氮调控藻菌共生体系：酸性木质纤维素预处理废水的双重解毒与生物强化生产

针对酸性木质纤维素预处理废水(ALPW)中抑制物(furfural/5-HMF/acetic acid)阻碍资源化利用的难题，研究人员创新性地构建氮调控(NH4+/NO3-)的藻菌(C. sorokiniana-K. huakuii)共生体系，实现74.7%糖耗、100%抑制物降解及330.60 mg/L/d固碳效率，每吨玉米秸秆可产86.7 kg高值生物质，为木质纤维素生物精炼提供循环经济解决方案。

　　

在追求碳中和的时代背景下，木质纤维素作为地球上最丰富的可再生碳库，其高效转化对能源安全至关重要。然而，工业上广泛采用的稀酸预处理工艺产生的酸性木质纤维素预处理废水(ALPW)却成为"甜蜜的负担"——富含可发酵糖的同时，含有糠醛(furfural)、5-羟甲基糠醛(5-HMF)和乙酸(acetic acid)等抑制物，严重制约微生物的资源化利用。传统单一微生物系统要么像真菌Trichosporon dermatis那样受抑制物限制，要么如细菌Kurthia huakuii般碳转化效率低下，如何实现ALPW的高效解毒与资源回收成为行业痛点。

中国科学院广州能源研究所的研究人员另辟蹊径，从自然界藻菌互作中获取灵感，构建了由Chlorella sorokiniana和Kurthia huakuii组成的共生系统，并通过创新性的氮(N)调控策略，在《Bioresource Technology》发表了突破性研究成果。研究团队采用多组平行实验设计，通过ALPW梯度稀释确定藻类耐受阈值，建立同步/异步培养比较体系，运用混合氮源(NH₄⁺-N/NO₃^--N)调控策略，结合碳氮代谢流分析、生物质组分定量等技术手段，系统评估了该体系的解毒效能与资源转化潜力。

【Acid-lignocellulosic pretreatment wastewater stress thresholds on C. sorokiniana】
研究发现4倍稀释ALPW可实现3.95 g/L最佳藻类生物量，揭示原始废水中>0.5 g/L糠醛和>1 g/L乙酸的复合抑制是限制微藻应用的关键因素。通过剂量效应实验首次绘制了真实ALPW中抑制物对C. sorokiniana的胁迫阈值谱。

【Synchronous vs asynchronous culture performance】
对比研究表明，2倍稀释ALPW中同步培养的藻菌共生体系展现出显著优势：糖消耗率达74.7%，较异步培养提升21.3%；实现糠醛、5-HMF和乙酸的完全降解，证明共生体系存在代谢互补效应。电镜观察显示细菌附着于藻细胞表面形成"代谢微生态位"。

【N-regulation optimization】
创新性地采用80 mg/L NO₃^--N + 40 mg/L NH₄⁺-N混合氮源时，系统性能达到峰值：生物量提升至4.30 g/L，碳固定速率达330.60 mg/L/d，较单氮源体系提高28.6%。同位素示踪显示该比例促进细菌将NH₄⁺转化为藻类偏好的NO₃^-，形成氮循环闭环。

【Material balance analysis】
碳氮流向分析表明，系统将56.2%碳和68.0%氮转化为生物质，每吨玉米秸秆可生产86.7 kg高值生物质，其中蛋白(36.6 kg)、碳水化合物(27.1 kg)和脂质(16.0 kg)的均衡产出彰显其经济价值。生命周期评估显示该工艺可使生物精炼厂废水处理成本降低43%。

这项研究突破了ALPW资源化利用的多重技术瓶颈：通过藻菌共生实现抑制物"双重解毒"（细菌降解与藻类转化协同），借助氮调控优化碳分配，建立"废水-生物质-高值产品"的转化链条。特别值得注意的是，80:40的NH₄⁺-N/NO₃^--N比例被证实是平衡微生物生长与产物合成的"黄金比值"，为类似废水处理系统提供了重要参数。研究成果不仅推动藻菌共生理论在环境工程中的应用，更通过将废水处理与生物制造耦合，为木质纤维素生物精炼厂提供了一条符合循环经济原则的技术路径。未来研究将聚焦中试规模验证及与现有生物精炼工艺的整合优化，加速该技术从实验室走向产业化。