光生物反应器中原生藻类Dunaliella tertiolecta与Desmodesmus communis在循环水产养殖系统废水处理中的应用研究

为解决循环水产养殖系统(RAS)中氮磷化合物去除效率低、成本高的问题，研究人员开发了基于96孔板的高通量筛选系统，评估了Dunaliella tertiolecta和Desmodesmus communis在不同氮源条件下的生长特性，并验证了光生物反应器(PBR)原型机的铵盐转移效率。研究表明两种藻类能有效利用无机氮源，其中D. tertiolecta在PBR中展现出5.4%的硝酸盐生长优势，为RAS废水处理提供了可持续的生物修复方案。

　　

随着全球水产养殖业规模不断扩大，传统养殖方式对自然水体的污染压力日益加剧。循环水产养殖系统(RAS)虽能减少环境负荷，但其核心挑战在于如何高效去除废水中的氮磷化合物——这些物质既是藻类生长的必需营养，浓度过高时又会对养殖生物产生毒性。目前主流的化学处理方法成本高昂且可能产生二次污染，而利用微藻进行生物修复的inline光生物反应器(PBR)技术展现出独特优势：既能持续去除NH₄⁺、NO₃^-等污染物，又能将藻类生物质转化为高附加值产品。然而，藻种筛选耗时费力、不同藻株对RAS废水环境的适应性差异大等问题，严重制约着PBR技术的实际应用。

针对这一技术瓶颈，加拿大圭尔夫大学(University of Guelph)的研究团队在《Current Research in Biotechnology》发表重要研究成果。研究人员创新性地将高通量筛选与PBR原型验证相结合，系统评估了海洋藻Dunaliella tertiolecta和淡水藻Desmodesmus communis的氮利用特性。通过建立96孔板自动化监测平台，采用CY-5荧光成像和NIS Elements细胞计数技术，实现了对两种藻类在14种氮处理条件下生长动态的精准追踪；同时利用膜扩散原理设计的PBR原型机，定量分析了NH₄⁺转移效率与藻类生长的相关性。

主要技术方法

研究采用三阶段实验设计：(1)通过离心洗涤和10天氮饥饿预处理建立不同营养状态的藻种；(2)在96孔板中设置包含NH₄Cl、NaNO₃、NaNO₂的浓度梯度矩阵，使用固定化处理和自动显微成像技术连续监测5天；(3)在配备不同注气装置的PBR中，测试2-4 LPM气流下NH₄⁺的跨膜转移效率及藻类生长响应。所有数据通过泊松回归和双因素ANOVA进行统计分析。

研究结果

3.1 平板试验

• 自动计数准确率达99%以上，验证了高通量筛选的可靠性。D. tertiolecta整体生长速率显著高于D. communis，但后者在复合氮源条件下表现更优

• 氮饥饿预处理使D. communis生长率下降更明显，表明其储备利用能力较弱

• 在50 mg/L浓度下，D. tertiolecta对NH₄⁺和NO₃^-的利用率相近，而D. communis更偏好NH₄⁺/NO₂^-组合

3.2 反应器试验

• 5 LPM气流下NH₄⁺质量转移系数达0.06 h^-1，证实PBR传质效率

• 注气角度45°的Injector 2使D. tertiolecta获得最高生长率(0.236/24h)

• 循环模式下藻类生长速率较静态培养提高67%，证明连续传质的优势

结论与意义

该研究首次建立了从微藻高通量筛选到PBR验证的完整技术链条，揭示了不同藻类在RAS废水环境中的差异化适应策略。D. tertiolecta展现出的氮储备利用能力和在PBR中的稳定生长特性，为开发"藻类生物反应器-水产养殖"耦合系统提供了关键物种选择依据。特别值得注意的是，研究证实即使在不添加外源氮的对照组中藻类仍能生长，这暗示着微藻可能通过调动细胞内氨基酸、多胺等氮储备来应对波动环境——这一发现为理解藻类在间歇性营养供应条件下的生存策略提供了新视角。

从应用角度看，该研究所开发的筛选体系可大幅缩短藻种选育周期，而PBR原型中验证的NH₄⁺转移模型，则为设计能同步处理废水、生产藻类生物质的RAS系统提供了工程参数。随着后续研究向实际废水处理和更大规模PBR拓展，这项技术有望成为推动水产养殖业绿色转型的重要引擎，在保障食品安全的同时实现环境效益与经济效益的双赢。