综述：废水处理中固定化藻菌复合体的挑战

《Current Opinion in Environmental Science & Health》：Challenges of Immobilized Algal–Bacterial Consortia in Wastewater Treatment

　　

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  固定化技术能够提高生物量保留率，同时简化藻菌系统的收获流程。
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  物质传递限制与光衰减是制约该技术大规模应用的关键瓶颈。
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  先进的3D打印技术和复合载体可有效解决结构不稳定问题。
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  藻类与细菌的代谢功能相互补充，有助于在变化的废水条件下更高效地去除营养物质、降解有机物并提升系统稳定性。

引言

随着对氮磷去除要求日益严格以及降低能耗需求的出现，城市污水处理领域正在经历一场变革。尽管传统活性污泥法仍占据主导地位，但其高曝气需求和较低灵活性难以满足新制定的排放标准以及欧盟2024/3019号指令所要求的能源中性目标，该指令是对原有91/271/EEC城市污水处理指令的修订[1]。人们开始探索替代性处理工艺，因此研究方向也逐渐从单一微生物系统转向集成或混合微生物群落，这是因为人们越来越意识到细菌在实际污水处理中的局限性，同时也需要提升系统在真实废水条件下的稳定性和营养物去除效率。

正因如此，微藻-细菌系统因其天然的代谢互补性和较低的能耗，逐渐成为备受关注的可持续生物技术平台用于污水处理。微藻通过光合作用产生氧气，为好氧细菌分解有机物提供条件；而细菌的呼吸作用则能产生二氧化碳，并为微藻生长提供所需养分（见图1）[2]。这种紧密耦合的共生关系不仅有助于高效去除氮、磷及有机污染物，还能实现碳捕获和资源回收，这些都是迈向循环型污水处理体系的重要目标[3]、[4]、[5]、[6]?。除了处理效率之外，降低污染物负荷并提升回用水的安全性，还能减少人们接触废水中有害物质的几率，进而加强公共卫生保护[4]。尽管具有这些优势，传统的悬浮培养系统仍存在诸多运行限制，阻碍了其大规模应用。在水力负荷作用下生物量易被冲走、细胞密度相对较低、对进水质量变化耐受性差，以及收获稀释后的藻类生物量需要大量能量，这些都是其在实际污水处理中应用的主要障碍[7]、[8]。

正是由于这些限制，人们开始更加关注固定化策略，即把微藻和细菌固定在固体基质或工程化载体上。固定化技术能够提高生物量保留率，延长细胞在系统内的停留时间，还能通过保持微生物之间的空间接近性来稳定它们之间的相互作用。将微生物封装在水凝胶中或固定在结构化载体上，可以使其免受有毒物质冲击、pH值波动以及温度变化的影响，而这些正是城市和工业污水中常见的环境因素。更重要的是，固定化技术解决了悬浮系统最棘手的难题之一——生物量收获问题[9]。将微生物浓缩成珠状、膜状或颗粒状，不仅能大大简化后续分离过程，还能让这些生物量被用于生产生物燃料、生物塑料、色素和肥料等产品[10]。

然而，从实验室演示到实际大规模应用之间仍然存在诸多相互关联的挑战。由于珠状结构和生物膜内的扩散限制，会导致氧气、二氧化碳和养分的浓度出现巨大差异，从而限制有效活性生物量的数量。固定化基质中的光衰减现象也会使光合作用仅能在表层进行，进而削弱藻类与细菌之间的代谢协同效应。此外，材料的不稳定性——尤其是天然水凝胶在面对不同的离子和化学环境时的结构降解问题——也是一大障碍。而在工程层面，包括光照分布、流体动力学、载体耐用性以及珠状颗粒制备的可规模化性等问题，依然制约着这类技术在实际操作条件下的可靠应用[6]?、[10]??。

综上所述，固定化的藻菌复合体既代表着一项极具前景的技术机遇，也面临着复杂的工程技术挑战。本综述深入分析了限制其性能的各种主要因素，总结了材料研发、微生物群落构建以及反应器设计方面的最新进展，同时指出了克服这些障碍所需的研究方向。通过阐明生物学、材料学和操作参数之间的相互作用，本综述旨在为开发出高效、稳定且可大规模应用的新一代固定化污水处理系统提供支持。

章节要点

固定化策略

固定化藻菌复合体已成为解决传统悬浮培养系统在污水处理中存在缺陷的关键策略，它能够提高生物量保留率、增强工艺稳定性并提升操作效率。目前已有多种不同的固定化方法被开发出来，每种方法都依赖于不同的材料、机制和载体结构，这些因素都会影响微生物之间的相互作用以及处理效果（见表1）。

主要的运行限制

固定化的藻菌复合体在实际运行过程中会面临一系列复杂的限制因素，这些因素共同制约了其性能，尤其是在真实的 wastewater环境中。这些限制源于各种基本的物理、化学和生物相互作用，而当微生物被限制在水凝胶、载体或颗粒结构中时，这些相互作用会被进一步放大（见表2）。了解这些瓶颈对于优化系统设计并实现规模化应用至关重要。

新兴解决方案

要在污水处理中成功应用固定化的藻菌复合体，就需要采取多学科综合策略，来解决物质传递限制、基质稳定性问题、微生物动态变化、光照条件不足以及操作条件不稳定等难题。最近的一些研究提出了多种优化系统性能和可规模化程度的方法（见表2）。

结论

固定化的藻菌复合体有望成为下一代污水处理技术的有力选择，它兼具更高的生物量保留率、更稳定的代谢相互作用以及更简化的后续处理流程。不过，目前大多数相关研究仍处于实验室阶段且时间较短，而缺乏在真实废水环境中的验证数据、长期稳定性研究结果、可大规模生产的载体以及相关的技术经济评估，这些都仍在阻碍该技术走向工业化应用。因此，未来的研究应当

作者贡献

概念构思：PS；资金获取：PS；实验研究：NS、CM；项目管理：PS；总体监督：PS；数据可视化：NS、CM；初稿撰写：NS、CM；论文审阅与修改：NS、CM、PS。

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

资金来源

本研究得到了欧盟欧洲研究执行局（REA）的资助，项目编号为NAMOR PN 101182365。需要说明的是，本文所表达的观点仅代表作者个人立场，不一定反映欧盟或REA的意见，欧盟和REA均不对此负责。

利益声明

? 作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

Petros Samaras表示其研究获得了欧洲研究执行局的财政支持。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Nikoletta Solomakou|Christos Manolis|Petros Samaras