光暗周期与发酵模式协同优化小球藻处理废水的高效策略

为提升废水处理中营养物去除效率及增值副产物积累，研究人员探索光暗周期（L/D cycle）和发酵模式对蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa）的影响，发现 18 - 6 L/D 周期及膜集成重复批次发酵效果佳。

　　人类活动对水生生态系统产生了显著影响，氮、磷等营养物质排入水体，导致水体富营养化。此外，废水中以化学需氧量（COD）衡量的有机物，也对环境可持续性构成挑战。废水处理通常采用物理、化学和生物技术，其中微藻培养是一种高效且经济的方法，因为微藻能适应多种废水，还能同时固定二氧化碳（CO₂）。研究表明，15 种本地藻类在 72 小时的培养过程中几乎能完全去除氮、磷和氨，且降低了废水处理成本，不产生污染。微藻在处理废水的同时还能产生生物质，这些生物质可进一步转化为生物燃料、功能性食品、动物饲料、营养补充剂和药品。在众多微藻中，蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa）生长迅速，对恶劣环境耐受性强，常被用于处理含氮废水，它还能将太阳能和大气中的 CO₂转化为富含蛋白质、脂质、叶绿素和多糖的生物质。

对于光合自养藻类而言，光能决定其生存，光的数量和质量都会对微藻生物质的数量和质量产生复杂影响。光周期和光谱范围是影响微藻生长的关键环境因素。此前研究发现，光暗周期（L/D cycle）会影响镰形纤维藻（Ankistrodesmus falcatus）的光合活性和比生长速率，还会影响蛋白质、碳水化合物、脂质和叶绿素的生物合成，改变藻类细胞的生化组成。有研究证明光暗机制可延长微藻寿命，也有研究探讨了光周期对索氏小球藻（C. sorokiniana）处理废水的影响，发现最佳 L/D 周期（24 - 0）时，索氏小球藻的生物质积累量最大，总氮（TN）和总磷（TP）的去除率也最高。还有研究指出，12 - 12 L/D 周期下，Ankistrodesmus falcatus的总脂质含量最高，且光暗周期对蛋白核小球藻的细胞骨架构建也有影响。由此可见，光周期是通过调节微藻细胞代谢来促进微藻生物质积累和营养物质利用的关键因素，但 L/D 周期如何影响蛋白核小球藻处理废水过程中的生物质生产和营养物去除尚不清楚。

在发酵模式方面，连续培养比分批培养更有利于促进微藻生长和提高废水处理效率。与分批发酵相比，连续微藻培养结合恒化器混合培养能实现稳定的生产力和更好的过程控制。重复分批发酵不仅能重复利用后续批次的接种物，还能减轻高浓度产物对微生物群落的抑制，从而提高生产力。连续培养为提高蛋白核小球藻处理废水的发酵效率提供了思路，除了光周期调节细胞内代谢外，调整发酵模式也能进一步促进微藻生长和提高废水处理效率。

通过光暗周期和发酵模式的组合优化，可以实现从细胞内代谢到工艺流程的跨层次改进。这两个因素的组合在基于微藻的废水处理中已得到广泛研究。本研究旨在探索光暗周期和发酵模式对蛋白核小球藻处理废水过程中生物质生产和营养物去除的影响，以提高营养物去除效率和增值副产物积累。研究结果表明，在 18 - 6 的最佳 L/D 周期下，能实现较高的营养物去除率和生物质积累。进一步采用膜集成重复批次发酵（MIRB），可获得稳定且优异的 TN（95.15% - 96.81%）、COD（91.15% - 94.97%）、NH₃-N（97.10% - 98.55%）和 TP（91.26% - 91.90%）去除率。同时，可溶性蛋白、脂质、可溶性碳水化合物和叶绿素的浓度分别提高了 239.76%、53.92%、50.87% 和 32.27%，发酵周期缩短了 75.0%。

实验所用的蛋白核小球藻（C. pyrenoidosa）FACHB - 9 菌株由中国科学院水生生物研究所淡水藻种库提供，其他化学试剂均为分析纯，可从市场购买。用于保存和活化蛋白核小球藻的培养基为 BG11 培养基，其含有 1.5 g/L NaNO₃、40 mg/L K₂HPO₄·H₂O、75 mg/L MgSO₄·7H₂O、36 mg/L CaCl₂·2H₂O、6 mg/L 柠檬酸、6 mg/L 柠檬酸铁铵、1 mg/L EDTA、20 mg/L Na₂CO₃和 1 mL/L A5 溶液 。

研究发现，在所有光周期条件下，COD 浓度在 24 小时内均迅速下降，0 - 24 L/D 周期下的 COD 浓度最低（67.33 mg/L），而 24 - 0 L/D 周期下的蛋白核小球藻在 24 小时内对 COD 的降低效率最低。有趣的是，所有 L/D 周期下的 COD 浓度在 48 小时时都有所上升。在每个 L/D 周期中，蛋白核小球藻的生长随光照时间的增加而增加。

本研究探究了光周期和发酵模式对蛋白核小球藻处理废水的影响机制，确定 18 - 6 L/D 周期可平衡营养物去除、副产物积累、藻类生长和节能，揭示了光周期对蛋白核小球藻生长以及脂肪酸和氨基酸组成的影响，实现了 TN、COD、NH₃-N 和 TP 的稳定高去除率。