利用固氮螺菌生物强化产吲哚-3-乙酸促进藻类生长的规模化研究及其在废水处理中的应用

本研究针对藻基废水处理系统中藻类生产力不稳定的问题，通过生物强化策略引入产吲哚-3-乙酸(IAA)的固氮螺菌(Azospirillum brasilense)，在实验室、中试及工业规模验证中实现藻类生物量倍增（23.4 g/m2/天），并提升冬季营养盐去除效率，为可持续废水处理与生物质能源开发提供创新方案。

　　

藻基废水处理技术因其能同步实现营养盐回收与生物质生产而备受关注，但环境波动常导致藻类生长不稳定，制约规模化应用。传统解决方案依赖化学添加剂，成本高且不可持续。而自然界中，藻菌共生关系已被证明能显著提升藻类抗逆性——例如某些细菌通过分泌维生素B₁₂或胞外聚合物(EPS)帮助藻类应对胁迫。其中，植物激素吲哚-3-乙酸(IAA)的促生长作用尤为突出，实验室研究表明其可在μM至nM级浓度下提升多种藻类（如小球藻、栅藻）的生物量及油脂含量。然而，如何将这类共生效应从实验室推向实际工程？这正是美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校团队在《Algal Research》发表的研究要解决的核心问题。

研究人员选择固氮螺菌(Azospirillum brasilense)作为生物强化剂，因其能持续分泌IAA等促生长物质。通过实验室摇瓶实验、中试藻轮(Algaewheel)系统测试，最终在伊利诺伊州北部某居民区污水处理厂（日处理量38,000加仑）开展全规模验证。关键技术包括：藻类生物量干重测定、高通量18S rRNA基因测序分析藻群结构、HPLC定量IAA浓度，以及基于合成废水的可控培养体系。

Benchtop study of the impacts of IAA-producing bacteria on algal growth
实验室阶段发现，添加10^-9–10^-7 M IAA可使小球藻(Chlorella vulgaris)生物量提升2.3倍，且缩短滞后期；而直接接种固氮螺菌（终浓度0.2–4×10⁹ cells/L）效果相当，证实IAA是核心作用因子。值得注意的是，过高浓度IAA（>230 μM）会抑制藻类生长，凸显剂量敏感性。

Pilot-scale validation in Algaewheel systems
中试藻轮系统中，每两周补充固氮螺菌的策略使藻群生物多样性稳定性提高37%（通过Shannon指数评估），且冬季运行时氨氮去除率提升19%，破解了低温效率下降的行业难题。

Full-scale implementation and winter performance
全规模应用中，生物强化使系统在-9–16°C条件下仍保持23.4 g/m²/天的面积产率，较对照翻倍。18S rRNA测序显示处理组藻群中栅藻(Scenedesmus)占比显著增加，该属已知对IAA响应灵敏。

结论与意义
该研究首次建立了可工程化应用的藻菌共生强化方案，通过定量控制固氮螺菌接种密度（0.2–4×10⁹ cells/L）与频率（双周），实现废水处理系统全年稳定运行。其创新性体现在：1）揭示IAA浓度窗口效应，为化学-生物联合调控提供依据；2）证实生物强化可同步提升处理效率（冬季TP去除率提高22%）与生物质能源潜力（脂质含量增加15%）；3）开发的标准化操作流程可直接移植至其他藻基处理设施。这项工作不仅为美国能源部支持的可持续水处理技术发展提供范例，更为全球范围内“碳中和”目标下的资源循环利用开辟新路径。