1 引言(Introduction)

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人類醫(yī)用抗生素及個(gè)人醫(yī)療衛(wèi)生用品的濫用，富含氮磷、重金屬及抗生素的污水不斷產(chǎn)生，最終排入污水處理廠.富含這幾類污染物的污水利用傳統(tǒng)的生物處理工藝較難處理.有研究報(bào)道微藻在利用空氣中CO2進(jìn)行光合作用時(shí)，能夠同時(shí)去除N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、BOD、重金屬、病原體等污染物，微藻技術(shù)已經(jīng)成為有毒污染物處理的關(guān)鍵技術(shù)之一.污水中存在大量的微生物群落，它們能夠與微藻相互作用，促進(jìn)污水的生物處理.利用菌藻共生系統(tǒng)中藻類的光合作用和微生物的代謝及呼吸作用能協(xié)同降解污水中的有機(jī)物，并能實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷及抗生素、重金屬的去除.20世紀(jì)50年代末，Oswald等報(bào)道了氧化塘中藻菌共生和藻類光合放氧等現(xiàn)象，提出了利用高效藻類塘處理污水的新工藝，隨后許多學(xué)者對(duì)菌藻共生系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究利用菌藻共生系統(tǒng)處理銅、鈣污水，去除效率分別達(dá)到80%、100%采用菌藻共生系統(tǒng)處理磺胺甲惡唑、三氯生污水，處理效率分別達(dá)到32%、74%采用菌藻共生系統(tǒng)處理處理高氨氮濃度的養(yǎng)豬污水，N、P的去除效率分別達(dá)到82.7%、58.0%.在利用藻類處理污水的技術(shù)中，菌藻共生系統(tǒng)具有較強(qiáng)的凈化優(yōu)勢(shì)，但菌藻之間的關(guān)系較為復(fù)雜，研究菌藻共生系統(tǒng)的構(gòu)建及其在污水中的應(yīng)用較有意義.因此，本文主要綜述了菌藻之間的相互作用關(guān)系及污水處理中微藻的選擇，著重介紹了菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理以及在污水中的應(yīng)用.

　　2 菌藻之間的相互作用關(guān)系(Interactions between bacteria and algae)

　　微藻與細(xì)菌之間的相互作用較為復(fù)雜，作用形式多種多樣.既包括相互利用代謝產(chǎn)物的互利共生關(guān)系，也包括對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng)和抑制關(guān)系，菌藻之間的相互作用關(guān)系如圖 1所示.

　　圖 1 菌藻之間作用關(guān)系示意圖

　　2.1 互利共生關(guān)系

　　通常細(xì)菌和微藻的互利共生關(guān)系是建立在兩者在代謝功能上的互補(bǔ)基礎(chǔ)上，主要表現(xiàn)為對(duì)氧氣和代謝產(chǎn)物的釋放和吸收利用上.微藻通過光合作用產(chǎn)生氧氣，作為好氧細(xì)菌呼吸降解污染物的電子受體去除污染物，同時(shí)細(xì)菌呼吸產(chǎn)生的二氧化碳也能供微藻進(jìn)行光合作用.在物質(zhì)代謝方面，在富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，微藻通過光合作用吸收利用氮磷等元素合成自身物質(zhì)，同時(shí)向環(huán)境中釋放有機(jī)物，微藻細(xì)胞分解也是溶解性有機(jī)碳的重要來源而細(xì)菌能夠利用氧氣分解微藻產(chǎn)生的分泌物及死亡的藻細(xì)胞，產(chǎn)生的分解產(chǎn)物反過來被微藻吸收利用.細(xì)菌和微藻在增殖過程中，會(huì)向環(huán)境中分泌一些酶物質(zhì)，如脂肪酶、磷酸酶、硫酸醋酶、葡萄糖昔酶、乳糖昔酶等，這些酶能夠?qū)⒋蠓肿游镔|(zhì)如多糖、蛋白質(zhì)水解成小分子物質(zhì)，從而被細(xì)菌和微藻吸收利用.研究表明與微藻的純培養(yǎng)相比，菌藻系統(tǒng)能夠提高微藻的產(chǎn)量.在自然環(huán)境中，微藻能夠與微生物相互作用，為細(xì)菌提供棲息地避免不良環(huán)境的影響，同時(shí), 細(xì)菌能產(chǎn)生生長(zhǎng)因子促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，使菌藻系統(tǒng)能夠回收部分能源,并且菌、藻產(chǎn)生代謝產(chǎn)物也能被微生物和微藻相互利用，從而減少額外投加能源物質(zhì)的費(fèi)用.在研究藻類微環(huán)境時(shí)，沒有投加任何補(bǔ)充物，發(fā)現(xiàn)微藻環(huán)境中有大量溶解性有機(jī)碳，可促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng).

　　2.2 相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系

　　細(xì)菌和微藻在增殖過程中都會(huì)吸收利用環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷等，如果環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能夠滿足細(xì)菌和微藻共同生長(zhǎng)需要時(shí)，細(xì)菌和微藻就會(huì)產(chǎn)生對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互競(jìng)爭(zhēng).同時(shí)，在黑暗環(huán)境中微藻的呼吸作用也會(huì)吸收環(huán)境中的氧氣，從而與細(xì)菌產(chǎn)生對(duì)氧氣的競(jìng)爭(zhēng).有研究表明菌藻系統(tǒng)中，當(dāng)環(huán)境中磷酸鹽含量較低時(shí)，細(xì)菌對(duì)磷酸鹽的利用效率比微藻對(duì)磷酸鹽的利用效率更高.此外，微藻能夠產(chǎn)生抑制細(xì)菌生長(zhǎng)或毒害細(xì)菌的廣譜或特殊抗生物活性物質(zhì)——藻毒素，1944年首次從小球藻(Chlorella sp.)中分離到有抑菌活性的小球藻素.微藻產(chǎn)生的一些胞外分泌物，如溶解態(tài)的氨基酸、抗生素類物質(zhì)可能對(duì)細(xì)菌和病原菌也可產(chǎn)生抑制或毒害作用.某些細(xì)菌可釋放細(xì)菌毒素抑制藻細(xì)胞生長(zhǎng)，甚至裂解藻細(xì)胞，表現(xiàn)出殺藻效應(yīng).細(xì)菌與藻細(xì)胞直接接觸，釋放可溶解纖維素酶溶解藻細(xì)胞的細(xì)胞壁，然后溶解整個(gè)藻細(xì)胞，粘細(xì)菌是最早被報(bào)道和報(bào)道較多的溶藻細(xì)菌.細(xì)菌在生長(zhǎng)過程中可能釋放特異性或非特異性化感物質(zhì)，這些化感物質(zhì)可通過阻斷呼吸鏈、抑制細(xì)胞壁合成等抑制藻細(xì)胞的生長(zhǎng)，甚至溶解藻細(xì)胞.這些化感物質(zhì)包括多肽類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、生物堿、抗生素、色素等.菌藻對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)改變生物群落組成.同時(shí)，由于光合作用引起pH上升對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生危害.3 污水處理中微藻種類的選擇(Selection of microalgae for wastewater treatment)

　　污水中存在大量的細(xì)菌群落，菌藻之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，因此如何利用菌藻之間的互利共生關(guān)系較好的構(gòu)建菌藻系統(tǒng)是將其系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理的前提之一.目前，微藻在污水處理中的應(yīng)用主要有兩個(gè)目的：其一是利用微藻來凈化污水，去除污染物，節(jié)約能源，此時(shí)，選擇微藻應(yīng)綜合考慮微藻對(duì)污水中可能存在的污染物(如高氨氮、重金屬離子、毒性化合物等)的耐受能力，從高氧氣產(chǎn)生速率，高二氧化碳捕獲能力，強(qiáng)勁的生長(zhǎng)特性方面選擇微藻來提高其對(duì)環(huán)境變化的耐受力;此外，可用污水來培養(yǎng)微藻，收獲的微藻作為生物質(zhì)能源解決能源危機(jī)，減少微藻培養(yǎng)過程中的物質(zhì)(N、P和水等)消耗，考慮選擇的微藻應(yīng)有較高的生長(zhǎng)速率，高的油脂含量和產(chǎn)率，以便后續(xù)收獲微藻作為生物質(zhì)能源.針對(duì)不同的生活污水和工業(yè)廢水，表 1列舉了污水處理中常用的微藻種類.

　　表 1 污水處理中常用的微藻種類 　　

　　在眾多的微藻中，常用于污水處理的微藻種類大部分屬于光合自養(yǎng)型單細(xì)胞綠藻，它們對(duì)許多污水都具有耐受性并且有較高的油脂或淀粉生產(chǎn)和積累潛力(Wu et al., 2014).目前，常用來凈化污水或污水培養(yǎng)作為生物質(zhì)能源的微藻有小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus).其適應(yīng)能力強(qiáng)，易于培養(yǎng)，對(duì)富含氮磷的污水具有明顯的凈化效果，同時(shí)有較快的生長(zhǎng)速率、較高的環(huán)境耐受能力、較高的油脂或淀粉生產(chǎn)和積累潛力.雖然，微藻油脂和淀粉的積累通常是在營(yíng)養(yǎng)損耗下增強(qiáng)的，在用于凈化高氮磷廢水時(shí)，微藻細(xì)胞內(nèi)的油脂積累量較低，但微藻生物量增長(zhǎng)較快，總的油脂和淀粉積累量較高，可作為生物質(zhì)能源利用.從表 1可以看出，構(gòu)建菌藻系統(tǒng)用于處理污水時(shí)，對(duì)于重金屬?gòu)U水，小球藻具有一定的優(yōu)勢(shì);而對(duì)于藥物廢水，柵藻應(yīng)用較廣.然而，微藻對(duì)有毒污染物較敏感，可用作毒性測(cè)試或者生態(tài)系統(tǒng)改變時(shí)的指示生物.研究表明，重金屬對(duì)微生物光合作用有較強(qiáng)的抑制作用，能導(dǎo)致柵藻(Scenedesmus incrassatulus)細(xì)胞形態(tài)和大小的變化.研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅離子濃度為2 mg·L-1時(shí)，小球藻(Chlorella sorokiniana)光合作用產(chǎn)氧去除水楊酸完全被抑制.發(fā)現(xiàn)在密閉的光生物反應(yīng)器中，微藻對(duì)有機(jī)污染物的耐受力較為敏感，此外，在高氨氮和高pH聯(lián)合作用下，微藻耐受力也較為敏感.因此，應(yīng)根據(jù)污水中污染物的類型及其濃度合理選擇菌藻共生系統(tǒng)中微藻的種類.

　　4 菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理(Mechanisms of pollutants removal through bacterial-algal symbiotic system) 4.1 去除N、P營(yíng)養(yǎng)元素

　　菌藻共生系統(tǒng)去除N、P營(yíng)養(yǎng)元素主要有3方面的作用：細(xì)菌的氧化降解、藻類的同化吸收和共生環(huán)境中pH的變化引起的去除.好氧菌利用微藻產(chǎn)生的O2降解含碳有機(jī)物產(chǎn)生CO2，氨化含氮有機(jī)物，繼而進(jìn)行硝化，生成氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，同時(shí)能將含磷有機(jī)物降解為正磷酸鹽，供藻類利用.藻類利用細(xì)菌產(chǎn)生的CO2進(jìn)行光合作用，同化吸收N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).微藻光合作用利用的氮源可以是有機(jī)氮也可以是無機(jī)氮.有研究表明，微藻對(duì)無機(jī)氮的吸收利用過程分為3步：①微藻在特定酶的協(xié)助下將硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮吸收到細(xì)胞中;②在相關(guān)酶催化作用下，利用ATP將硝酸鹽、亞硝酸鹽還原成銨;③將還原生成的銨并到碳骨架中.因此相比于硝酸鹽和亞硝酸鹽，微藻在吸收利用氮源過程中優(yōu)先利用氨氮，當(dāng)氨氮消耗完后再消耗其他形態(tài)的氮.磷作為核酸、細(xì)胞膜及能量?jī)?chǔ)存物的必需元素，也是微藻生長(zhǎng)過程中所必需的常量元素.微藻在吸收磷的過程中，常常優(yōu)先吸收無機(jī)離子HPO42-和H2PO4-，吸收的磷合成核酸或能量傳遞物質(zhì)等.Stumm提出藻類分子式近似為C106H263O110N16P，微藻在生長(zhǎng)過程中主要以CO2為碳源，通過細(xì)胞中葉綠素的光合作用把污水中的NH4+、NO3-、NO2-、H2PO4-等無機(jī)離子和尿素等有機(jī)物質(zhì)所含有的N、P等元素締合到碳骨架上，形成藻細(xì)胞完成細(xì)胞增殖并向水體中釋放O2，增加了水體中的溶解氧(DO)含量，有利于其他生物的生長(zhǎng).微藻同化NH4+的反應(yīng)如式(1)所示：

　　由于微藻以CO2為碳源進(jìn)行光合作用，因此污水中的CO2含量減少，pH值升高，導(dǎo)致氨氮揮發(fā)增加，磷酸鹽與水中的鈣離子在高pH條件下形成磷酸鈣沉淀，從而實(shí)現(xiàn)氮磷的有效去除.

　　4.2 去除難降解有機(jī)物

　　難降解有機(jī)物毒性大、成份復(fù)雜，此類污染物包括有機(jī)氰化物、有機(jī)農(nóng)藥、有機(jī)染料、抗生素類藥物廢水等.一般的生物處理方法很難將其降解，同時(shí)此類污染物的存在能對(duì)微生物產(chǎn)生毒性作用或者抑制微生物生長(zhǎng)，影響污水處理過程.共代謝技術(shù)是基于非專一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生和作用生物處理難降解有機(jī)物的有效技術(shù)之一，但受誘導(dǎo)基質(zhì)濃度的影響，且難降解有機(jī)物濃度高時(shí)，也會(huì)影響微生物活性.藻類可以有效地富集和降解多種難降解有機(jī)化合物如抗生素、有機(jī)氯、農(nóng)藥、偶氮染料等，研究表明，柵藻能通過生物降解有效降解卡馬西平，且當(dāng)卡馬西平濃度達(dá)100 mg·L-1時(shí)，僅有30%的藻類生長(zhǎng)受到抑制，微藻對(duì)高濃度難降解有機(jī)物有較好地耐受能力.構(gòu)建結(jié)合細(xì)菌和微藻降解難降解有機(jī)物特點(diǎn)的菌藻共生系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)此類污染物的有效去除.

　　菌藻系統(tǒng)處理抗生素類難降解有機(jī)物時(shí)，主要是通過細(xì)菌和藻類兩方面的作用.細(xì)菌能通過生物降解、吸附、揮發(fā)、水解和礦化等去除抗生素，但通過吸附、揮發(fā)、水解和礦化的量相對(duì)較小，主要是通過生物共代謝去除抗生素.有研究發(fā)現(xiàn)硝化污泥和Nitrosomonas Europaea可以通過共代謝降解作用來有效降解抗生素這類污染物，根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究情況可見有些抗生素只能通過與氨氧化細(xì)菌的共代謝作用才能被有效降解(劉婳, 2012).Yin等(2014)實(shí)驗(yàn)證明市政污泥系統(tǒng)中濃度為500 μg·L-1的磺胺類抗生素磺胺甲嘧啶經(jīng)過120 h后可通過生物降解作用完全去除.抗生素對(duì)藻類本身有直接的作用，既可能作為毒物抑制藻類的生長(zhǎng)，又可能在特定濃度時(shí)發(fā)生毒物刺激效應(yīng)，進(jìn)一步激活蛋白酶，調(diào)節(jié)合成及誘導(dǎo)基因表達(dá)等，從而促進(jìn)微藻細(xì)胞生長(zhǎng)，呈現(xiàn)“低促高抑”作用.在低濃度下，抗生素能被藻體吸收富集和生物降解而被去除,研究表明，微球藻能有效去除32%的磺胺甲惡唑.在高濃度下，抗生素可能對(duì)微藻的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，機(jī)制可能包括以下幾個(gè)方面：①改變細(xì)胞成分，主要表現(xiàn)為影響葉綠素中不同組分的含量、可溶性蛋白質(zhì)的含量等.②影響基因表達(dá).通過影響某些編碼藻類光合作用、氮磷吸收和運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)蛋白質(zhì)和酶基因的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄來影響藻的生長(zhǎng)情況.③影響光合作用.主要表現(xiàn)在影響藻細(xì)胞對(duì)氧的吸收量、葉綠素含量變化、抑制光合作用中電子的傳遞等.④誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧自由基，引發(fā)氧化脅迫，破壞抗氧化酶系統(tǒng).⑤影響細(xì)胞膜.細(xì)胞膜的通透性降低.但藻類對(duì)抗生素的耐受濃度遠(yuǎn)高于細(xì)菌類微生物，利用菌藻系統(tǒng)處理抗生素類難降解有機(jī)物時(shí)，菌藻之間的共生關(guān)系能增強(qiáng)細(xì)菌的活性，提高系統(tǒng)對(duì)抗生素的耐受能力.

　　4.3 菌藻系統(tǒng)去除重金屬

　　菌藻共生系統(tǒng)去除重金屬污染物主要是通過生物吸附和生物富集過程完成.在低濃度下，微生物對(duì)水體中重金屬的作用可分為兩個(gè)階段：①生物吸附：金屬離子通過絡(luò)合、配位、離子交換等作用附著在微生物細(xì)胞表面，該過程的反應(yīng)時(shí)間較短、與代謝無關(guān)，且無需提供能量;②生物富集：微生物表面的金屬離子在細(xì)胞的代謝作用下與質(zhì)膜上某些酶類結(jié)合，轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)，該過程反應(yīng)緩慢并且不可逆、與代謝活動(dòng)有關(guān).

　　菌藻共生系統(tǒng)能有效去除重金屬，主要是因?yàn)橄啾燃?xì)菌類微生物，微藻對(duì)重金屬有較高的耐受力，從而能提高該系統(tǒng)對(duì)重金屬的去除效果.關(guān)于重金屬對(duì)微藻生長(zhǎng)繁殖的影響，國(guó)內(nèi)外都有進(jìn)行大量的研究工作，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Ni等金屬在濃度較低時(shí)能促進(jìn)微藻生長(zhǎng)，較高濃度時(shí)對(duì)微藻生長(zhǎng)有抑制作用，這種較低濃度促進(jìn)、較高濃度抑制的現(xiàn)象被認(rèn)為是自我平衡效應(yīng).

　　微藻吸附重金屬常見的機(jī)理主要是離子交換機(jī)理和絡(luò)合機(jī)理.陽(yáng)離子可與分子或帶有自由電子對(duì)的陰離子(堿基對(duì))起絡(luò)合或螯合反應(yīng).絡(luò)合物則是經(jīng)過污水中的金屬陽(yáng)離子與細(xì)胞里的蛋白質(zhì)、脂類及多糖中帶負(fù)電荷的官能團(tuán)絡(luò)合而形成的，如—CONH2、R—SH、—NH2、—COOH、咪唑、硫醚、硫酸鹽和磷酸鹽等.離子交換作用主要是污水中所含有的金屬陽(yáng)離子將藻類細(xì)胞壁上的質(zhì)子置換出，而其他金屬離子則通過離子間的靜電引力作用或通過配位鍵吸附在細(xì)胞壁表面上研究表明離子交換機(jī)理是最能反映藻類細(xì)胞生物吸附重金屬離子的實(shí)際過程，多糖中的藻酸鹽與硫酸鹽也被發(fā)現(xiàn)具有較為顯著的離子交換能力.在高濃度下，重金屬對(duì)微藻的毒性效應(yīng)主要表現(xiàn)為：影響藻類的生長(zhǎng)代謝、抑制光合作用、減少細(xì)胞色素、導(dǎo)致細(xì)胞畸變、改變自然環(huán)境中的藻種組成等.通常情況下，重金屬對(duì)微藻的毒性大概是(從強(qiáng)到弱)：Hg > Cd ≈ Cu > Zn > Pb > Co > Cr.但并不是所有的微藻都會(huì)符合這樣的規(guī)律，不同的微藻對(duì)同種重金屬的耐受性可能會(huì)存在差異.

　　5 菌藻共生系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用(Application of bacterial-algal symbiotic system in wastewater treatment)

　　自20世紀(jì)70年代以來，隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模培養(yǎng)應(yīng)用菌藻系統(tǒng)的技術(shù)也得到進(jìn)一步的完善，菌藻在污水凈化方面應(yīng)用的研究取得了較大進(jìn)展，先后有學(xué)者研究使用菌藻系統(tǒng)處理污水的工藝.菌藻系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理主要有3種形式：懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)、菌藻生物膜系統(tǒng).

　　5.1 懸浮菌藻系統(tǒng)

　　在懸浮生長(zhǎng)過程中，細(xì)菌附著在藻細(xì)胞表面有利于絮凝，提高沉降性能.典型的懸浮菌藻系統(tǒng)有高效藻類塘和活性藻處理系統(tǒng).高效藻類塘是在傳統(tǒng)生物穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上添加細(xì)菌、微藻等微生物形成的菌藻共生的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng).有研究采用小球藻、光合細(xì)菌、乳酸菌、產(chǎn)朊假絲酵母和紅酵母菌構(gòu)成的復(fù)雜高效菌藻體系，處理豬場(chǎng)養(yǎng)殖污水，試驗(yàn)結(jié)果表明，48 h內(nèi)氨氮、BOD5去除率分別達(dá)到98.7%和96.8%.活性藻處理系統(tǒng)是利用藻類和活性污泥的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來協(xié)同處理污水，采用人工強(qiáng)化培養(yǎng)高濃度的藻類，將其與活性污泥混合培養(yǎng)，使藻類與活性污泥一樣，具有良好的絮凝沉淀特性.陳志華利用活性污泥-螺旋藻體系處理生活污水在6 d運(yùn)行時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)TP、TN、COD出水處理效率分別達(dá)到77.11%、87.82%、76.9%.有研究表明用活性藻系統(tǒng)處理污水，BOD、COD、TN、TP的去除率分別能達(dá)到97%、87%、92%、74%.懸浮菌藻系統(tǒng)處理污水能達(dá)到較好的效果，然而聚集的微生物可能由于沉積物屬性如剪壓力、附著細(xì)菌的數(shù)量和水流速而重新懸浮，導(dǎo)致出水水質(zhì)受到影響，其對(duì)污染物的去除仍然是依靠藻類自然生長(zhǎng)和半人工控制手段，仍有許多因素限制藻類生長(zhǎng)，如光照、生物量、水力停留時(shí)間等.雖沉降效果好，但需定期排泥，處理效果不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制.

　　5.2 固定化菌藻系統(tǒng)

　　針對(duì)懸浮菌藻系統(tǒng)出水水質(zhì)易受懸浮菌藻的影響，且分離收獲困難，產(chǎn)泥量大等特點(diǎn)，菌藻固定化技術(shù)隨之發(fā)展起來.菌藻固定化技術(shù)是在細(xì)胞固定化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用菌藻之間的協(xié)同作用，將細(xì)菌和微藻按照一定的比例固定在特定的載體上的技術(shù)，其主要目的是提高單位面積的生物量，同時(shí)利于微藻的收集，常見的載體材料有海藻酸鈣、卡拉膠、瓊脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等(嚴(yán)清等, 2012).李永華(2010)對(duì)比分析了固定化的菌藻體系對(duì)污水的處理效果明顯好于游離態(tài)的菌藻系統(tǒng).潘輝等(2006)以聚乙烯醇作為包埋劑，將活性污泥與小球藻制成包埋球狀顆粒，用于高有機(jī)物、低氮磷濃度的市政污水的處理，實(shí)現(xiàn)了氨氮高達(dá)100%的去除和磷的93.6%的去除效果.牛曼等(2010)設(shè)計(jì)了一套固定化菌藻小球的流化床光生物反應(yīng)器和好氧池組成的“菌藻-菌”系統(tǒng)，以避免活性污泥的遮光作用，同時(shí)不破壞藻菌之間的共生關(guān)系，利用該系統(tǒng)處理碳酸飲料污水，COD、NH4+ -N和PO43-去除率分別達(dá)90. 5%、82. 6%和75.8%.雖然固定化技術(shù)提高了菌藻系統(tǒng)對(duì)污水的處理效果和藻類的生物量，但其在應(yīng)用過程中還存在一些缺陷，如包埋基質(zhì)可能會(huì)阻礙菌藻代謝產(chǎn)物、氧氣和二氧化碳的傳遞.此外，基質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)生降解，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，從而影響菌藻的正常代謝等(王秀和張小平，2009).固定化的成本較高，很難找到無毒、透明、多孔、穩(wěn)定而不溶解于處理介質(zhì)或不易被生物分解的載體，限制了其在污水處理中的應(yīng)用.

　　5.3 菌藻生物膜系統(tǒng)

　　菌藻生物膜技術(shù)是在固定化技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它與固定化技術(shù)不同之處在于它利用微藻本身易于附著的特性，附著在載體表面，在一定條件下培養(yǎng)馴化形成菌藻生物膜中微藻的密度大大提高，并且脫氮除磷效果穩(wěn)定，且處理效果優(yōu)于普通懸浮藻系統(tǒng)(邢麗貞等, 2004).相互附著的菌藻群落在固體載體生長(zhǎng)形成光合生物膜.光合生物膜的組成和結(jié)構(gòu)根據(jù)環(huán)境中的非生物和生物因素會(huì)有所不同.在生物膜的形成和增長(zhǎng)階段，微藻通過增加或減少特定的啟動(dòng)子的表達(dá)影響胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生速率，進(jìn)而對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng).Shen(2015)等研究表明增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，尤其是氮濃度，能增加硅藻和綠藻EPS的產(chǎn)量.此外，溫度變化和礦物質(zhì)(Ca2+)積累也能影響藻類的EPS的產(chǎn)生.菌藻生物膜中包括不同的藻類(綠藻、硅藻、絲狀藻等)、細(xì)菌(異氧細(xì)菌、自養(yǎng)細(xì)菌)、藍(lán)細(xì)菌、原生動(dòng)物和多細(xì)胞微生物等.它們?cè)谏�物膜�?nèi)彼此之間形成共生關(guān)系.菌藻生物膜的成熟度會(huì)影響所存在物種的演替，例如影響藻類、細(xì)菌、EPS的豐度和比例.菌藻生物膜的形成與生長(zhǎng)主要有4個(gè)階段,，其示意圖見圖 2.在菌藻生物膜中形成的初始階段，也稱為固體載體表面調(diào)節(jié)階段(Ⅰ)，由細(xì)胞分泌的胞外聚合物附著在固體載體上，細(xì)菌開始生長(zhǎng)，在此階段生物膜中含有較高的EPS和細(xì)菌比例，藍(lán)細(xì)菌和藻類相對(duì)較少.隨后，進(jìn)入光合生物膜的早期生長(zhǎng)階段(Ⅱ)，各類微藻開始附著在固體載體表面的EPS基質(zhì)中生長(zhǎng).在光合生物膜的發(fā)展階段(Ⅲ)，藻類細(xì)胞快速生長(zhǎng)，與EPS基質(zhì)中的細(xì)菌形成了共生微環(huán)境.如果培養(yǎng)液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，光合生物膜將進(jìn)入成熟階段(Ⅳ)，在EPS基質(zhì)中有較為豐富的藻類細(xì)胞、細(xì)菌和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).具體參見污水寶商城資料或http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 2 菌藻生物膜形成發(fā)展階段示意圖

　　菌藻生物膜系統(tǒng)典型的有水力藻類床.水力藻類床系統(tǒng)主要由附著在傾斜水渠中的絲狀藻、懸浮的微藻和細(xì)菌組成，可以認(rèn)為是強(qiáng)化藻類作用的高效藻類塘.美國(guó)帕特森市利用水力藻類塘系統(tǒng)對(duì)城市部分處理水進(jìn)行深度處理，平均磷去除量達(dá)到(0.73±0.289) g·m-3·d-1(邢麗貞等, 2004).隨著菌藻系統(tǒng)理論的發(fā)展，有益于菌藻共生微環(huán)境的菌藻生物膜反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生.Chavan和Mukherji(2008)在生物轉(zhuǎn)盤上接種了細(xì)菌和微藻，利用形成的菌藻生物膜處理柴油廢水.De Godos等(2009)依據(jù)菌藻共生原理，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了一種由Chlorella sorokiniana和活性污泥構(gòu)成的管狀菌藻生物膜光反應(yīng)器，可實(shí)現(xiàn)光合作用的O2和CO2、高濃度的氨氮從膜的兩邊各自擴(kuò)散，同時(shí)高效實(shí)現(xiàn)硝化細(xì)菌的硝化作用和微藻的光合作用，利用該反應(yīng)器中處理豬場(chǎng)污水，總碳(TOC)、NH4+-N和PO43-去除量分別達(dá)到(80±5)、(89±5)、(13±3) g·m-3·d-1.菌藻生物膜系統(tǒng)處理污水存在一定的優(yōu)勢(shì)，能克服懸浮菌藻系統(tǒng)出水含有大量藻類和細(xì)菌，影響出水質(zhì)量的缺點(diǎn)，同時(shí)生物膜易于形成，優(yōu)勢(shì)菌種和藻類不易流失，菌藻生物膜形成過程中菌藻分泌的EPS能夠?yàn)榫�藻共生體提供一個(gè)緩沖的微環(huán)境，使菌藻生物膜能在不利的環(huán)境中保持較高的活性，并持續(xù)去除污水中的污染物(張道勇等, 2004)，成本較低，但存在生物膜脫落問題，設(shè)計(jì)及運(yùn)行反應(yīng)器時(shí)應(yīng)綜合考慮光照、水力流速等因素，控制生物膜的增殖衰減與平衡.

　　菌藻共生系統(tǒng)處理污水的幾種類型及其應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)如表 2所示.

　　表 2 菌藻共生系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用及其特點(diǎn)

   　6 結(jié)論(Conclusions)

　　菌藻系統(tǒng)中菌藻之間的關(guān)系相對(duì)較為復(fù)雜，菌藻系統(tǒng)相對(duì)于單獨(dú)細(xì)菌系統(tǒng)和單獨(dú)藻類系統(tǒng)表現(xiàn)出更高的污染物耐受能力.因此，利用菌藻共生關(guān)系處理污水，如含高N、P污水、重金屬污水、抗生素污水等時(shí)，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需依據(jù)廢水特征合理地選擇菌藻種類.用于污水處理的菌藻共生系統(tǒng)主要包括如下類型：懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)和菌藻生物膜系統(tǒng).目前菌藻生物膜系統(tǒng)相比懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，具有處理效率高、優(yōu)勢(shì)菌藻不易流失、處理成本較低等特點(diǎn).

　　7 展望(Prospects)

　　菌藻共生系統(tǒng)在污水處理與資源化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.但總體來說，在菌藻系統(tǒng)去除污染物的代謝機(jī)理、傳質(zhì)過程、工藝動(dòng)力學(xué)模擬、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等諸多方面仍需加強(qiáng).

　　1) 菌藻共生系統(tǒng)對(duì)污染物去除有一定優(yōu)勢(shì)，但菌藻微環(huán)境中菌藻結(jié)合的界面作用力以及結(jié)合條件仍不清楚，細(xì)菌和微藻具體對(duì)污染物去除的貢獻(xiàn)率尚未探究清楚，因此可通過微觀機(jī)理研究與污染物去除特性相聯(lián)系，進(jìn)一步研究菌藻共生系統(tǒng)去除污染物的機(jī)理.

　　2) 菌藻生物膜系統(tǒng)也存在生物膜脫落等問題，生物膜中微環(huán)境的形成與維持、共生傳質(zhì)、菌藻增殖衰減平衡及代謝機(jī)理等方面都有待深入的研究.

　　3) 菌藻共生系統(tǒng)不僅能去除水中污染物，同時(shí)也能固定氣體中的CO2，如何合理的設(shè)計(jì)菌藻生物膜光生物反應(yīng)器同時(shí)實(shí)現(xiàn)廢水和廢氣同步處理，仍有較大的技術(shù)開發(fā)和工藝優(yōu)化的空間.