沙丁鱼鳞片作为废弃源载体固定藻–真菌生物膜处理渔业废水：Gracilaria–Aspergillus niger联合体的高效生物修复

《Processes》：Algal–Fungal Biofilms on Sardine Scale Supports for Fishery Effluent Bioremediation

　　

渔业废水通常具有高有机负荷和高营养盐负荷，需要基于可持续策略的管理规划。本研究评估了在移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）中分别采用天然载体（沙丁鱼鳞片）或合成载体（Kaldnes K3）固定的藻–真菌生物质的处理效率。研究考察了多种单培养物和混合菌群对渔业工业产生废水的处理效果。Gracilaria–Aspergillus niger联合体表现出最高的处理性能：在24 h内记录到化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和五日生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand over 5 days，BOD₅）接近完全去除，同时总氮（Total Nitrogen，TN）、亚硝酸盐（NO₂^?）、镉（Cd）和铅（Pb）浓度显著降低。在K3载体上处理72 h后，上述四项参数的去除效率达到约90%或更高。在所测试实验条件下，沙丁鱼鳞片生物膜床的性能与Kaldnes K3相当，支持其作为废弃物衍生生物膜载体在循环经济框架下的潜力。动力学建模采用单指数模型（mono-exponential models）描述污染物去除，拟合速率常数随处理配置和污染物不同而变化。

一、研究背景与问题。渔业废水常含高浓度有机物、悬浮固体、氮磷化合物及痕量重金属；摩洛哥沙丁鱼加工产生大量固体副产物和液体废水，其中头、尾、骨、内脏等占全鱼重量40%以上，鳞片约占2%。这些固液副产物尚未得到有效解决，但具备循环经济再利用潜力。化学和物理处理可能带来二次化学污染，生物处理因操作简单、可处理复杂废水而受到关注。MBBR（移动床生物膜反应器，Moving Bed Biofilm Reactor）具有耐有机和水力负荷波动、沉降管理简化、运行灵活及有机物和氮去除效率较高等优势。藻类可同化过量营养盐并固定重金属，真菌可降解有机物，但单独除氮尤其是铵盐和硝酸盐能力常不足；藻–真菌混合菌群可能互补。沙丁鱼鳞片主要由羟基磷灰石和胶原组成，可作为鱼加工副产物衍生的天然生物膜载体。因此，研究人员比较生物组成、处理时长和载体类型对污染物去除的影响，并检验沙丁鱼鳞片能否替代Kaldnes K3。

二、研究开展与意义。研究人员在非灭菌条件下运行10 L MBBR，以天然沙丁鱼鳞片（SS）或合成Kaldnes K3为载体，比较Aspergillus niger、Gracilaria sp.、Arthrospira platensis、Tetraselmis suecica、Scenedesmus obliquus单培养，以及Tetraselmis suecica–Aspergillus niger（TS–AN）和Gracilaria–Aspergillus niger（RMA–AN）联合体，并设未接种对照，监测6、24、48、72 h的污染物去除。结果表明，RMA–AN联合体总体处理性能最高，24 h内COD和BOD₅接近完全去除，TN、NO₂^?、Cd和Pb显著下降；72 h后RMA–AN对TN和NO₂^?去除最高，TS–AN对NO₃^?去除最高，A. niger对TP和TSS去除较强；微藻单培养总体较低。沙丁鱼鳞片与K3在实验条件下性能大致相当，显示其作为废弃物衍生载体的潜力。研究意义在于将鱼加工副产物载体与红藻–真菌联合体结合，为渔业废水补充处理及循环经济提供依据。

关键方法（≤250字）：采用10 L好氧MBBR（溶解氧2 mg/L，机械搅拌），以非灭菌重构渔业废水为基质，比较天然沙丁鱼鳞片（2 g/L）与Kaldnes K3载体；供试生物包括Aspergillus niger 11G323A、Gracilaria sp.（2024年3月采自摩洛哥Mohammedia海岸）、Arthrospira platensis、Tetraselmis suecica、Scenedesmus obliquus及TS–AN、RMA–AN联合体，设未接种对照；6、24、48、72 h采样，测定COD、BOD₅、TN、TP、NO₃^?、NO₂^?、TSS、Cd、Pb，行单指数动力学、Pearson相关、PCA和Bliss分析。

三、研究结果。3.1 接触时间对处理质量的影响：通过比较不同接触时间的去除率，发现所有生物处理随接触时间延长而改善；6–24 h内A. niger单独及RMA–AN对有机物、营养盐、悬浮固体和金属去除较高，微藻初期适应较慢；48–72 h各系统均提高但总体趋势不变，A. niger对加速和稳定去污起关键作用；SP、SO、TS在K3与SS上的去除曲线相近。3.2 COD：通过COD去除动力学分析，RMA–AN最佳，24 h在两载体上达100%，速率常数较高；A. niger单独6 h去除90%、24 h达100%（K3），SS 24 h达95%；TS–AN 72 h约61%；微藻单培养仅25–50%，SP最慢；Gracilaria单独最低，其去除可能主要来自非灭菌本底微生物。3.3 BOD₅：RMA–AN去除最高，K3 24 h达93%、72 h达100%，SS表现相近；A. niger单独动力学更快；TS–AN约64%/63%；微藻25–55%，SP最慢；Gracilaria单独约29.3%/26.2%。3.4 NO₂^?：RMA–AN最高，24 h为75%/71%，72 h为92%/90%；A. niger单独72 h仅37%；TS–AN 72 h约72%；微藻较慢；Gracilaria单独约29%/26%；结果提示无光合产氧者时真菌亚硝酸盐转化受限，K3与SS去除谱大致相当。3.5 NO₃^?：TS–AN去除最高，72 h约88%/87%；RMA–AN约66%/62%；A. niger单独仅约21%/25%且动力学慢；Gracilaria单独最低约21%/19%，提示真菌反硝化在无光合产氧者时受限。3.6 TN：RMA–AN最佳，72 h达90%/87%，约60%总氮去除发生在快速初始阶段，归因于藻类直接同化和真菌氨化，其余通过较慢酶转化途径；TS–AN约47.8%/46.9%；A. niger单独50%/39%；微藻拟合渐近值SP为100%、SO为50%、TS为43%；Gracilaria单独33.7%/29.9%。3.7 TP：微藻单独初期去除低，24 h约10–20%，后期升至36–40%；A. niger单独69–96%，SS载体k更高；RMA–AN由24 h的52%升至72 h的86%（K3），SS由47%至71%；TS–AN约51.8%/49.6%；Gracilaria单独26.0%/22.6%；磷去除似主要由真菌驱动。3.8 重金属：3.8.1 Cd：RMA–AN渐近去除约85%，k约0.1 h^?1；A. niger单独72 h K3去除76%；TS–AN约37%/36%；微藻18.0–23.8%但渐近潜力较高；Gracilaria单独39%/33%，为单培养最高。3.8.2 Pb：RMA–AN 72 h K3去除95%、SS 80%，k约0.054 h^?1；A. niger单独24 h为61%/57%，72 h为77%/72%；TS–AN约37.5%/35.8%；微藻最低；Gracilaria单独53.0%/45.5%，为单培养最高。3.9 TSSs：通过TSS去除监测，A. niger在SS上初期最快，6 h约22%、12 h约50%，SS的k高于K3；RMA–AN 24 h约43%；72 h A. niger单独或加TS最佳，K3上A. niger渐近91%、TS–AN渐近100%；微藻单独18–35%。3.10 统计分析：通过PCA和Pearson相关分析，前两主成分解释91%方差，F1为净化性能梯度，F2区分氮转化与有机物/金属去除；RMA–AN位于多污染物去除相关区域，A. niger与有机物、TP、TSS、Cd、Pb相关较强，TS–AN向氮去除方向偏移，微藻和Gracilaria单独位于不同区域；接触时间与去除率均为正相关但多为弱至中等，TSS相关最强；BOD₅与COD、Cd与Pb、TN与NO₂^?、TP与BOD₅/COD呈强相关。3.11 72 h藻–真菌相互作用的Bliss独立分析：通过Bliss独立模型评估，RMA+AN对氮去除以正交互为主，尤其TN、NO₃^?和NO₂^?，BOD₅和COD因A. niger单独已近完全去除而与Bliss独立相容；TS30%+AN对有机物、TSS、TP和重金属多呈拮抗，NO₃^?在两种载体上为正交互，NO₂^?响应依赖载体；交互类型主要取决于藻类伙伴和靶污染物，载体材料为次要影响。

四、讨论与结论部分总结及结论翻译。讨论指出，RMA–AN的优势来自快速初始生物吸附与较慢胞内积累的联合，指数动力学模式在有机物、营养盐和重金属去除中一致；Pearson相关和PCA进一步区分RMA–AN并连接有机物降解、重金属生物吸附与氮转化。研究结论部分翻译如下：对所有测定参数的综合评估表明，红藻–Aspergillus niger联合体无论使用Kaldnes K3还是沙丁鱼鳞片，在初始24 h内均为最有效处理系统，BOD₅和COD接近完全去除，TN>70%、NO₂^?>75%、Cd>78%、Pb>75%显著下降；72 h后A. niger对TP和TSS去除最高，RMA–AN对TN和NO₂^?去除最高，NO₂^?去除在两种载体上约90%或更高；NO₃^?去除以30% Tetraselmis suecica–A. niger最高，K3约88%、SS约87%，RMA–AN为66%和62%；Tetraselmis、Scenedesmus和Arthrospira platensis单培养处理能力明显较低，说明真菌参与和混合生物膜形成有益。Bliss分析显示RMA–AN氮去除以正交互为主，金属响应依赖载体；30%TS–AN以拮抗为主，但NO₃^?去除在两种载体上为正。动力学表明RMA–AN优势由快速初始生物吸附和较慢胞内积累组成。总体上，沙丁鱼鳞片虽理化与几何性质不同，但在实验条件下与Kaldnes K3处理性能大致相当，支持其作为废弃物衍生替代载体；其与RMA–AN联合可能作为鱼品加工单位补充废水处理步骤，尤其在沿海地区。研究局限包括重构废水限制外推、生物去除/吸附/沉淀作用未独立量化、未直接显微检查生物膜、成本效益未验证；未来需评估真实废水、长期连续运行、载体耐久性、处理成本、环境影响、接种比例优化及更多微藻–A. niger组合。