《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Duckweed–Red Light System for Phosphate Removal and Recovery from Low Phosphate Polluted Water Coupled with Nutrient-Rich Biomass Production
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摘要富营养化仍然是一个全球性的重大挑战，尤其是藻类大量繁殖可能发生在非常低的无机磷酸盐（Pi）浓度下。然而，有效去除和回收低浓度Pi-P在技术上仍具有挑战性。为了确定适合低Pi水处理的植物材料，我们首先筛选了五种具有不同内源性Pi-P状态的浮萍菌株。其中，Lemna minor
摘要
富营养化仍然是一个全球性的重大挑战，尤其是藻类大量繁殖可能发生在非常低的无机磷酸盐（Pi）浓度下。然而，有效去除和回收低浓度Pi-P在技术上仍具有挑战性。为了确定适合低Pi水处理的植物材料，我们首先筛选了五种具有不同内源性Pi-P状态的浮萍菌株。其中，Lemna minor 0258（Lm0258）的内源性Pi-P ≤ 0.2 mg/g鲜重，显示出最高的Pi-P去除能力，并被选用于后续实验。基于这种选定的材料，我们开发了一种使用红光的浮萍-红光（DRL）系统，平均光合光子通量密度约为110 μmol m?2 s?1。在实验室条件下，DRL系统将Pi-P从约0.4 mg/L降低到约0.01 mg/L，去除率达到97.65%，其中98.14%的P被回收在收获的浮萍生物量中，处理能力为333.12 L m?2 d?1。在野外条件下，Pi-P从约0.35 mg/L降低到约0.08 mg/L，去除率为76.65%，56.23%的P被回收，处理能力为178.71 L m?2 d?1。实验室和野外的生物量产率分别为8.49 g/m?2 d?1和7.19 g/m?2 d?1。红光处理与Pi饥饿响应基因和淀粉生物合成基因的表达增加相关，并提高了相关酶的活性。DRL系统能够在去除Pi-P的同时支持P的回收以及产生富含淀粉和蛋白质的浮萍生物量。需要进一步评估其在季节性和水质变化条件下的长期稳定性和实用性。
引言
富营养化是一个全球性的环境问题，控制磷（P）被认为是最有效的缓解策略[1]。然而，有效的P控制仍然具有挑战性，因为防止藻类大量繁殖需要将P浓度降低到0.1 mg/L以下的阈值[2]。特别是，无机磷酸盐（Pi）是藻类最直接可利用的P形式[3]。实现如此严格的Pi-P控制目标会导致处理成本迅速上升[4]，这凸显了需要高效且成本效益高的Pi-P特异性去除策略的迫切性。同时，还应考虑被去除P的命运。尽管P的去除对于控制富营养化至关重要，但P也是一种有限的农业资源，主要来源于磷矿石[5][6]。将去除的P保留在可回收的生物量或其他可回收形式中可以减少二次P的释放，并有助于循环利用P。因此，优先考虑高效去除低浓度P同时实现P保留的策略是非常理想的。
目前用于低浓度P去除和回收的策略主要包括化学沉淀、吸附、膜分离和生物富集。化学沉淀对于富含P的废水有效，因为它可以将溶解的磷酸盐转化为不溶性沉淀物，但在低P条件下，其效率和经济效益会因沉淀驱动力弱、试剂需求增加和污泥生成而下降[7]。吸附能够在低浓度下实现高效的磷酸盐捕获，但其实际性能通常受到工作容量有限、竞争离子、再生要求和脱附风险的限制[8]。基于膜的过程可以保留或浓缩废水中的磷酸盐，但其实际应用通常受到膜污染、高能耗和浓缩物处理挑战的限制[9]。因此，成本较低且环境可持续性更强的生物富集策略通常更受青睐[10]。尽管已经探索了先进的微生物基系统，但其有效性仍受环境敏感性、碳依赖性和P回收率有限的限制[11][12][13][14][15][16]。光合生物，包括藻类和水生植物，可以通过生物量积累来回收P[17][18]。与藻类相比，水生植物通常更容易收获和管理，使其在P去除和回收方面更为实用[17]。水生植物是自养的且易于管理，因此适用于P去除和回收，但许多物种富含木质纤维素的生物量经常被忽视，这限制了下游利用[19]。因此，仍迫切需要能够实现有效P去除和回收以及生成适合实际资源利用的营养丰富生物量的技术。
浮萍（Lemnaceae）在全球范围内分布广泛，具有生长迅速、易于收获、木质素含量低以及蛋白质和淀粉含量高的特点，这些特点长期以来支持了其在水生生态系统管理中的应用和潜力[20][21]。值得注意的是，浮萍的高P含量支持通过生物量收获实现高效的P回收[17]，而其高P利用效率（PUE）确保了在低Pi-P条件下的稳定生长和持续Pi-P吸收[22]。这些互补的特点支持浮萍适用于低Pi-P水净化和P回收。尽管浮萍能够从低Pi-P水中去除Pi-P，但通常需要较长的处理时间[23]。这可能与选用的菌株不理想以及在低Pi-P条件下对Pi-P状态的评估不足有关。此外，许多基于浮萍的处理研究是在静态、批次或半连续条件下进行的[24][25][26]，其中有限的水流可能会减少浮萍与水中Pi-P的接触。先前的研究表明，光质可以显著影响浮萍的生物量产量和蛋白质产量[27]。然而，不同光谱对基于浮萍的低Pi-P系统中Pi-P去除、P回收和生物量质量的影响尚不清楚。
因此，本研究的主要目的是开发一种基于浮萍的策略，以实现从低Pi-P水中快速深度去除Pi-P和回收P。为此，我们比较了具有不同内源性Pi-P状态的浮萍菌株，然后评估了静态和连续流动处理模式的效果，并进一步研究了不同光谱和红光比例对Pi-P去除、P回收和生物量质量的影响。基于观察到的红光的优势，构建并在实验室和野外条件下进行了小规模实验，以评估其实际应用性。本研究突显了浮萍在解决低Pi-P水中深度去除Pi-P的同时实现基于收获的P回收和增值生物量生产的潜力。
章节片段
浮萍材料与预处理
本研究使用的五种浮萍菌株来自中国科学院成都生物研究所的浮萍资源库，包括Spirodela intermedia 8410（Si8410）、Landoltia punctata 0202（Lp0202）、Lemna gibba DWC132（LgDWC132）、Lemna minor 8695（Lm8695）和Lemna minor 0258（Lm0258）。所选的浮萍菌株代表了具有记录高淀粉产量、可用参考基因组或初步证据表明相对高P积累的物种
浮萍内源性Pi-P状态对Pi-P去除的影响
在浮萍处理早期观察到了Pi-P的释放[23]。此外，需要较长的处理时间才能完全去除Pi-P。这些观察结果表明，浮萍中过量的内源性Pi-P可能会限制后续的Pi-P去除。为了测试这种可能性，通过预培养准备了具有高内源性Pi-P（HPi）和低内源性Pi-P（LPi）状态的浮萍材料，然后用于测试它们在低Pi-P水中的Pi-P去除性能。
结论
本研究介绍了一种基于浮萍和红光的（DRL）系统，作为从低Pi-P水中深度去除Pi-P和回收P的策略。Lm0258的表现优异，其内源性Pi-P ≤ 0.2 mg/g鲜重，表明浮萍的生理Pi-P状态是Pi吸收能力的关键决定因素。基于这种优化的材料，DRL系统在实验室和野外条件下都能实现深度Pi-P去除，将出水Pi-P分别降至约0.01 mg/L和约0.08 mg/L
CRediT作者贡献声明
杨芳：写作——审稿与编辑、资源、研究。易卓琳：写作——审稿与编辑、概念化。金彦琳：写作——审稿与编辑、监督、方法学。何凯泽：写作——审稿与编辑、项目管理。高宇：研究、正式分析。肖金兰：写作——审稿与编辑、方法学。赵蕾怡：写作——审稿与编辑。赵海：写作——审稿与编辑、监督、资源、方法学、经费获取
致谢
本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB1290000 & XDB1290103）；四川省科技计划（2024ZDZX0052）；国家水生生物资源中心（NABRC）；中国科学院生物资源项目（KFJ-BRP-008）的支持。
Cuicui Wei|Zhubin Hu|Yongqiang Liu|Leyi Zhao|Jinlan Xiao|Yu Gao|Kaize He|Yanlin Jin|Zhuolin Yi|Yang Fang|Wenjun Xiao|Xinbo Jian|Yonggui Zhao|Hai Zhao
中国农业微生物剂重点实验室，中国科学院成都生物研究所，中国成都610213
