《Bioresource Technology》：Microalgae–bacteria photobioreactor (MBPR) based bioremediation of coking wastewater under carbon neutralization background: performance and toxicity evaluation, response metabolism and life cycle assessment (LCA)
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微藻-细菌光生物反应器（MBPR）在处理高浓度焦化废水时展现出显著协同效应，COD去除率达52%，氰化物去除率高达90%，较单一微生物系统提升多个数量级。研究表明，微藻与细菌通过EPS分泌、电子传递及光合色素增强实现污染物协同降解，其中变形菌门、拟杆菌门和绿藻属为关键功能菌群，其转录调控机制与代谢通路优化是提升处理效能的核心。生命周期评估证实MBPR系统可减少73%二氧化碳排放，为碳中和背景下的工业废水处理提供了高效且环保的技术路径。
安学蛟|高乐乐|胡万军|裴瑞|文杰豪|郭柳华|张庆华
江西农业大学生物科学与生物技术学院，南昌 330045，中国
摘要
微藻-细菌光生物反应器（MBPRs）是工业废水处理的有前景的系统。然而，它们在碳中和背景下处理工业废水的有效性尚未确定。本研究评估了基于微藻-细菌相互作用系统的焦化废水处理性能。在高污染负荷下，MBPR系统的化学需氧量（COD）去除效率（52%）和硫氰酸盐去除效率（90%）均优于单一细菌系统（分别为12%和3%）。这归因于胞外聚合物（EPS）的增加、电子传递系统活性的提高以及光合色素水平的提升。共现网络分析揭示了微藻和细菌之间的协同作用，通过上调光合作用、电子传递和中心代谢途径中的关键酶，促进了氮和有机物的去除。此外，生命周期评估（LCA）结果显示，使用MBPR可减少73%的二氧化碳排放。本研究同时为工业废水处理和温室气体减排提供了高效且可行的技术路径。
引言
焦化废水是一种存在于各种钢铁生产设施中的工业废水。作为焦化废水中的主要无机污染物，硫氰酸盐是一种含有硫、氮和碳的化合物，具有高毒性（Raper等人，2019年）。尽管硫氰酸盐的毒性相对于氰化物降低了七倍，但其环境持久性显著增加。因此，在其释放到环境中之前高效降解含有硫氰酸盐的废水至关重要，但这也极具挑战性。传统工艺可以有效地去除污染物，但存在能耗高、资源回收率低以及相关二次污染等问题，这些因素阻碍了资源效率和低碳目标的发展（Awasthi等人，2023年）。因此，废水处理行业必须从简单的污染控制转向协同的碳减排和污染缓解，这需要开发能够结合高效污染物去除和碳减排能力的绿色技术（图1）。
微生物技术被广泛用于废水处理（An等人，2025年）。在这些技术中，利用微藻进行修复技术被认为是一种安全、环保且成功的方法（Rodrigues等人，2020年；Yuan等人，2025年；Qu等人，2021年）。目前，关于利用微藻处理焦化废水的研究较少。这些研究主要集中在低污染负荷下去除焦化废水中的酚类、氰化物、COD或氨氮，并评估生产大分子或生物燃料的潜力（Hassan等人，2019年；Rai等人，2021年；Rai等人，2022年；Ryu等人，2017年；Sun等人，2024年；Wang等人，2022年）。在使用该技术处理焦化废水时，通常需要大量稀释废水以防止NH4+抑制微藻生长，尽管微藻具有很高的氮去除能力。此外，复杂的高负荷污染物组成也会抑制微藻活性。多项研究表明，微藻-细菌光生物反应器（MBPR）系统在碳固定、高效废水处理和环境适应性方面优于纯微藻或纯细菌系统。微藻和细菌之间的能量和营养物交换、信号转导以及基因传递在形成稳定的关联中起着关键作用，从而提高了污染物去除效率（Zhang等人，2021年）。Nguyen等人（2021年）采用微藻-细菌系统处理海鲜废水排放物，发现在水力停留时间（HRT）为14天时，细菌和微藻污泥形成良好，悬浮固体和营养物的总体去除率分别为93%和88%。Nagabalaji等人（2023年）全面分析了细菌-微藻接种浓度对制革废水有机污染物-营养物共生处理的影响，从而有助于制革废水处理。目前，尚未研究在高污染负荷下使用MBPR处理焦化废水的情况。此外，也没有系统地比较纯降解细菌系统和微藻-细菌系统在污染物去除效率、微生物群落结构差异和响应机制方面的差异。尽管已有大量关于利用微藻进行废水处理的生命周期评估研究（Nagarajan等人，2022年；Srimongkol等人，2022年；Abdelfattah等人，2023年），但关于微藻-细菌处理废水（尤其是焦化废水）的环境可行性研究尚未报道。
基于这些问题，我们的目标是：（1）研究微藻-细菌在高污染负荷焦化废水中对典型污染物的去除能力和生理响应；（2）利用高通量测序技术通过靶向16S rDNA和18S rDNA来研究微生物群落结构，揭示这些关键功能微生物之间的协同机制以及微藻接种后细菌的共现网络；（3）进行转录组测序以揭示微藻-细菌在去除典型污染物方面的增强机制；（4）解决焦化废水处理的可持续性问题，并通过预先进行的生命周期评估（LCA）评估环境影响。
MBPR的配置和操作
实际使用的焦化废水来自中国江西的一个焦化废水处理厂。根据预处理后废水的特性，确定硫氰酸盐（SCN?）是主要的COD成分。人工配制的废水中含有2 g/L的COD、0.3 g/L的TN、0.95 g/L的S2O32?、0.008 g/L的CN–和1 g/L的MgSO4，以减少实验过程中的额外变异性，pH值调整为6.5。由于实际焦化废水中的硫氰酸盐浓度...
废水处理性能
在整个实验过程中，R2的pH值低于R1（见补充材料），这可以归因于微藻接种后溶解氧（DO）水平的升高（R1：2.13 ± 0.16 mg/L；R2：3.89 ± 0.21 mg/L）。较高的DO浓度促进了硝化细菌的活性，因为在R2中硝化过程中pH值通常会降低。在较长的水力停留时间（HRT）和逐渐增加的硫氰酸盐浓度下，R2中的硫氰酸盐去除效率...
结论
R2中较高的EPS含量有助于微生物更好地适应高污染负荷环境。毒理学测试表明，R2能够有效降低焦化废水的毒性。Proteobacteria、Bacteroidota和Chlorella在R2中大量富集，并被确定为污染物去除的主要驱动因素，建立了积极的细菌-微藻共存互动关系。
未引用的参考文献
APHA（美国公共卫生协会），2012年；Chen等人，2025年；Vetterli等人，2015年。
CRediT作者贡献声明
安学蛟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件应用，研究设计，资金获取，概念构思。
高乐乐：软件应用。
胡万军：软件应用。
裴瑞：软件应用。
文杰豪：软件应用。
郭柳华：软件应用。
张庆华：监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：32160027、32360030）、江西省高层次和高技能人才培训项目、江西省自然科学基金（编号：20212ACB205003）以及大学生创新创业计划（编号：G20241041026）的支持。
