藻菌共生体系高效转化乳品废水：生物质与氢气联产技术研究

为解决乳品废水(DWW)高有机负荷(COD 7,346-12,000 mg·L-1)处理难题，西班牙科尔多瓦大学团队构建了莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)与Microbacterium forte的共生体系。研究证实该体系在模拟和真实DWW中可实现11.27 g·L-1生物质产量和185.8 mL·L-1生物氢(bioH2)生产，同时降低71-89% CO2排放。仅需补充微量元素即可实现废水净化与资源化，为乳业废水处理提供了可持续解决方案。

　　

乳品工业是全球食品行业的重要支柱，但同时也是主要的水污染源之一。每加工1升牛奶就会产生1-3升乳品废水(DWW)，这些废水含有高浓度的有机物，化学需氧量(COD)可高达68,000 mg·L^-1。传统的废水处理方法面临着高能耗、温室气体排放和资源浪费等问题。在此背景下，如何实现DWW的高效处理和资源化利用，成为当前环境生物技术领域的重要挑战。

西班牙科尔多瓦大学生物化学与分子生物学系的研究团队在《Environmental Technology》发表了一项创新性研究。他们利用莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)和Microbacterium forte构建的藻菌共生体系，成功实现了DWW的高效处理和资源转化。这项研究为解决乳品行业的环境污染问题提供了新思路。

研究人员采用了多种关键技术方法：通过选择性离心沉淀(SCS)技术区分藻菌生长；使用高效液相色谱(HPLC)分析代谢产物；采用空腔衰荡光谱(CRDS)监测CO_{2排放；通过气相色谱(GC)测定H2和O2含量；利用Spectroquant?方法测定COD值。实验使用来自COVAP Ltd.的真实DWW和模拟DWW(sDWW)作为研究对象。}

3.1. 合成培养基中的藻菌互作

在含乳糖和胰蛋白胨的MLT培养基中，共生体系使藻类叶绿素含量达到单培养的4倍(97.7 vs 15.5 μg·mL^-1)，证实了M. forte通过代谢乳糖产生乙酸支持衣藻混合营养生长。

3.2. 模拟DWW中的生长表现

研究发现在1:10稀释的模拟DWW中，仅需补充微量元素即可支持藻菌共生，叶绿素含量达105.2 μg·mL^-1。底部光照结合静置培养显著提升效果，生物量达7.8 g·L^-1。

3.2.3. 污染治理与碳减排

共生体系使COD降低55%(从12,077降至5,430 mg·L^-1)，CO₂排放比纯菌培养减少88.8%(1,035 vs 9,229 ppm)，展现了优异的污染治理和环境效益。

3.2.4. 光强优化

120 PPFD光强下获得最高生物量(11.27 g·L^-1，产率1.25 g·L^-1·d^-1)，证实适中的光照条件最有利于系统运行。

3.3. 代谢互作机制

M. forte通过蛋白水解提供铵离子(从2.6 mM蛋白质释放)，同时代谢乳糖产生乙酸(1.66 mM)，为衣藻提供氮碳源；而衣藻可能为细菌提供维生素和还原硫化合物，形成稳定互惠关系。

3.4. 真实DWW应用

在真实DWW中，体系保持58-65 μg·mL^-1叶绿素产量和95% COD去除率，但重现性受原生菌群影响，显示人工共生体系的稳定性优势。

3.5. 生物制氢突破

在sDWW中实现185.8 mL·L^-1的bioH₂产量，创下衣藻-细菌共培养系统的记录，且生产周期缩短至14天，首次证实DWW作为生物制氢基质的可行性。

这项研究的重要意义在于：开发了能直接处理高COD(12,000 mg·L^-1)DWW的藻菌共生系统，突破了传统需要稀释或预处理的限制；实现了废水处理-生物质生产-清洁能源联产的循环模式；通过阐明M. forte的蛋白水解和乙酸分泌与衣藻生长的互作机制，为设计类似共生系统提供了理论依据。该技术仅需微量元素的低成本特点，使其具备工业化应用潜力，为乳品行业的废水处理和资源回收提供了创新解决方案。