光合驱动修复：因素优化的小球藻反应器构建酚类污染物降解微生物网络

《Process Safety and Environmental Protection》：Photosynthetically Driven Remediation: Factor-Optimized Chlorella Reactor Fosters a Degradative Microbial Network for Phenolic Contaminants

　　

摘要

富含毒性且持久性酚类化合物（如2,4-二甲基苯酚（2,4-DMP））的工业废水处理代表了亟需高效可持续解决方案的关键环境挑战。本研究系统评估了光周期、初始藻密度和光照强度对基于小球藻反应器性能的影响。最优条件（24 h:0 h 光:暗，OD???为0.4，4500 lux）使反应器在48 小时内完全降解130 mg/L 2,4-DMP，COD和NH??N去除率分别达到77.9%和59.9%（72 小时）。高通量测序（16S和18S rDNA）揭示了动态的微生物群落，其中小球藻作为光合核心，细菌（Comamonas和Pseudoxanthomonas）辅助中间降解和维生素交换，原生动物（Colpodida）进行群落调控。脱氮遵循部分硝化-藻类同化途径，97.5%的去除NH??N被小球藻直接同化。3D-EEM和EPS分析证实了酚类化合物的转化，并揭示了胁迫诱导的胞外多糖分泌。本研究为利用藻-菌-原生动物联合体处理难降解废水提供了优化运行参数和机制框架。

引言

在今天的全球社会中，能源结构正转向绿色低碳经济，对工业废水的可持续管理日益受到关注。在各种工业废水中，含有酚类化合物的废水已成为重大的环境问题（Zhu等人，2022）。这些化合物，特别是2,4-DMP，毒性高且难降解，给废水处理带来严重挑战。它是一种常见的烷基取代酚，经常出现在工业废水中。与其他酚类化合物一样，2,4-DMP由于其π共轭环结构而具有高毒性和难降解性，该结构提供了化学稳定性和对传统处理方法的抗性（Zheng等人，2021）。它在水中的存在会对水生生物造成急性和慢性毒性，并通过皮肤接触、吸入或摄入对人类健康构成风险，导致黏膜刺激和潜在的系统性影响。此外，此类废水中常见的污染物NH₃-N如不有效去除，会导致水体富营养化。因此，去除包括2,4-DMP在内的酚类污染物仍然是实现环境可持续性的关键技术挑战（Yang等人，2025）。

含酚废水的复杂化学性质阻碍了单一生物过程的有效处理。目前，厌氧-好氧联合（A/O）工艺是实践中使用的主要生化处理方法（Shaw等人，2002）。厌氧过程增强废水的可生化性，促进COD和NH₃-N等污染物的去除。Shi等人（Shi等人，2020）证明，装载300 mg/L酚类化合物、150 mg/L氮杂卡宾（NHCs）和100 mg/L多环芳烃（PAHs）的三个反应器，厌氧水解在化学废水资源回收方面比厌氧产甲烷和产氢更有效。

微藻在废水处理中发挥关键作用，是生物处理研究的关键焦点。通过光合作用和呼吸作用，它们去除废水中的有机物，将其转化为生物质和代谢产物（Yang等人，2024b）。它们吸收氮和磷，将其转化为蛋白质、核酸和其他成分，从而实现营养去除。此外，微藻吸附重金属离子并利用胞内酶降解它们（Manikandan等人，2022）。产生的生物质可用于生物肥料和生物能源生产，实现资源回收。Chlorella（小球藻）因其快速生长和高环境适应性而成为研究热点（Dai和Wang，2024）。

Chlorella（小球藻）是一种富含蛋白质、脂质和维生素的单细胞绿藻（Wang等人，2024）。它以其处理污染物和产生高附加值生物质的能力而著称，为生物经济做出贡献。在废水处理中，Chlorella（小球藻）有效去除氮、磷等营养物以及重金属离子。研究表明，Chlorella（小球藻）与异养微生物之间存在协同效应，细菌联合体在去除生化需氧量（BOD）、COD和氮方面比真菌联合体表现出更高的处理效率（Fawzy等人，2022）。Katiyar等人（Katiyar等人，2021）发现，在废水培养条件下，Chlorella（小球藻）比对照组具有更高的生长速率、脂质含量和生物量生产力，以及更好的COD去除率。Chen等人（Chen等人，2023）比较了四种Chlorella（小球藻）在不同光暗比下的反硝化性能、氮代谢酶活性和抗氧化反应，得出结论：将光周期从8 L:16D延长到16 L:8D范围内可促进Chlorella（小球藻）叶绿素合成。

尽管已对使用微藻反应器的生物废水修复进行了广泛研究（Han等人，2022），但这些反应器在实际场景中的处理效果仍受多种协同因素影响，特别是环境条件等关键外部参数尚未得到系统性彻底研究。此外，含酚废水处理中的生物质转化仍处于发展阶段。为弥补这些差距，本研究系统探索了三个关键环境因素的影响。本研究分析了光暗比、藻细胞密度和光照强度的影响，同时保持进水污染物浓度恒定。主要研究内容包括：(1) 评估不同光暗比、藻密度和光照强度下的反应器效率；(2) 研究最优条件下的2,4-DMP降解率和NH₃-N去除率；(3) 利用三维荧光定性分析（3D-EEM）阐明反应器内酚类降解情况并测量胞内和胞外有机物；(4) 使用16S rDNA和18S rDNA高通量测序表征最优条件下的微生物群落结构；(5) 评估细菌与微藻之间的协同机制。

章节片段

实验设置

每个反应器由一个1 L烧杯和六联搅拌器组成。烧杯上方安装有可调光带，烧杯放置在配备恒温加热器的亚克力水槽中，以保持温度稳定，不受环境条件影响。每次实验运行采用单批次投料。

小球藻菌株和模拟废水

实验中使用的小球藻菌株购自武汉丰天生物科技有限公司。其浓度为每[单位]1000万单位

不同光暗比下2,4-DMP的降解

如图1a所示，光暗比显著影响小球藻降解2,4-DMP的效率。在连续光照（24 L:0D）条件下，2,4-DMP的降解呈指数加速：24 小时内降解率达到8.4%（122.87→112.53 mg/L），36 小时急剧上升至39.4%，48 小时达到76.0%，最终在60 小时实现完全降解。相比之下，其他光暗循环下的降解率明显滞后，12

结论

本研究调查了不同运行条件下基于小球藻反应器中酚类污染物的降解情况。在24 L:0D、OD???为0.4和4500 lux条件下实现最佳性能，48 小时内完全降解130 mg/L 2,4-DMP，72 小时COD和NH??N去除率分别达到77.9%和59.9%。2,4-DMP完全消失与COD最终稳定之间的滞后，以及PN/PS动态变化，表明残留COD主要由酚类组成

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石景新：原创草稿撰写、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、概念构思。付雅楠：审阅与编辑、原创草稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理。黄维良：原创草稿撰写、可视化、验证、监督、资源、方法论，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

本研究由江苏省自然科学基金（项目编号BK20230427）资助。

付雅楠|黄维良|石景新