利用烟气冷凝液与乳清废液进行户外混合营养培养缓解单针藻夜间生物量损失的研究

本研究通过户外中试规模跑道池培养单针藻（Monoraphidium minutum），创新性地结合烟气冷凝液（FGC）与乳清废液（CW）作为氮源和有机碳（OC）来源，证实混合营养（MT）模式在低光照季节可显著缓解夜间生物量损失（高OC条件下实现33%±16%的夜间生物量增益），同时提升碳水化合物含量（26% DW）。该策略为工业废水处理与藻类生物质生产提供了可持续解决方案。

　　

研究背景与意义

藻类培养在废水处理与生物质生产中具有双重价值，但夜间因呼吸作用和细胞死亡导致的生物量损失（可达53%）严重制约生产效率。混合营养（MT）模式通过添加有机碳（OC）维持黑暗期细胞代谢，但此前缺乏基于工业废水的户外大规模验证。本研究首次在1 m³跑道池中测试烟气冷凝液（FGC）与乳清废液（CW）组合对单针藻（Monoraphidium minutum）夜间生物量动态的影响。

材料与方法

培养系统设计：实验设置4个跑道池，分光自养（PA，FGC+KH₂PO₄）和混合营养（CW，FGC+CW）两组，北欧秋季（7-16°C，日长7-8小时）运行。FGC提供NH₄⁺（8.3 mg L^?1），CW补充磷（350 mg L^?1 TP）和OC（COD 50,950 mg L^?1）。

监测指标：通过干重（DW）、18S/16S rRNA测序、流式细胞术等分析生物量变化、微生物群落及生化组成（脂质、蛋白质、碳水化合物）。

核心发现

1. 夜间生物量动态：

   • 高OC条件（COD 239–613 mg L^?1）下，CW组夜间生物量增益33%±16%，而低OC时损失8%（与PA组的6%无显著差异）。
   • 线性回归显示，初始COD需≥171 mg L^?1才能避免夜间损失（系数=?0.0976，p<0.001）。

2. 微生物群落稳定性：

   • 真核群落以绿藻门（Chlorophyta）为主（75.2%–99.6%），单针藻ASV占绝对优势；原核群落中变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）主导，CW组放线菌门（Actinobacteriota）丰度更高（31.1%）。

3. 生化组成差异：

   • CW组碳水化合物含量显著高于PA组（26% vs. 9.4% DW），但脂质（13.8% vs. 27.5%）和蛋白质（30% vs. 37.1%）较低，表明OC利用偏好糖类合成。

应用价值与创新

该研究首次证明：

• 废水资源化：FGC-CW组合可替代合成培养基，实现氮磷回收（TN/TP去除率最高达12.13/2.80 mg L^?1 d^?1）。
• 工艺优化：通过调控OC浓度（如每日补充CW）可平衡昼夜生物量产出，适合低光照地区推广。

局限与展望

未来需验证更高生物量密度下的OC阈值，并探索细菌群落（如放线菌）对藻类代谢的调控机制。