《Algal Research》：Sequential microalgae–duckweed cultivation using dry pig manure-derived extract: nutrient removal, stoichiometric shifts, and biomass production
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本研究考察了以干燥猪固体粪源水提物作为营养源，进行微藻与浮萍序批培养的可行性。微藻在鼓泡柱光生物反应器（PBR）中分别于混合营养和异养条件下培养，所得上清液随后用于浮萍培养。离心处理改善了提取物的光学品质，同时保留了高浓度营养盐，使微藻无需预先厌氧消化即可高效
本研究考察了以干燥猪固体粪源水提物作为营养源，进行微藻与浮萍序批培养的可行性。微藻在鼓泡柱光生物反应器（PBR）中分别于混合营养和异养条件下培养，所得上清液随后用于浮萍培养。离心处理改善了提取物的光学品质，同时保留了高浓度营养盐，使微藻无需预先厌氧消化即可高效生长。Chlorella sp. MC18与Scenedesmus sp. MJ23-R在30%（v/v）离心猪粪提取物（CPW）下表现最佳，更高浓度则显著抑制生长。微藻培养实现了可观的生物量生产以及对铵态氮、磷酸盐和有机物的有效去除，同时引起出水化学计量的显著变化。微藻上清液的摩尔N/P比主要由藻种而非营养模式决定。Scenedesmus产生富氮出水，而Chlorella产生更均衡的营养谱。这些化学计量变化显著影响了后续Lemna minor抛光阶段的性能。该序批工艺增强了营养回收，产生了在肥料、生物刺激素和生物能源方面具有潜在应用价值的生物量，并产出适合农业回用的出水，尽管盐度可能限制其直接排入低盐水体。未来工作应聚焦于非无菌验证、营养质量平衡、生物量表征、安全性评估、能量与经济评价以及工艺放大。
研究背景方面，集约化养猪产生大量粪污，未经妥善处理会造成氮磷淋溶、水体富营养化和温室气体排放。猪粪固体组分经干燥稳定后仍保留部分水溶性氮磷，可通过水提方式释放，但以往研究多关注液体粪污、粪源废水或消化液作为微藻和浮萍的营养源，对干燥固体粪分水提营养物的利用关注有限。微藻与浮萍序批培养可能进一步提升营养利用效率，因微藻可同化部分营养，剩余营养可供后续浮萍生长，从而通过两类互补生物量实现营养回收并减少额外营养投入。基于此，研究人员探究了以干燥猪固体粪水提物作为营养源进行微藻与浮萍序批培养的可行性，评估将稳定化猪粪营养回收与序批生物量生产相结合的潜力。
研究人员开展了微藻（Chlorella sp. MC18与Scenedesmus sp. MJ23-R）在1 L鼓泡柱光生物反应器中不同CPW比例（10%–50%，v/v）及异养、混合营养条件下的批次培养，确定30%（v/v）为维持生长的上限浓度，并在4 L鼓泡柱中用30% CPW进行微藻培养，随后将上清液转入4 L平行六面体光生物反应器培养Lemna minor L. MO23。结果表明，微藻培养实现较高生物量生产及对铵态氮、磷酸盐和有机物的有效去除，并引起出水化学计量显著变化；N/P比主要由藻种决定，Scenedesmus产生富氮出水，Chlorella产生更均衡营养谱；这些变化显著影响浮萍抛光阶段性能。该序批工艺增强了营养回收，产生具肥料、生物刺激素和生物能源潜力的生物量，并产出适合农业回用的出水。其重要意义在于证明了干燥固体猪粪无需预先厌氧消化即可作为微藻-浮萍序批培养的营养源，为猪粪资源化提供了替代路径。
关键技术方法方面，研究采用干燥猪固体粪经空气干燥后按1:10（w/w）与水混合、匀质、1 mm筛过滤制得HPW，再经离心（15,025×g，10 min，4 °C）获得CPW作为营养源；以1 L鼓泡柱光生物反应器进行不同CPW浓度的耐受与批次培养，以4 L鼓泡柱光生物反应器（PBR-1）进行微藻培养、以4 L平行六面体光生物反应器（PBR-2）进行浮萍序批培养；采用修正Gompertz模型拟合生长动力学并计算生物量产率、最大生物量生产力和最大比生长速率；营养去除效率按初始与终浓度差计算；生物量生化组成测定碳水化合物、蛋白质、脂质及光合色素；采用双因素方差分析（ANOVA）及Tukey HSD检验评价营养模式与藻种效应。样本队列来源为秘鲁阿雷基帕省Alto Selva Alegre区El Gran Chaparral当地养猪场的猪粪固体组分。
研究结果方面，3.1 干燥猪粪水提物及其离心组分的理化表征：通过理化分析表明，离心显著降低浊度（约96%）、总悬浮固体（TSS，约87%）和A570（约94%），提高光透过性；CPW氮以铵态氮为主（占总氮89.6%），有机氮占10.4%，硝酸盐和亚硝酸盐贡献极小；COD和BOD5在离心后仍高甚至略升；CPW摩尔N/P比约11:1，处于微藻均衡生长所需范围；高铵态氮负荷及培养中pH升高带来的游离氨风险需耐受藻株或调控。3.2 微藻对CPW的耐受性：通过1 L鼓泡柱10天批次培养表明，两种微藻在CPW高于30%（v/v）时不能存活或生长差且形态异常，30%为持续生长上限；10%–30% CPW培养可测得生长，但无清晰指数期，首24 h增长迅速并呈延长线性滞后期，第7天进入稳定期；10% CPW在第9天后明显下降；20%与30% CPW生长表现相近，因30%营养含量更高而选其用于后续实验。3.3 序批两阶段光生物反应器培养（微藻后接浮萍）：通过4 L鼓泡柱中30% CPW异养与混合营养培养并用修正Gompertz模型拟合表明，R2均高于0.9，λ均低于0.3天；μmax显著受藻种影响（p=0.0015），Chlorella均值（1.505 day?1）较Scenedesmus高约32%，营养模式影响不显著；A显著受营养模式影响（p=0.0001），混合营养均值（4.19）较异养高约8%；PBmax受营养模式和藻种显著影响（p=0.0002和p=0.0003），混合营养高于异养（113.4与86.2 mg L?1 d?1），Chlorella高于Scenedesmus（112.6与87.0 mg L?1 d?1）；Chlorella混合营养下PBmax最高约129 mg L?1 d?1。通过培养前后上清液组成比较表明，BOD5去除率65%–87%，COD去除率59%–77%，ALGA对二者显著而NM不显著，且存在显著ALGA×NM交互；Norg去除率66.1%–96.5%，N–NH3去除率55.6%–73.3%，PO43?去除率82.6%–91.1%，均表现显著ALGA×NM交互，异养Chlorella的N–NH3去除最高（73.3%）；磷酸盐去除在各处理中均较高（82.6%–91.1%），提示 luxury phosphorus uptake；微藻处理使TPW摩尔N/P比由30% CPW的8.2升高，Scenedesmus（37.22）高于Chlorella（18.97），NM及交互不显著；培养使pH由7.2升至约8.6–8.8，异养与混合营养均如此；硫酸盐、氯化物、钾去除有限（≤30%），硝酸盐和亚硝酸盐未积累。通过浮萍阶段（PBR-2）表明，COD由1505–2675 mg L?1降至118–782 mg L?1，BOD5由505–1413 mg L?1降至71–356 mg L?1，额外去除约50%–90%残留可降解有机物；N–NH3降至2.4–21.5 mg L?1，相对初始CPW总去除超过95%；磷酸盐降至4.5–20.4 mg L?1，累积去除接近95%–99%；电导率仍较高（3469–4630 μS cm?1）；出水pH、温度、TSS、铵态氮、硝酸盐和亚硝酸盐符合秘鲁、哥伦比亚及美国EPA部分排放限值，有机物指标达一般排放标准但高于最严格限值，电导率和钾较高限制低盐受纳水体排放但不妨碍农业回用。通过浮萍鲜生物量生产力比较表明，SC–Ht为0.1906±0.0262、SC–Mx为0.1567±0.0385、CH–Mx为0.1045±0.0148、CH–Ht为0.0745±0.0240 g FW day?1 dm?2，藻种显著影响（p=0.0007），Scenedesmus来源出水调整均值（0.174）高于Chlorella（0.090），培养模式及交互不显著。通过化学计量变化分析表明，N/P比由CPW的8.2升至Chlorella来源TPW的16.9–17.3和Scenedesmus来源TPW的35.6–39.9；浮萍处理后Chlorella来源出水N/P比降至2.1–5.4，Scenedesmus来源维持21.1–32.3，提示浮萍阶段营养去除受上游微藻阶段形成的化学条件调控。3.4 微藻生物量生化组成：通过生化分析表明，碳水化合物27%–40%干重，异养Scenedesmus最高（40.3±4.7%），混合营养Scenedesmus最低（27.2±2.6%）；蛋白质26%–49%干重，混合营养Scenedesmus最高（49.0±5.1%），异养Chlorella为32.9±3.9%；脂质混合营养Chlorella最高（25.0±2.7%），异养Chlorella为18.1±2.0%，异养Scenedesmus为13.7±1.5%；总叶绿素1.5%–3.3%、类胡萝卜素约1%干重，混合营养略高；混合营养生物量生产较高但碳水化合物含量较低，提示碳分配差异；混合营养Scenedesmus蛋白质升高与有机氮去除改善一致，混合营养Chlorella脂质积累增加但N–NH3、PO43?、COD和BOD5去除低于异养。基于粪源基质，微藻和浮萍生物量受动物副产物相关法规限制，仅适于非食品非饲料应用，如有机肥料、土壤改良剂、植物生物刺激素、厌氧消化共基质及色素、多糖等技术应用。
讨论部分总结：离心改善光学品质但保留高营养浓度，CPW高铵态氮及培养诱导pH升高带来游离氨毒性风险，且可能存在未测定的兽药抗生素或重金属；与文献中经厌氧消化等预处理的猪场废水研究不宜直接比较。异养条件营养去除最高而混合营养生物量生产较高，表明生物量生产与营养去除并非直接成正比。序批系统出水适合受控排放或农业回用，但需额外抛光以满足最严格国际标准；上游藻种选择较营养模式对浮萍性能和最终N/P平衡影响更强，序批系统可作为无外部营养补充的营养调配策略。研究结论翻译：本工作证明了通过以粪源水提物为培养基的微藻-浮萍序批系统对干燥固体猪粪进行资源化的可行性。离心改善了光学品质同时保留高营养浓度，使微藻无需预先厌氧消化即可高效生长。Chlorella sp. MC18与Scenedesmus sp. MJ23-R在30%（v/v）CPW下表现最佳，更高浓度引起明显生长抑制。微藻培养实现了可观生物量生产及对铵态氮、磷酸盐和有机物的有效去除，同时诱导出水化学计量显著变化。微藻上清液的摩尔N/P比主要由藻种而非营养模式决定。Scenedesmus产生富氮出水，而Chlorella产生更均衡的营养谱。这些化学计量变化显著影响Lemna minor在抛光阶段的性能。该序批工艺增强了营养回收并产生在肥料、生物刺激素和生物能源方面具有潜在应用价值的生物量，同时产出适合农业回用的出水，尽管盐度可能限制其直接排入低盐水体。未来工作应聚焦于非无菌验证、营养质量平衡、生物量表征、安全性评估、能量与经济评价以及工艺放大，而后再进行工业或农业应用。
