《Journal of Environmental Management》：A gradual dosing of anaerobically digested effluent for cost-effective cultivation of
Arthrospira platensis MUR 126
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厌氧消化出水（ADEs）是替代Zarrouk培养基培养钝顶节旋藻（*Arthrospira platensis*）的一种有前景的低成本选择，但其应用受到高浊度和氨毒性的限制。本研究考察了一种周期性投加策略，即以厌氧消化出水（ADE）中的氨态氮替代Zarro
厌氧消化出水（ADEs）是替代Zarrouk培养基培养钝顶节旋藻（*Arthrospira platensis*）的一种有前景的低成本选择，但其应用受到高浊度和氨毒性的限制。本研究考察了一种周期性投加策略，即以厌氧消化出水（ADE）中的氨态氮替代Zarrouk培养基所提供氮量的20%、40%、60%和80%，同时其余Zarrouk营养盐按比例相应减少。所有处理均以相当于20%氮替代量的原ADE启动培养，随后每两天补加一次，直至达到目标氮替代水平。平均生物质产量（灰分自由干重，AFDW）的顺序为：40% ADE = 20% ADE > 60% ADE = Zarrouk培养基 > 80% ADE。其中40%原ADE处理表现最佳，生物质生产率为0.358 ± 0.01 g L?1 d?1，最大比生长速率（μmax）为0.311 ± 0.03 d?1。各处理的生物质组成均以蛋白质为主，其中40%原ADE处理的蛋白质含量最高（约67% AFDW），而色素（叶绿素a和藻蓝蛋白）产量以Zarrouk培养基最高。氮（硝酸盐+氨态氮）的去除效率在各处理间均较高（72–100%），而磷酸盐去除率为19–49%。总体而言，逐步投加策略有效缓解了ADE浊度和氨毒性的不利影响，使钝顶节旋藻能够稳健生长并生产富含蛋白质的生物质，适用于动物及水产养殖饲料以及食品补充剂应用。
## 论文解读
### 一、研究背景与问题
农业产业，尤其是乳制品行业，每年产生超过20亿立方米的废水。这些废水若处理不当，因其高有机负荷和营养盐含量将对环境造成显著影响。厌氧消化（AD）被广泛用于有机废弃物处理，因其能有效稳定有机物、减少温室气体排放并产生沼气形式的可再生能源。然而，厌氧消化过程会产生大量富含无机营养盐、悬浮固体和微生物污染物的出水，在排放或回用前需进一步处理。
鉴于其营养丰富的组成，厌氧消化出水（ADE）可作为微藻培养的宝贵资源。微藻能高效同化无机营养盐，同时产生具有食品、饲料、生物燃料和生物制品应用潜力的生物质。因此，将微藻培养与ADE处理相结合，作为一种同时解决废水修复和生物质生产的循环经济方法，已引起广泛关注。
在众多具有废水处理潜力的微藻物种中，钝顶节旋藻（*Arthrospira platensis*）因其在多个领域的广泛应用而备受关注。然而，高昂的生产成本，尤其是化学培养基的费用，阻碍了其商业规模的开发。常用于培养钝顶节旋藻的Zarrouk培养基每升需约2.5–3.0克硝酸盐，在工业规模上成本高昂且不可持续。研究表明，当钝顶节旋藻用于生物塑料生产时，Zarrouk培养基占总运营支出（OPEX）的41%。
尽管利用ADE培养钝顶节旋藻和其他微藻物种具有潜力，但这些出水特征的可变性显著影响此类应用的可行性和成功率。其中突出的特征包括污染物浓度，特别是总氨氮（TAN），以及色度、浊度和总悬浮固体（TSS）。这些参数严重影响微藻生长，通常需要预处理步骤来营造更适宜的培养基。例如，许多ADE中的TAN浓度超过4000 mg L?1，高于大多数微藻物种的耐受阈值。同样，ADE典型的高浊度和深色会阻碍光穿透，从而降低光合效率并抑制微藻生长。为应对这些挑战，常采用混凝/过滤或淡水稀释等预处理策略，但这些方法成本高且可能改变营养组成，导致营养失衡或不足以支持微藻最佳生长。
### 二、研究目的与策略
本研究旨在评估一种逐步增量投加策略，将厌氧消化出水（ADE）作为Zarrouk培养基的部分替代物用于钝顶节旋藻MUR 126的培养。该方法以低浓度ADE启动培养，随后随培养进程周期性补加新鲜出水，直至达到目标ADE浓度。这种逐步引入方式预期可减轻出水特征（如高色度和浊度）的不利影响，从而最大限度减少大量稀释的需求，并保持必需营养素的适宜浓度。
本研究所用的原ADE颜色极深、浊度高、悬浮固体含量大，需进行预处理。尽管混凝/过滤可产生较清澈的出水，但这些过程成本高、产生大量污泥，且未能充分降低TAN水平，同时显著消耗磷酸盐浓度。相反，为实现充分光穿透而进行的稀释则需要大量淡水输入，导致营养浓度低于最佳阈值（氮<20 mg L?1，磷<0.2 mg L?1），不足以维持微藻的稳健生长。为克服这些挑战，研究人员实施了逐步投加方法作为替代策略，能够在保持有利生长条件的同时，用未经处理的浑浊乳制品ADE部分替代Zarrouk培养基。
### 三、主要关键技术方法
研究人员从澳大利亚巴拉瑞特附近的一家厌氧消化厂获取原ADE，该厂处理200头奶牛的粪便浆料（水力停留时间22天）。实验设置四种处理，分别以原ADE中的氨态氮替代Zarrouk培养基氮量的20%、40%、60%和80%，同时其他主要营养素按比例减少。所有处理初始仅加入相当于20%氮替代量的原ADE，随后每两天补加一次直至达到目标水平。培养周期为15天，温度25°C，光照强度150 ± 15 μmol m?2 s?1（光合有效辐射PAR），12/12小时光暗周期。采用灰分自由干重（AFDW）法测定生物质产量，计算生物质生产率和最大比生长速率（μmax），并估算最大理论生产率（Pmax）。利用叶绿素荧光仪测定有效量子产量（F'q/F'm）评估光合性能。采用Lowry法测定总蛋白含量，冷丙酮提取法测定叶绿素，分光光度法测定藻蓝蛋白。使用多参数光度计监测氨态氮、硝酸盐和磷酸盐浓度变化以评估营养去除效率。通过氨-铵平衡方程估算游离氨（FA）浓度。数据采用单因素方差分析（ANOVA）进行统计检验。
### 四、研究结果
#### 4.1 钝顶节旋藻生长动力学测定
所有原ADE浓度下均观察到相似的钝顶节旋藻生长模式，表现为从培养开始即快速稳健生长，第9天达到峰值，随后急剧下降，其中60%原ADE处理的下降低最为显著。相比之下，Zarrouk培养基中的培养物生长较慢，但在整个监测期内保持稳定增长而无下降。平均生物质产量顺序为：40%原ADE = 20%原ADE > 60%原ADE = Zarrouk培养基 > 80%原ADE。40%原ADE处理的生物质生产率最高（0.36 ± 0.01 g L?1 d?1），而Zarrouk培养基最低。最大比生长速率和最大理论生产率也呈现相同趋势，40%原ADE处理最高（μmax为0.31 d?1，Pmax为1.01 g L?1 d?1）。所有ADE处理在第3天达到μmax，而Zarrouk培养基在第9天才达到。第9天后的生长下降可能归因于必需营养素（尤其是氮和磷）的耗竭。60%原ADE处理的产量较低可能与游离氨毒性（NH?-N超过200 mg L?1）以及悬浮颗粒物干扰光穿透有关。
#### 4.2 生化组成及其生产率
色素（叶绿素a和藻蓝蛋白）生产在各处理间呈现相似趋势。Zarrouk培养基的色素生产率最高（Chla为8.1 mg L?1 d?1，藻蓝蛋白为46.1 mg L?1 d?1），其次为20%原ADE处理。最大色素产量在Zarrouk培养基中获得，叶绿素a达2.76% AFDW，藻蓝蛋白达13.43% AFDW。蛋白质生产率与生物质积累密切相关，20%和40%原ADE处理分别达到74.2和73.1 mg L?1 d?1。最高蛋白质含量（以AFDW百分比计）出现在40%和60%原ADE处理中（分别为66.3%和67.3%）。所有处理中蛋白质是主要生化组分，40%原ADE处理的蛋白质含量约67% AFDW，处于已报道的钝顶节旋藻在各类废水中培养的蛋白质含量范围（24-68%）的上限。
#### 4.3 光合性能评估
钝顶节旋藻在整个培养期间在所有原ADE浓度下维持F'q/F'm值在0.3至0.48之间，表明细胞在各处理中均保持活力。然而，60%原ADE培养在第6天后该值降至0.3以下，表明细胞在该条件下经历了持续胁迫。40%和60%原ADE处理在第3天F'q/F'm最初下降，可能归因于第2天补加新鲜ADE引起的应激，但60%处理在第四次补加后持续下降。
#### 4.4 营养去除效率评估
钝顶节旋藻表现出较强的营养去除性能，至第15天各处理氨态氮（除60%处理为72%外）和硝酸盐的去除率均达约100%。磷酸盐去除率相对较低，第15天为26-49%。时间过程趋势显示第0-3天所有营养盐快速吸收，随后至第9天去除速度放缓，之后营养水平趋于稳定，60%处理中磷酸盐水平略有上升，可能来自生物质的解吸或释放。较低的初始氨态氮浓度（<200 mg L?1）下实现了近完全的氨态氮去除（20%和40%处理分别为99.6%和98.5%），而初始浓度超过200 mg L?1时去除率显著下降。硝酸盐在各处理中均被约100%去除，表明钝顶节旋藻优先吸收硝酸盐。磷酸盐去除主要通过生物吸收途径，但高pH（高达11）也可能促进化学沉淀。
### 五、研究意义与讨论
本研究验证了逐步投加策略在钝顶节旋藻培养中缓解浊度和游离氨毒性不利影响的有效性。该策略通过维持低水平的剧毒游离氨（尽管pH升高，FA仍低于40 mg L?1），使藻类能够在升高的氨态氮浓度（>200 mg L?1）下稳健生长，并获得最高生物质产量（137 mg L?1）。由此产生的生物质富含色素和蛋白质，可作为动物及水产养殖饲料或食品营养补充剂的宝贵原料。
逐步投加策略消除了对昂贵预处理步骤的需求，仅需少量淡水稀释，代表了利用原ADE同时实现高效营养回收和生物质生产的实用且潜在成本有效的替代方案。该策略基于营养浓度而非培养体积，可便捷地适应于较大规模培养系统。然而，大规模实施可能需要自动化投加系统和充分混合以确保ADE均匀分布。
### 六、研究结论
本研究评估了周期性投加策略在部分替代Zarrouk培养基与原ADE方面的有效性，以缓解浊度和氨毒性，同时促进钝顶节旋藻的高效生长。用廉价丰富的ADE替代昂贵的化学营养素，是应对钝顶节旋藻高日营养需求（尤其是氮）的必要之举。周期性投加策略通过维持低水平的剧毒游离氨（尽管pH升高），有效缓解了这些限制，使藻类在升高的氨态氮浓度（>200 mg L?1）下稳健生长并获得最大生物质产量（137 mg L?1）。所得生物质富含色素和蛋白质，可作为动物及水产养殖饲料或食品营养补充剂。每两天投加一次在本研究中表现有效。对于大规模、长期培养，将间隔延长至三至四天可进一步降低浊度和潜在毒性，同时维持一致的营养供给。该策略可实现原ADE的大规模利用用于螺旋藻培养，确保原ADE的高效可持续处理，同时产生具有经济价值的螺旋藻生物质。通过降低生产成本，有望使螺旋藻产品更加经济实惠且具有商业吸引力。未来研究应重点在室外中试和大规模培养条件下验证该策略，包括评估多培养周期中的长期稳定性、钝顶节旋藻对重复ADE暴露的潜在适应性，并进行综合技术经济评估以确定其与常规废水预处理工艺相比的可扩展性和成本效益。
