生活污水培养的Desmodesmus sp.在光诱导脂质增强用于生物柴油生产与生物修复中的研究

《Frontiers in Chemical Engineering》：Light-induced lipid enhancement in domestic wastewater-grown Desmodesmus sp. for biodiesel production and bioremediation

　　

利用微藻处理生活污水已成为传统污水处理技术的一种有前景的替代方案，因其可同时产生可用于生产高附加值生物产品（包括生物柴油）的有价值生物质。本研究将本地分离的微藻Desmodesmus sp. UOM-DS01培养于斯里兰卡莫拉图瓦大学食堂收集的生活污水中，以明确其生物修复潜力，同时评估在光胁迫下脂质积累用于生物柴油生产的可行性。据此，采用75%食堂污水（CWW）与添加三倍标准硝酸盐浓度的Bold's Basal Medium（3N-BBM）作为培养基。Desmodesmus sp. UOM-DS01在CWW中培养获得0.65±0.03 g/L生物质浓度，与3N-BBM中的0.54±0.02 g/L相当，同时减少79.19%淡水消耗。此外，该系统实现化学需氧量（COD）、总氮（TN）和总磷（TP）去除效率分别为75.83±2.10%、47.69±3.89%和38.00±3.93%，证明Desmodesmus sp. UOM-DS01具有同步生物修复与生物质生产的能力。光胁迫培养（450 μmol光子/m2/s）将脂质积累从0.31±0.02 g/L提升至0.53±0.01 g/L，所提取脂质的估算生物柴油性质符合ASTM D6751-12与EN标准。尽管如此，在大规模实施同步生物修复与生物柴油生产前，仍需进一步优化培养参数并开展基于CWW的中试研究，以推进可持续资源回收与可再生能源生产。

研究背景方面，全球人口增长与资源密集型经济发展使水资源短缺成为关键挑战，联合国预测到2050年约57%全球人口将面临严重缺水，生活污水含复杂有机无机污染物，直排会引发富营养化与公共卫生风险，2022年全球约42%生活污水未安全处理。传统物理化学生物法能耗高、成本高且产低值污泥，微藻光合效率高、CO₂固定能力为陆生植物10–50倍，可在非耕地培养，能从污水回收氮磷（TN去除22%–100%，TP去除20%–98%），生物质含20%–60%脂质，脂质产率可达油料作物15–300倍，但合成培养基成本制约规模化，生活污水作培养基可降本节水。Desmodesmus sp.生长速率1.53细胞倍增/天，饱和脂肪酸C16–C18占比高适合作生物柴油原料，已有研究涉工业废水修复，但本地株用于生活污水修复与光胁迫产油研究缺失，故研究人员开展本研究。论文发表于《Frontiers in Chemical Engineering》。

关键技术方法上，研究人员从斯里兰卡科伦坡Beira湖分离Desmodesmus sp. UOM-DS01，经23S rRNA基因PCR与BLAST鉴定；取莫拉图瓦大学食堂污水经0.45 μm过滤，以75% CWW与3N-BBM为培养基，在2 L光生物反应器（150 μmol光子/m²/s，12:12 h光暗，25℃）预培养至稳态后施450 μmol光子/m²/s光胁迫3天诱脂质积累；生物质经离心干燥后，用改良Bligh-Dyer法提总脂质、苯酚硫酸法测碳水化合物，GC-FID（DB-23柱）分析FAME（脂肪酸甲酯）剖面，依FAME用经验公式估生物柴油碘值、运动黏度、密度、皂化值、十六烷值、氧化稳定性，并用APHA标准法测COD/TN/TP计算去除率，实验重复n=2以均值±SEM表示，Student t检验判显著（p<0.05）。

研究结果如下。3.1节生长：CWW与3N-BBM中生物质达0.65±0.03与0.54±0.02 g/L（p>0.05），CWW中略高疑因混养同化可降解有机碳，75% CWW淡水耗0.39 L/g生物质，较3N-BBM的1.85 L/g降79.19%。3.2节营养去除：CWW中COD从576降至139.2 mg O₂/L（去75.83±2.10%），TN从13降至6.8 mg/L（去47.69±3.89%），TP从4.5降至2.79 mg/L（去38.00±3.93%）；COD去率高于文献多数值，TN/TP去率低于离子态氮磷报道，因CWW含胶体有机氮磷降解慢且部分结合蛋白磷脂难利用。3.3节生化组成：光胁迫后CWW中脂质0.31±0.06升至0.53±0.01 g/L（p<0.05），碳水化合物由0.45±0.01降至0.32±0.01 g/L（p<0.05）示储存碳水动员；3N-BBM中碳水反之由0.10±0.01升至0.28±0.01 g/L。3.4节FAME：CWW下棕榈酸C16:0占25.49±2.58%、十七酸C17:0占24.09±1.97%、油酸C18:1占10.39±1.00%、硬脂酸C18:0占9.75±0.16%，饱和脂肪酸为主，与3N-BBM剖面无显著差异（p>0.05），C16–C18主导利生物柴油。3.5节生物柴油性质：CWW与3N-BBM的FAME碘值21.66±1.96与27.84±2.97（<120 EN限），密度均0.87 g/cm³（EN 0.86–0.90），十六烷值62.71±2.46与62.87±2.07（>47 ASTM，>51 EN），氧化稳定性18.75±1.43与12.26±1.14 h（>3 ASTM，>8 EN），皂化值256.44±22.10与239.08±14.11（<500 ASTM），运动黏度1.31与1.35 mm²/s低于标准需优化，其余合规。

讨论部分指出，CWW作培养基节水79.19%且生物质相当，同步去COD/TN/TP并诱光胁迫脂质增至0.53 g/L，FAME性质合ASTM D6751-12与EN 14214；但TN/TP去率受CWW有机氮磷形态限制，运动黏度偏低需工艺修正；大规模前需技术经济评估（TEA）与生命周期评估（LCA）量化节水、能耗、光胁迫电耗与残藻制肥/生物刺激素等生物精炼收益。

结论部分翻译：本研究证明Desmodesmus sp. UOM-DS01可从CWW回收营养，COD、TN、TP去除率75.83±2.10%、47.69±3.89%、38.00±3.93%；CWW培养较3N-BBM节水79.19%；光胁迫下脂质由0.31±0.02升至0.53±0.01 g/L；估算生物柴油性质符合ASTM D6751-12与EN标准；大规模实施前需优化培养参数并做TEA与LCA评估。