连续运行及不同光照条件下碳包覆铁纳米颗粒在藻菌开放光生物反应器中对病毒削减与大肠杆菌灭活的作用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Algal-bacterial open photobioreactors for viral reduction and E. coli inactivation in wastewater: role of nanoparticles under continuous operation at different light regimes

　　

碳包覆铁纳米颗粒（carbon-coated iron nanoparticles, NPs）提升了光生物反应器的性能。该系统去除了初始总有机碳（total organic carbon, TOC）和总氮（total nitrogen, TN）浓度的90%和87%。PhiX174、MS2和Phi6的削减率分别达到99.6%、99.94%和99.9993%。大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）的灭活率达到99.93%。微藻群落中Trebouxiophyceae和Chlorophyceae为主要纲类。

论文解读：不同光照连续运行下纳米颗粒对藻菌开放光生物反应器病毒削减与大肠杆菌灭活的作用

全球水资源短缺与水污染是二十一世纪面临的重大挑战。约42%的全球家庭废水未经充分处理即排放，导致病原微生物进入清洁水体，引发肝炎、霍乱等水传播疾病。传统活性污泥法结合化学消毒或紫外线照射虽可去除病原体，但存在有毒副产物生成、运行成本高、对部分病原体效果有限等缺陷。高速率微藻氧化塘（high-rate algal ponds, HRAP）因藻菌互作可同步去除碳、氮、磷及新兴污染物，被视为可持续废水处理技术。然而，现有研究多集中于大肠菌群衰减，对病毒削减的认识十分有限。此外，批次实验表明碳包覆铁纳米颗粒（iron nanoparticles, NPs）可增强微藻产氧及病毒灭活，但其在连续运行条件下的作用尚未明确。因此，研究人员在连续运行的开放光生物反应器中，评估了不同光照强度下三种噬菌体（PhiX174、MS2、Phi6）与大肠杆菌（E. coli）的削减情况，并考察碳包覆铁NPs的强化潜力。

研究人员以基于BG-11培养基配制的合成市政污水（synthetic wastewater, SWW）为进水，接种小球藻（Chlorella vulgaris SAG 211-11b）和取自Valladolid污水处理厂二次沉淀池的活性污泥，在4天水力停留时间（hydraulic retention time, HRT）下连续运行开放光生物反应器40天。实验分为三个阶段：S1为无病原体的高光驯化期，S2为高光加病原体期，S3为低光加病原体期，同时设置有无NPs补充的对照体系。主要结论为：系统对TOC和TN的去除率分别达90%和87%；PhiX174、MS2、Phi6和E. coli的削减率分别达99.6%、99.94%、99.9993%和99.93%。NPs补充显著提升了TOC去除率（提升至90%）及RNA噬菌体MS2和Phi6的削减，但对PhiX174无显著影响；低光条件降低了生物量积累与TN去除。结果表明，藻菌开放光生物反应器是一种可持续废水处理平台，能同步实现有机物、营养物和病原体的高效去除，有望减少对后续化学消毒的依赖。

关键技术方法方面，研究人员构建了开放光生物反应器系统，采用PVC圆柱容器，工作体积3 L，以白光LED提供高光（1600 μmol m^?2 s^?1）或低光（800 μmol m^?2 s^?1）条件；使用由橄榄加工废料和铁盐水热碳化制备的碳包覆铁NPs（含Fe 6.39 wt%、C 61 wt%、O 28.68 wt%）。病原体检测采用双层琼脂法计数噬菌斑形成单位（plaque forming units, PFU），并用含氨苄青霉素的琼脂平板计数E. coli菌落形成单位（colony forming units, CFU）。微生物群落结构通过Illumina NovaSeq平台对16S rRNA V4-V5区和18S rRNA V9区进行测序分析。统计采用线性混合模型，评估处理、时间及光照与NPs的交互效应。

研究结果方面，3.1环境参数显示：两个反应器的OD₆₀₀在S1指数增长后稳定于约4.10，量子产率（quantum yield, Qy）保持在0.70左右；S3低光下两者显著下降至3.50和0.65。NPs补充对Qy无独立影响，但光照与NPs交互显著影响pH和溶解氧浓度，说明NPs的作用依赖光照条件。3.2碳和氮去除表明：TOC去除率始终高于80%，NPs补充使其从82%±3%显著提升至90%±2%；IC去除率在S1为45%–55%，后期出现负值，源于细菌矿化与微藻同化的碳平衡失衡；TN去除率在HL下为84%–93%，LL下为76%–90%，NPs无显著影响，低光下因生物量下降而降低。3.3病毒/细菌削减显示：PhiX174削减最低，HL和LL下分别为2.46和2.00 log₁₀，NPs无显著增强；MS2受光照和NPs显著影响，有NPs时HL和LL下分别为3.27和2.79 log₁₀；Phi6削减最高，有NPs时HL和LL下分别达5.18和4.09 log₁₀；E. coli灭活在NPs补充下于HL和LL分别达3.10和3.00 log₁₀。对Phi6而言，光照和NPs表现为独立加性效应，无协同或拮抗。3.4微生物群落分析表明：HL条件下细菌以Alphaproteobacteria为主（53%），LL下蓝细菌丰度升至34%；微藻群落中Trebouxiophyceae占52%–55%，Chlorophyceae占44%–47%，HL下Micractinium和未鉴定Trebouxiophyceae占优，LL下Hindakia和Desmodesmus丰度发生变化，反映光照与运行时间对群落结构的影响。

讨论部分指出，藻菌系统虽未实现完全消毒，但显著降低了后续化学消毒的负荷。从定量微生物风险评估（quantitative microbial risk assessment, QMRA）角度看，约3个log₁₀的细菌和病毒削减可使感染概率分别降低约50倍和2000倍，有助于满足欧盟废水回用法规EU 2020/741的要求。研究结论翻译如下：本研究表明，补充碳包覆铁NPs的藻菌系统在先进市政污水处理方面具有潜力。连续运行的开放光生物反应器实现了TOC和TN去除效率分别高达82%和87%（注：摘要列为90%和87%），并表现出强大的病原体削减性能，对PhiX174、MS2、Phi6和E. coli的削减分别达到99.6%、99.6%、99.998%（注：摘要中Phi6为99.9993%，MS2为99.94%）和99.93%。NPs补充进一步将TOC去除效率提升至90%，并改善了RNA病毒的削减，其中MS2和Phi6分别达99.94%和99.9993%，但对PhiX174的削减无显著作用。总体而言，藻菌系统是一种可持续平台，可同步实现高碳氮去除和显著病原体削减，有助于减少传统消毒工艺依赖，推动更具韧性与资源效率的废水处理策略发展。但需使用真实市政废水进一步验证其性能。