1 引言(Introduction)
隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的不斷發(fā)展及人類(lèi)醫用抗生素及個(gè)人醫療衛生用品的濫用，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(chǎng).富含這幾類(lèi)污染物的污水利用傳統的生物處理工藝較難處理.有研究報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.利用菌藻共生系統中藻類(lèi)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物，并能實(shí)現同步脫氮除磷及抗生素、重金屬的去除.20世紀50年代末，Oswald等報道了氧化塘中藻菌共生和藻類(lèi)光合放氧等現象，提出了利用高效藻類(lèi)塘處理污水的新工藝，隨后許多學(xué)者對菌藻共生系統進(jìn)行了基礎理論和實(shí)際應用的研究利用菌藻共生系統處理銅、鈣污水，去除效率分別達到80%、100%采用菌藻共生系統處理磺胺甲惡唑、三氯生污水，處理效率分別達到32%、74%采用菌藻共生系統處理處理高氨氮濃度的養豬污水，N、P的去除效率分別達到82.7%、58.0%.在利用藻類(lèi)處理污水的技術(shù)中，菌藻共生系統具有較強的凈化優(yōu)勢，但菌藻之間的關(guān)系較為復雜，研究菌藻共生系統的構建及其在污水中的應用較有意義.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(zhù)重介紹了菌藻共生系統去除污染物的機理以及在污水中的應用.
2 菌藻之間的相互作用關(guān)系(Interactions between bacteria and algae)
微藻與細菌之間的相互作用較為復雜，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，也包括對營(yíng)養物質(zhì)的相互競爭和抑制關(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基礎上，主要表現為對氧氣和代謝產(chǎn)物的釋放和吸收利用上.微藻通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，作為好氧細菌呼吸降解污染物的電子受體去除污染物，同時(shí)細菌呼吸產(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)養狀態(tài)下，微藻通過(guò)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)境中釋放有機物，微藻細胞分解也是溶解性有機碳的重要來(lái)源而細菌能夠利用氧氣分解微藻產(chǎn)生的分泌物及死亡的藻細胞，產(chǎn)生的分解產(chǎn)物反過(guò)來(lái)被微藻吸收利用.細菌和微藻在增殖過(guò)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，這些酶能夠將大分子物質(zhì)如多糖、蛋白質(zhì)水解成小分子物質(zhì)，從而被細菌和微藻吸收利用.研究表明與微藻的純培養相比，菌藻系統能夠提高微藻的產(chǎn)量.在自然環(huán)境中，微藻能夠與微生物相互作用，為細菌提供棲息地避免不良環(huán)境的影響，同時(shí), 細菌能產(chǎn)生生長(cháng)因子促進(jìn)微藻生長(cháng)，使菌藻系統能夠回收部分能源,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)的費用.在研究藻類(lèi)微環(huán)境時(shí)，沒(méi)有投加任何補充物，發(fā)現微藻環(huán)境中有大量溶解性有機碳，可促進(jìn)細菌的生長(cháng).
2.2 相互競爭關(guān)系
細菌和微藻在增殖過(guò)程中都會(huì )吸收利用環(huán)境中的營(yíng)養物質(zhì)，如氮、磷等，如果環(huán)境中的營(yíng)養物質(zhì)不能夠滿(mǎn)足細菌和微藻共同生長(cháng)需要時(shí)，細菌和微藻就會(huì )產(chǎn)生對營(yíng)養物質(zhì)的相互競爭.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，從而與細菌產(chǎn)生對氧氣的競爭.有研究表明菌藻系統中，當環(huán)境中磷酸鹽含量較低時(shí)，細菌對磷酸鹽的利用效率比微藻對磷酸鹽的利用效率更高.此外，微藻能夠產(chǎn)生抑制細菌生長(cháng)或毒害細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(lèi)物質(zhì)可能對細菌和病原菌也可產(chǎn)生抑制或毒害作用.某些細菌可釋放細菌毒素抑制藻細胞生長(cháng)，甚至裂解藻細胞，表現出殺藻效應.細菌與藻細胞直接接觸，釋放可溶解纖維素酶溶解藻細胞的細胞壁，然后溶解整個(gè)藻細胞，粘細菌是最早被報道和報道較多的溶藻細菌.細菌在生長(cháng)過(guò)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(guò)阻斷呼吸鏈、抑制細胞壁合成等抑制藻細胞的生長(cháng)，甚至溶解藻細胞.這些化感物質(zhì)包括多肽類(lèi)物質(zhì)、蛋白質(zhì)、生物堿、抗生素、色素等.菌藻對營(yíng)養物質(zhì)的競爭會(huì )改變生物群落組成.同時(shí)，由于光合作用引起pH上升對細菌產(chǎn)生危害.3 污水處理中微藻種類(lèi)的選擇(Selection of microalgae for wastewater treatment)
污水中存在大量的細菌群落，菌藻之間的相互作用關(guān)系復雜，因此如何利用菌藻之間的互利共生關(guān)系較好的構建菌藻系統是將其系統應用于污水處理的前提之一.目前，微藻在污水處理中的應用主要有兩個(gè)目的：其一是利用微藻來(lái)凈化污水，去除污染物，節約能源，此時(shí)，選擇微藻應綜合考慮微藻對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，強勁的生長(cháng)特性方面選擇微藻來(lái)提高其對環(huán)境變化的耐受力;此外，可用污水來(lái)培養微藻，收獲的微藻作為生物質(zhì)能源解決能源危機，減少微藻培養過(guò)程中的物質(zhì)(N、P和水等)消耗，考慮選擇的微藻應有較高的生長(cháng)速率，高的油脂含量和產(chǎn)率，以便后續收獲微藻作為生物質(zhì)能源.針對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(lèi).
表 1 污水處理中常用的微藻種類(lèi)
在眾多的微藻中，常用于污水處理的微藻種類(lèi)大部分屬于光合自養型單細胞綠藻，它們對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(lái)凈化污水或污水培養作為生物質(zhì)能源的微藻有小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus).其適應能力強，易于培養，對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(cháng)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)養損耗下增強的，在用于凈化高氮磷廢水時(shí)，微藻細胞內的油脂積累量較低，但微藻生物量增長(cháng)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，構建菌藻系統用于處理污水時(shí)，對于重金屬廢水，小球藻具有一定的優(yōu)勢;而對于藥物廢水，柵藻應用較廣.然而，微藻對有毒污染物較敏感，可用作毒性測試或者生態(tài)系統改變時(shí)的指示生物.研究表明，重金屬對微生物光合作用有較強的抑制作用，能導致柵藻(Scenedesmus incrassatulus)細胞形態(tài)和大小的變化.研究發(fā)現當銅離子濃度為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)現在密閉的光生物反應器中，微藻對有機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，應根據污水中污染物的類(lèi)型及其濃度合理選擇菌藻共生系統中微藻的種類(lèi).
4 菌藻共生系統去除污染物的機理(Mechanisms of pollutants removal through bacterial-algal symbiotic system) 4.1 去除N、P營(yíng)養元素
菌藻共生系統去除N、P營(yíng)養元素主要有3方面的作用：細菌的氧化降解、藻類(lèi)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降解含碳有機物產(chǎn)生CO2，氨化含氮有機物，繼而進(jìn)行硝化，生成氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽，同時(shí)能將含磷有機物降解為正磷酸鹽，供藻類(lèi)利用.藻類(lèi)利用細菌產(chǎn)生的CO2進(jìn)行光合作用，同化吸收N、P營(yíng)養物質(zhì).微藻光合作用利用的氮源可以是有機氮也可以是無(wú)機氮.有研究表明，微藻對無(wú)機氮的吸收利用過(guò)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(guò)程中優(yōu)先利用氨氮，當氨氮消耗完后再消耗其他形態(tài)的氮.磷作為核酸、細胞膜及能量?jì)Υ嫖锏谋匦柙�，也是微藻生長(cháng)過(guò)程中所必需的常量元素.微藻在吸收磷的過(guò)程中，常常優(yōu)先吸收無(wú)機離子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(lèi)分子式近似為C106H263O110N16P，微藻在生長(cháng)過(guò)程中主要以CO2為碳源，通過(guò)細胞中葉綠素的光合作用把污水中的NH4+、NO3-、NO2-、H2PO4-等無(wú)機離子和尿素等有機物質(zhì)所含有的N、P等元素締合到碳骨架上，形成藻細胞完成細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(cháng).微藻同化NH4+的反應如式(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)現氮磷的有效去除.
4.2 去除難降解有機物
難降解有機物毒性大、成份復雜，此類(lèi)污染物包括有機氰化物、有機農藥、有機染料、抗生素類(lèi)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(lèi)污染物的存在能對微生物產(chǎn)生毒性作用或者抑制微生物生長(cháng)，影響污水處理過(guò)程.共代謝技術(shù)是基于非專(zhuān)一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生和作用生物處理難降解有機物的有效技術(shù)之一，但受誘導基質(zhì)濃度的影響，且難降解有機物濃度高時(shí)，也會(huì )影響微生物活性.藻類(lèi)可以有效地富集和降解多種難降解有機化合物如抗生素、有機氯、農藥、偶氮染料等，研究表明，柵藻能通過(guò)生物降解有效降解卡馬西平，且當卡馬西平濃度達100 mg·L-1時(shí)，僅有30%的藻類(lèi)生長(cháng)受到抑制，微藻對高濃度難降解有機物有較好地耐受能力.構建結合細菌和微藻降解難降解有機物特點(diǎn)的菌藻共生系統，能實(shí)現此類(lèi)污染物的有效去除.
菌藻系統處理抗生素類(lèi)難降解有機物時(shí)，主要是通過(guò)細菌和藻類(lèi)兩方面的作用.細菌能通過(guò)生物降解、吸附、揮發(fā)、水解和礦化等去除抗生素，但通過(guò)吸附、揮發(fā)、水解和礦化的量相對較小，主要是通過(guò)生物共代謝去除抗生素.有研究發(fā)現硝化污泥和Nitrosomonas Europaea可以通過(guò)共代謝降解作用來(lái)有效降解抗生素這類(lèi)污染物，根據現階段國內外研究情況可見(jiàn)有些抗生素只能通過(guò)與氨氧化細菌的共代謝作用才能被有效降解(劉婳, 2012).Yin等(2014)實(shí)驗證明市政污泥系統中濃度為500 μg·L-1的磺胺類(lèi)抗生素磺胺甲嘧啶經(jīng)過(guò)120 h后可通過(guò)生物降解作用完全去除.抗生素對藻類(lèi)本身有直接的作用，既可能作為毒物抑制藻類(lèi)的生長(cháng)，又可能在特定濃度時(shí)發(fā)生毒物刺激效應，進(jìn)一步激活蛋白酶，調節合成及誘導基因表達等，從而促進(jìn)微藻細胞生長(cháng)，呈現“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，抗生素可能對微藻的生長(cháng)產(chǎn)生抑制作用，機制可能包括以下幾個(gè)方面：①改變細胞成分，主要表現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.通過(guò)影響某些編碼藻類(lèi)光合作用、氮磷吸收和運輸等相關(guān)蛋白質(zhì)和酶基因的復制和轉錄來(lái)影響藻的生長(cháng)情況.③影響光合作用.主要表現在影響藻細胞對氧的吸收量、葉綠素含量變化、抑制光合作用中電子的傳遞等.④誘導產(chǎn)生活性氧自由基，引發(fā)氧化脅迫，破壞抗氧化酶系統.⑤影響細胞膜.細胞膜的通透性降低.但藻類(lèi)對抗生素的耐受濃度遠高于細菌類(lèi)微生物，利用菌藻系統處理抗生素類(lèi)難降解有機物時(shí)，菌藻之間的共生關(guān)系能增強細菌的活性，提高系統對抗生素的耐受能力.
4.3 菌藻系統去除重金屬
菌藻共生系統去除重金屬污染物主要是通過(guò)生物吸附和生物富集過(guò)程完成.在低濃度下，微生物對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(guò)絡(luò )合、配位、離子交換等作用附著(zhù)在微生物細胞表面，該過(guò)程的反應時(shí)間較短、與代謝無(wú)關(guān)，且無(wú)需提供能量;②生物富集：微生物表面的金屬離子在細胞的代謝作用下與質(zhì)膜上某些酶類(lèi)結合，轉運至細胞內，該過(guò)程反應緩慢并且不可逆、與代謝活動(dòng)有關(guān).
菌藻共生系統能有效去除重金屬，主要是因為相比細菌類(lèi)微生物，微藻對重金屬有較高的耐受力，從而能提高該系統對重金屬的去除效果.關(guān)于重金屬對微藻生長(cháng)繁殖的影響，國內外都有進(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(cháng)，較高濃度時(shí)對微藻生長(cháng)有抑制作用，這種較低濃度促進(jìn)、較高濃度抑制的現象被認為是自我平衡效應.
微藻吸附重金屬常見(jiàn)的機理主要是離子交換機理和絡(luò )合機理.陽(yáng)離子可與分子或帶有自由電子對的陰離子(堿基對)起絡(luò )合或螯合反應.絡(luò )合物則是經(jīng)過(guò)污水中的金屬陽(yáng)離子與細胞里的蛋白質(zhì)、脂類(lèi)及多糖中帶負電荷的官能團絡(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(lèi)細胞壁上的質(zhì)子置換出，而其他金屬離子則通過(guò)離子間的靜電引力作用或通過(guò)配位鍵吸附在細胞壁表面上研究表明離子交換機理是最能反映藻類(lèi)細胞生物吸附重金屬離子的實(shí)際過(guò)程，多糖中的藻酸鹽與硫酸鹽也被發(fā)現具有較為顯著(zhù)的離子交換能力.在高濃度下，重金屬對微藻的毒性效應主要表現為：影響藻類(lèi)的生長(cháng)代謝、抑制光合作用、減少細胞色素、導致細胞畸變、改變自然環(huán)境中的藻種組成等.通常情況下，重金屬對微藻的毒性大概是(從強到弱)：Hg > Cd ≈ Cu > Zn > Pb > Co > Cr.但并不是所有的微藻都會(huì )符合這樣的規律，不同的微藻對同種重金屬的耐受性可能會(huì )存在差異.
5 菌藻共生系統在污水處理中的應用(Application of bacterial-algal symbiotic system in wastewater treatment)
自20世紀70年代以來(lái)，隨著(zhù)生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，大規模培養應用菌藻系統的技術(shù)也得到進(jìn)一步的完善，菌藻在污水凈化方面應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處理污水的工藝.菌藻系統應用于污水處理主要有3種形式：懸浮菌藻系統、固定化菌藻系統、菌藻生物膜系統.
5.1 懸浮菌藻系統
在懸浮生長(cháng)過(guò)程中，細菌附著(zhù)在藻細胞表面有利于絮凝，提高沉降性能.典型的懸浮菌藻系統有高效藻類(lèi)塘和活性藻處理系統.高效藻類(lèi)塘是在傳統生物穩定塘的基礎上添加細菌、微藻等微生物形成的菌藻共生的復雜生態(tài)系統.有研究采用小球藻、光合細菌、乳酸菌、產(chǎn)朊假絲酵母和紅酵母菌構成的復雜高效菌藻體系，處理豬場(chǎng)養殖污水，試驗結果表明，48 h內氨氮、BOD5去除率分別達到98.7%和96.8%.活性藻處理系統是利用藻類(lèi)和活性污泥的特點(diǎn)，將兩者結合起來(lái)協(xié)同處理污水，采用人工強化培養高濃度的藻類(lèi)，將其與活性污泥混合培養，使藻類(lèi)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運行時(shí)間內實(shí)現TP、TN、COD出水處理效率分別達到77.11%、87.82%、76.9%.有研究表明用活性藻系統處理污水，BOD、COD、TN、TP的去除率分別能達到97%、87%、92%、74%.懸浮菌藻系統處理污水能達到較好的效果，然而聚集的微生物可能由于沉積物屬性如剪壓力、附著(zhù)細菌的數量和水流速而重新懸浮，導致出水水質(zhì)受到影響，其對污染物的去除仍然是依靠藻類(lèi)自然生長(cháng)和半人工控制手段，仍有許多因素限制藻類(lèi)生長(cháng)，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，處理效果不穩定，在實(shí)際應用中受到限制.
5.2 固定化菌藻系統
針對懸浮菌藻系統出水水質(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(lái).菌藻固定化技術(shù)是在細胞固定化技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的，利用菌藻之間的協(xié)同作用，將細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(jiàn)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(嚴清等, 2012).李永華(2010)對比分析了固定化的菌藻體系對污水的處理效果明顯好于游離態(tài)的菌藻系統.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，用于高有機物、低氮磷濃度的市政污水的處理，實(shí)現了氨氮高達100%的去除和磷的93.6%的去除效果.牛曼等(2010)設計了一套固定化菌藻小球的流化床光生物反應器和好氧池組成的“菌藻-菌”系統，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，利用該系統處理碳酸飲料污水，COD、NH4+ -N和PO43-去除率分別達90. 5%、82. 6%和75.8%.雖然固定化技術(shù)提高了菌藻系統對污水的處理效果和藻類(lèi)的生物量，但其在應用過(guò)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(cháng)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(wú)毒、透明、多孔、穩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用.
5.3 菌藻生物膜系統
菌藻生物膜技術(shù)是在固定化技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)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(zhù)的特性，附著(zhù)在載體表面，在一定條件下培養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定，且處理效果優(yōu)于普通懸浮藻系統(邢麗貞等, 2004).相互附著(zhù)的菌藻群落在固體載體生長(cháng)形成光合生物膜.光合生物膜的組成和結構根據環(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(cháng)階段，微藻通過(guò)增加或減少特定的啟動(dòng)子的表達影響胞外聚合物(EPS)的產(chǎn)生速率，進(jìn)而對環(huán)境變化做出響應.Shen(2015)等研究表明增加營(yíng)養物質(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(lèi)的EPS的產(chǎn)生.菌藻生物膜中包括不同的藻類(lèi)(綠藻、硅藻、絲狀藻等)、細菌(異氧細菌、自養細菌)、藍細菌、原生動(dòng)物和多細胞微生物等.它們在生物膜內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(lèi)、細菌、EPS的豐度和比例.菌藻生物膜的形成與生長(cháng)主要有4個(gè)階段,，其示意圖見(jiàn)圖 2.在菌藻生物膜中形成的初始階段，也稱(chēng)為固體載體表面調節階段(Ⅰ)，由細胞分泌的胞外聚合物附著(zhù)在固體載體上，細菌開(kāi)始生長(cháng)，在此階段生物膜中含有較高的EPS和細菌比例，藍細菌和藻類(lèi)相對較少.隨后，進(jìn)入光合生物膜的早期生長(cháng)階段(Ⅱ)，各類(lèi)微藻開(kāi)始附著(zhù)在固體載體表面的EPS基質(zhì)中生長(cháng).在光合生物膜的發(fā)展階段(Ⅲ)，藻類(lèi)細胞快速生長(cháng)，與EPS基質(zhì)中的細菌形成了共生微環(huán)境.如果培養液中營(yíng)養物質(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(lèi)細胞、細菌和營(yíng)養物質(zhì).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.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
菌藻生物膜系統典型的有水力藻類(lèi)床.水力藻類(lèi)床系統主要由附著(zhù)在傾斜水渠中的絲狀藻、懸浮的微藻和細菌組成，可以認為是強化藻類(lèi)作用的高效藻類(lèi)塘.美國帕特森市利用水力藻類(lèi)塘系統對城市部分處理水進(jìn)行深度處理，平均磷去除量達到(0.73±0.289) g·m-3·d-1(邢麗貞等, 2004).隨著(zhù)菌藻系統理論的發(fā)展，有益于菌藻共生微環(huán)境的菌藻生物膜反應器應運而生.Chavan和Mukherji(2008)在生物轉盤(pán)上接種了細菌和微藻，利用形成的菌藻生物膜處理柴油廢水.De Godos等(2009)依據菌藻共生原理，設計并開(kāi)發(fā)出了一種由Chlorella sorokiniana和活性污泥構成的管狀菌藻生物膜光反應器，可實(shí)現光合作用的O2和CO2、高濃度的氨氮從膜的兩邊各自擴散，同時(shí)高效實(shí)現硝化細菌的硝化作用和微藻的光合作用，利用該反應器中處理豬場(chǎng)污水，總碳(TOC)、NH4+-N和PO43-去除量分別達到(80±5)、(89±5)、(13±3) g·m-3·d-1.菌藻生物膜系統處理污水存在一定的優(yōu)勢，能克服懸浮菌藻系統出水含有大量藻類(lèi)和細菌，影響出水質(zhì)量的缺點(diǎn)，同時(shí)生物膜易于形成，優(yōu)勢菌種和藻類(lèi)不易流失，菌藻生物膜形成過(guò)程中菌藻分泌的EPS能夠為菌藻共生體提供一個(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(wèn)題，設計及運行反應器時(shí)應綜合考慮光照、水力流速等因素，控制生物膜的增殖衰減與平衡.
菌藻共生系統處理污水的幾種類(lèi)型及其應用的優(yōu)缺點(diǎn)如表 2所示.
表 2 菌藻共生系統在污水處理中的應用及其特點(diǎn)
6 結論(Conclusions)
菌藻系統中菌藻之間的關(guān)系相對較為復雜，菌藻系統相對于單獨細菌系統和單獨藻類(lèi)系統表現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，但需依據廢水特征合理地選擇菌藻種類(lèi).用于污水處理的菌藻共生系統主要包括如下類(lèi)型：懸浮菌藻系統、固定化菌藻系統和菌藻生物膜系統.目前菌藻生物膜系統相比懸浮菌藻系統、固定化菌藻系統更具優(yōu)勢，具有處理效率高、優(yōu)勢菌藻不易流失、處理成本較低等特點(diǎn).
7 展望(Prospects)
菌藻共生系統在污水處理與資源化領(lǐng)域具有廣闊的應用前景.但總體來(lái)說(shuō)，在菌藻系統去除污染物的代謝機理、傳質(zhì)過(guò)程、工藝動(dòng)力學(xué)模擬、反應器設計等諸多方面仍需加強.
1) 菌藻共生系統對污染物去除有一定優(yōu)勢，但菌藻微環(huán)境中菌藻結合的界面作用力以及結合條件仍不清楚，細菌和微藻具體對污染物去除的貢獻率尚未探究清楚，因此可通過(guò)微觀(guān)機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去除污染物的機理.
2) 菌藻生物膜系統也存在生物膜脫落等問(wèn)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理等方面都有待深入的研究.
3) 菌藻共生系統不僅能去除水中污染物，同時(shí)也能固定氣體中的CO2，如何合理的設計菌藻生物膜光生物反應器同時(shí)實(shí)現廢水和廢氣同步處理，仍有較大的技術(shù)開(kāi)發(fā)和工藝優(yōu)化的空間.
