《Biomass and Bioenergy》：Integrated phycoremediation and bioethanol production from landfill leachate using
Scenedesmus sp.: Carbon recovery and fermentation kinetics
编辑推荐：
•将垃圾填埋场渗滤液与微藻培养结合，以实现生物质的价值化。•Scenedesmus属微藻的处理达到了57.35%的化学需氧量（COD）去除率、99.25%的磷去除率和94.12%的铵去除率。•渗滤液衍生生物质经过发酵后产生了7.0%（体积比）的乙醇。•在0.2%的生物质浓度下，发
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将垃圾填埋场渗滤液与微藻培养结合，以实现生物质的价值化。
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Scenedesmus属微藻的处理达到了57.35%的化学需氧量（COD）去除率、99.25%的磷去除率和94.12%的铵去除率。
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渗滤液衍生生物质经过发酵后产生了7.0%（体积比）的乙醇。
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在0.2%的生物质浓度下，发酵阶段的碳回收率达到了最大值45.62%。
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初步能源评估表明净能量比为1.84。
引言
城市化、工业化和人口扩张的迅速发展导致了全球城市固体废物（MSW）产量的大幅增加。由于其经济可行性和操作简便性，填埋仍然是最广泛采用的废物处理方法之一。然而，垃圾填埋场内固体废物的持续积累和分解会产生渗滤液，这种液体含有高浓度的有机物、氨、营养物质、重金属和难降解污染物[1]。渗滤液的成分取决于填埋场的年龄、废物组成、气候条件以及操作方式，这使得其处理变得特别具有挑战性。不当排放或处理不足的渗滤液可能导致地下水污染、水生生态系统富营养化、土壤退化以及长期的生态和公共卫生风险[2]。
传统的渗滤液处理技术，包括混凝-絮凝、膜过滤、活性炭吸附和高级氧化工艺，已经显示出有效的污染物去除效率。然而，这些物理化学方法通常伴随着高昂的运营成本、高能耗、膜污染和二次污泥的产生，可能需要额外的后续处理。因此，越来越多的注意力集中在可持续的生物处理策略上，这些策略能够在减少污染物的同时产生增值产品。在生物方法中，基于微藻的生态修复技术作为一种有前景且环保的废水处理技术而兴起。微藻具有显著的代谢多样性，能够吸收无机营养物质（如氮和磷），并通过光合作用和异养途径减少有机污染物[3]。此外，微藻还可以通过细胞壁相互作用和细胞内隔离机制吸附和积累重金属。与传统微生物系统相比，微藻具有高的光合作用效率、快速的生物质生产力、较高的碳固定潜力，并且适应多种废水环境。重要的是，所产生的藻类生物质可以随后作为生产生物燃料和其他生物产品的原料，支持循环生物经济的发展[4]。
在各种微藻属中，Scenedesmus属因其对环境压力的强适应性、高营养吸收效率、快速生长动力学和大量的碳水化合物积累而吸引了大量的研究兴趣。先前的研究表明，Scenedesmus属能够有效去除来自不同废水流（包括城市废水、工业废水和垃圾填埋场渗滤液）中的化学需氧量（COD）、氨氮、磷和重金属。此外，Scenedesmus生物质相对较高的碳水化合物含量使其成为生产生物乙醇的理想底物。通过Saccharomyces cerevisiae的水解和后续发酵，可以从藻类生物质中转化出可发酵的糖类，从而将废水处理与可持续能源生产结合起来。尽管有这些优势，但利用渗滤液衍生微藻生物质生产生物乙醇的研究仍不够充分。一个主要问题是生态修复过程中有毒重金属可能在藻类生物质中的积累。过量的金属积累可能干扰酵母的代谢，抑制酶活性并降低发酵效率[5]。相反，某些金属（如锌和铜）的微量浓度可能增强微生物的酶活性，特别是参与乙醇生物合成的酒精脱氢酶活性。因此，了解渗滤液衍生生物质特性对发酵性能、碳转化效率及动力学行为的影响对于评估生态修复-生物燃料系统的可行性至关重要。
生态修复过程中产生的微藻生物质的物理化学特性对其在下游生物精炼应用中的适用性起着关键作用。接触垃圾填埋场渗滤液可能通过营养物质、溶解矿物和痕量金属与微藻细胞的相互作用，引起形态、生化和结构的改变。扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等分析技术提供了关于细胞完整性、功能团组成和结晶度变化的宝贵信息，这些因素可能影响生物质的消化率和发酵效率。尽管人们对用于生物燃料生产的废水衍生微藻越来越感兴趣，但系统地将生物质结构特性与后续生物乙醇生产性能联系起来的研究仍然较少。
近年来，越来越多的研究致力于开发符合循环经济原则的废物转能源系统。将微藻废水处理与生物乙醇生产相结合具有多重潜在优势，包括同时去除污染物、回收碳、产生可再生能源以及减少对淡水资源和合成培养基的依赖[6]。然而，很少有研究全面评估了在垃圾填埋场渗滤液中生长的Scenedesmus生物质的修复性能和下游发酵动力学。因此，本研究旨在评估使用在垃圾填埋场渗滤液中培养的Scenedesmus的生态修复-生物乙醇生产系统的可行性。具体而言，本研究探讨了：（i）Scenedesmus对垃圾填埋场渗滤液的污染物去除效率；（ii）培养微藻的生长性能和生物质特性；（iii）使用Saccharomyces cerevisiae生产生物乙醇的效率；以及（iv）集成系统的发酵动力学、碳转化效率和能源可行性。该研究的结果有望为循环经济框架下的可持续废水处理和可再生生物燃料生产技术的发展做出贡献。
尽管作者之前的研究已经探讨了垃圾填埋场渗滤液处理和/或生物乙醇生产，但目前的研究通过将微藻生态修复与直接在垃圾填埋场渗滤液中培养的Scenedesmus的下游生物乙醇生产系统相结合，提出了不同的研究目标。与作者早期的出版物相比，本研究评估了从渗滤液处理到微藻生物质生成、生物质结构和组成表征、碳水化合物释放以及使用Saccharomyces cerevisiae进行乙醇发酵的整个实验流程。特别关注了在BBM（生物质基）培养和渗滤液培养的生物质之间的比较，评估了超声波预处理和生物质浓度对乙醇生产的影响，确定了发酵动力学参数，并研究了发酵阶段的碳转化和初步能源性能。SEM、FTIR和XRD分析进一步提供了关于渗滤液衍生生物质后续可发酵性的结构和组成信息。因此，本研究的新颖之处在于在单一实验框架内综合评估了废水处理、生物质表征、发酵性能、动力学和下游生物质价值化，而不仅仅是单独关注垃圾填埋场渗滤液处理或乙醇生产。
章节摘要
渗滤液收集与特性分析
2023年7月，从Ampang Jajar固体废物转运站收集了大约60升垃圾填埋场渗滤液。渗滤液样本用无菌聚乙烯容器运输到实验室，并在分析和培养实验前储存在4°C的环境中。本研究中使用的渗滤液在接种微藻之前进行了特性分析。初始浓度指的是尚未添加Scenedesmus属之前的原始渗滤液浓度，而最终浓度指的是添加后的渗滤液浓度。
垃圾填埋场渗滤液的特性分析及处理
表1展示了原始和处理后的垃圾填埋场渗滤液的物理化学特性。通过监测pH值、化学需氧量（COD）、葡萄糖含量、氨氮（Nessler）、磷含量和选定的重金属等关键参数来评估处理效果。了解这些变化有助于了解Scenedesmus在生物修复过程中的能力及其在改善渗滤液质量中的作用。pH值为9.20，
结论
本研究展示了使用Scenedesmus和Saccharomyces cerevisiae结合生态修复与生物乙醇生产的潜力。垃圾填埋场渗滤液被用作微藻生长的替代培养基，实现了57.35%的化学需氧量（COD）去除率、99.25%的磷去除率和94.12%的铵氮去除率。这些发现表明Scenedesmus能够在废水培养条件下生长
CRediT作者贡献声明
Charles Ng Wai Chun：撰写–审稿与编辑、撰写–初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。Sofia Mazlan：验证、研究、数据分析。Siti Nurul Halifah Mohd Sani：验证、研究、数据分析。Ramizah Kamaludin：撰写–审稿与编辑、资源管理、方法学、概念化。Mahmod Sidati Ali Abobaker：撰写–审稿与编辑、资源管理、方法学、概念化。Mohd Rafatullah：
资金支持
本项目得到了马来西亚菠萝产业委员会（MPIB）和马来西亚农业与食品安全部的支持，通过研究项目“用菠萝废弃物生产鸡饲料：利用菠萝产业废弃物开发可持续农业的益生菌鸡饲料”（项目编号：R504-KR-GAL006-0000001652-L140）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文所述工作的财务或非财务利益冲突。
Charles Ng Wai Chun|Sofia Mazlan|Siti Nurul Halifah Mohd Sani|Ramizah Kamaludin|Mahmod Sidati Ali Abobaker|Mohd Rafatullah|Yusuf Wibisono|Husnul Azan Tajarudin
