单，更容易被利用。因此，微藻在实际应用中可能需要与特定的降解微生物协同作用，以提高对复杂有机污染物的处理能力。此外，微藻的生长过程可能受到多种环境因素的影响，如营养成分、pH 值、温度等，因此在实际操作中，需要优化这些条件以提高微藻的代谢效率。

总体而言，本研究为微藻在油砂尾矿池水体修复中的应用提供了重要的科学依据。通过系统评估两种微藻在不同盐度和环烷酸浓度下的生长表现，研究者不仅揭示了微藻的耐受性与降解能力，还为未来的生物修复技术开发指明了方向。未来的研究可以进一步探索微藻与细菌的协同作用，以及如何通过基因工程等手段提高微藻对复杂污染物的降解能力。同时，还需要关注微藻在不同环境条件下的适应机制，以期在实际应用中实现更高效的尾矿水体处理。