空床停留时间调控藻菌共生体协同处理挥发性有机物性能与机理研究

推荐 为解决传统挥发性有机物（VOCs）处理技术能耗高、产生二次污染的问题，浙江大学研究人员以n-丁基醋酸酯为目标污染物，对比藻菌共生体气升式光生物反应器（PB）与传统细菌气升式生物反应器（CB），发现短EBRT可提升EPS分泌与微生物群落复杂性，长EBRT则优化Rubisco酶活性，实现VOCs去除率超99%且CO2固定效率达92.65%。该研究为碳中和目标下的气体净化技术提供了理论支撑。

　　

论文解读
挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）作为工业排放的主要污染物之一，长期暴露可引发神经毒性甚至致癌风险。传统物理化学处理方法虽能有效去除VOCs，但其高能耗特性及二次污染问题（如焚烧产生的CO₂）与可持续发展目标背道而驰。在此背景下，利用微藻与细菌的共生体系（Algal-Bacterial Consortium, ABC）进行生物净化成为研究热点。微藻通过光合作用固定CO₂并产生氧气，细菌则代谢降解VOCs，二者协同作用可同时实现污染物去除与碳减排。然而，空床停留时间（Empty Bed Residence Time, EBRT）如何调控ABC的协同效应尚未明确。

浙江省农业科学院环境工程团队针对上述问题，构建了藻菌共生气升式光生物反应器（Photobioreactor, PB）与传统细菌气升式生物反应器（Biological Airlift Reactor, CB），系统探究不同EBRT条件下对n-丁基醋酸酯（一种典型VOCs）的处理性能。研究发现，在较长EBRT（51和34秒）下，PB与CB均实现近100%的VOCs去除率，同时微藻的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Ribulose-1,5-bisphosphate Carboxylase/Oxygenase, Rubisco）活性显著提升，CO₂同化效率（R_CO2）峰值达92.65±0.88%。而在较短EBRT（26和20秒）条件下，PB的VOCs去除效率较CB分别提高1.11倍和1.46%，且EPS分泌量增加，微生物群落结构更复杂，表明短EBRT可通过促进物质交换与微生物协作强化污染物去除稳定性。

为验证上述结论，研究团队采用高通量测序技术分析微生物群落演替动态，并监测EPS浓度、叶绿素含量及Rubisco酶活性变化。结果表明，EBRT通过调控微生物代谢活性与物理环境参数，直接影响ABC的协同效能。长EBRT延长反应时间，利于微生物充分接触底物并完成代谢过程；短EBRT则通过增强传质效率与EPS介导的细胞间通讯，提升系统抗冲击负荷能力。

该研究证实ABC在VOCs去除与碳固定中的双重优势，提出EBRT优化策略可显著增强系统性能。研究成果不仅为工业废气治理提供新思路，还为微藻生物技术在碳中和领域的应用奠定理论基础，相关结论发表于《Algal Research》。

技术方法
本研究采用气升式光生物反应器（PB）与传统细菌气升式生物反应器（CB）对比实验，通过调节空床停留时间（EBRT）控制反应条件，并利用高通量测序分析微生物群落结构变化，同步监测胞外聚合物（EPS）、叶绿素及Rubisco酶活性以评估系统性能。

研究结果
空床停留时间对n-丁基醋酸酯去除的影响
在45天实验周期内，PB在EBRT为51秒时VOCs去除率达99.65±0.04%，CB则为98.93±0.16%。短EBRT条件下，PB的去除效率较CB分别提升1.11倍（EBRT=26秒）和1.46倍（EBRT=20秒）。

CO₂固定与Rubisco酶活性
长EBRT促进Rubisco酶活性增强，PB的CO₂同化效率（R_CO2）达92.65±0.88%，显著高于传统生物反应器。

微生物群落与EPS分泌
短EBRT刺激ABC分泌更多EPS，形成复杂微生物网络，提升系统稳定性。高通量测序显示，PB中细菌多样性指数高于CB，且优势菌群更适应高负荷环境。

研究结论
ABC通过藻菌协同作用实现VOCs高效去除与碳固定，EBRT调控是优化系统性能的关键。长EBRT利于CO₂固定，短EBRT增强污染物去除稳定性。该研究为开发低能耗、高效率的气体生物净化技术提供理论依据，对实现碳中和目标具有重要应用价值。