单丝藻（Monoraphidium sp.）HDMA-20和HDMA-01的协同共培养技术，用于提高生物柴油生产效率及亚麻脱胶废水处理效果

《Biomass and Bioenergy》：Synergistic co-culture of Monoraphidium sp. HDMA-20 and HDMA-01 to improve the efficiency of biodiesel production and flax retting wastewater treatment

亚麻浸渍废水处理与微藻共培养策略研究，采用Monoraphidium sp.菌株HDMA-20和HDMA-01的共培养系统，显著提升生物质积累（1096 mg/L）和脂质产量（30 mg L?1d?1），总氮、总磷去除率达64.21%和77.9%，脂肪酸组成符合生物柴油标准，为可持续能源生产提供新途径。

　　

Xinyi Wang | Meiqi Wang | Boqi Wang | Yimeng Lin | Wenxiang Ping

教育部农业微生物技术工程研究中心、黑龙江省植物遗传工程与生物发酵工程重点实验室（针对寒冷地区）、黑龙江大学生命科学学院微生物学重点实验室，哈尔滨，150080，中国

摘要

亚麻脱胶废水（FRW）因其复杂的成分和高污染物负荷而给处理带来了相当大的挑战。基于FRW的微藻培养能够同时实现污染物的去除（氮/磷）和适合生物柴油生产的生物质的生产，从而大幅降低微藻衍生生物柴油的生产成本。尽管微藻在废水处理和资源回收方面的协同作用受到了关注，但涉及同属微藻（例如Monoraphidium属）在FRW中的具体应用仍研究不足。为了解决这一问题，本研究评估了Monoraphidium HDMA-20和HDMA-01的单一培养及共培养系统在FRW中的处理潜力和生物柴油生产效率。共培养系统的表现显著优于单一培养，其生物质和脂质产量分别为1096 mg/L和30 mg L^-1d^-1。脂肪酸组成符合ASTM D6751和EN 14214标准，且共培养进一步优化了脂质组成，使其更适合用于生物柴油生产。此外，共培养还提高了FRW的处理效率，实现了64.21%（总氮）、54.84%（氨氮）、77.9%（总磷）和31.94%（化学需氧量）的去除率。这一优异的处理效果表明进一步探索这两种菌株之间的生态位分化和代谢互惠关系的重要性。此外，该共培养系统可以同时提高FRW的处理效率和生物柴油原料的生产，为废水的可持续增值提供了一种潜在策略。

引言

亚麻加工中的脱胶过程是纺织工业的重要原料生产步骤，会产生大量高污染且化学成分复杂的亚麻脱胶废水（FRW），这是亚麻纺织行业的主要污染源[1]。FRW是在亚麻浸泡和脱胶过程中产生的，此时亚麻茎的外层组织在水中分解，释放出大量有机物以及氮和磷营养物质，最终形成COD含量高、氮和磷负荷高的废水[2]。如果未经处理直接排放，FRW会造成严重的水污染[3]。目前的主要处理方法依赖于芬顿氧化与颗粒活性炭（GAC）系统的结合[4]。虽然这种方法能快速去除COD且处理时间短，但会产生大量含铁污泥（Fe(OH)₃），需要进一步脱水处理[5]。此外，污泥处理成本较高，且污泥本身可能被归类为危险废物，增加了环境和经济负担。

近年来，微藻作为一种极具前景的第三代生物柴油原料而受到关注[6]。微藻衍生生物柴油具有可再生、可生物降解、安全以及燃烧后易于氧化的特点，有望替代化石燃料[7]。然而，微藻生物柴油的生产成本仍高于传统化石燃料[8]。 在FRW中培养微藻不仅可以降低生物柴油的生产成本，还能利用其中丰富的碳、氮、磷等营养物质积累生物质[9]。这种方法同时也能降低废水中的污染物浓度[10]。先前的研究表明，微藻能有效处理废水，且共培养系统通常比单一培养效果更好。例如，在猪废水中，Chlorella pyrenoidosa FACHB-10和Tetradesmus obliquus FACHB-14的单一培养总磷去除率分别为59.47%和47.15%，而它们的共培养去除率达到了68.60%[11]。值得注意的是，这种协同效应不仅限于不同属的微藻，即使是亲缘关系较近的物种（如Monoraphidium HDMA-20和HDMA-11）在共培养时也能提高生物质和脂质产量。然而，关于同属微藻的共培养研究较少，因此需要进一步筛选同属微藻组合，以提升生物质/脂质产量并改善废水处理效果。

为了解决这一问题，本研究采用同属微藻共培养策略处理FRW，评估其污染物去除效率、生物质积累量及生物柴油生产潜力。研究结果可能为废水处理和水资源回收提供可持续的方法。

部分内容摘要

藻类种类和培养条件

Monoraphidium HDMA-20和Monoraphidium HDMA-01菌株来自中国的成峰湖和东风湖[12,13]。在初始培养阶段，HDMA-20和HDMA-01在含有以下成分的200 mL BG11培养基中生长：Na₂CO₃ (0.02 g/L)、NaNO₃ (1.5 g/L)、MgSO₄?7H₂O (0.075 g/L)、K₂HPO₄?3H₂O (0.04 g/L)、CaCl₂?2H₂O (0.036 g/L)、EDTANa₂ (0.01 g/L)、柠檬酸铁铵 (0.006 g/L)、柠檬酸 (0.006 g/L)、Na₂MoO₄?2H₂O (0.00039 g/L)

结果与讨论

微藻单一培养系统在生物质积累和脂质含量之间存在固有的权衡[16]，这一限制可以通过选定的共培养策略来克服。虽然共培养系统中的种间相互作用会产生不同的结果[17]，但同属组合在同时提高生物质和脂质产量方面显示出特别的优势。先前的研究报道了Monoraphidium HDMA-20和HDMA-11的二元共培养效果

结论

本研究建立了Monoraphidium HDMA-20和HDMA-01在亚麻脱胶废水（FRW）中的共培养系统，以探讨同属微藻菌株之间的协同效应。尽管两种菌株的细胞密度动态存在差异，但共培养系统显著提高了生物质积累量和脂质产量，并产生了符合国际生物柴油标准的脂肪酸，显示出其用于生物柴油生产的潜力。

资助

本研究得到了黑龙江省自然科学基金（LH2024C089）和黑龙江省高校基本科研业务费（2024-KYYWF-0085）的支持。

CRediT作者贡献声明

Xinyi Wang： 形式分析、研究、数据可视化、初稿撰写。 Meiqi Wang： 形式分析、研究。 Boqi Wang： 形式分析。 Yimeng Lin： 构思、资金获取、监督、审稿与编辑。 Wenxiang Ping： 构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。