《Bioresource Technology Reports》：Dairy wastewater treatment technologies and their valorization via stress-induced microalgae cultivation for lipid accumulation
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本文系统分析乳品废水处理与微藻生物技术结合的可持续路径，探讨传统与新兴处理方法的优劣势，重点论证通过营养盐限制、盐度调控、光强优化及温度控制等应激策略，可有效提升微藻脂质积累效率，实现废水处理与生物燃料生产的双重目标，推动循环经济发展。
作者名单：Sankaran Krishnamoorthy、Ricky Rajamanickam、Alaa El Din Mahmoud、Omar Saleh、Widya Fatriasari、Rangabhashiyam Selvasembian
印度安得拉邦Guntur市Vadlamudi，Vignan科学、技术和研究基金会（被认定为大学）生物技术与制药科学学院，邮编52221
摘要
随着全球对乳制品需求的增加，乳制品行业的快速增长导致了大量的水资源消耗和废水产生。乳制品废水因其含有高浓度的有机和无机污染物（包括脂肪酸、蛋白质、氮和磷等营养物质、盐类以及微量金属）而成为严重的环境问题。本文全面分析了当前的废水处理技术，涵盖了传统的物理化学方法以及新的创新方法。特别强调了乳制品废水中富含污染物的特性，认为其在压力条件下可作为可持续培养微藻的理想资源。研究探讨了多种诱导压力的策略（如限制氮和磷等营养物质、改变盐度、调节光照强度和调整温度等），以促进某些微藻菌株中脂质等有价值大分子的积累。优化这些压力条件对于提高脂质产量和提升废水处理效果至关重要。这种利用现有乳制品废水进行微藻培养的综合方法为实现两个关键目标提供了可行的途径：(i) 通过脂质提取实现可持续生物燃料生产；(ii) 有效处理废水，从而促进循环经济的发展。此外，本文还评估了这一双重用途策略的环境效益、经济可行性和社会影响。
引言
乳制品行业是全球粮食安全的重要贡献者，但在废水管理方面面临着重大挑战。其废水的体积庞大、成分复杂（含有高浓度的有机物质、营养物质和溶解盐），对生态环境构成了威胁。在印度，年产量超过2.1亿吨（Press Information Bureau，无日期数据），由此产生的乳制品废水给环境带来了巨大压力。尽管不同处理工艺的用水量有所不同（Stasinakis等人，2022年），但未利用的乳清也是一种潜在的资源。De Almeida等人（2023年）估计每年有约6650万立方米的乳清未被利用，通过将其转化为高附加值产品可以提升行业的可持续性。
然而，乳制品废水的来源多样（包括冷却水、生活污水和乳清流），这使得处理过程更加复杂（Das和Paul，2023年；Kathi和El Din，2024年）。特别是甜乳清，由于其含有高浓度的有机物质（如蛋白质和乳糖），容易引发水生环境的富营养化问题（Giulianetti de Almeida等人，2023年），因此需要研究有效的营养物去除技术。Monfet和Unc（2016年；2017年）指出，三级处理通常采用厌氧消化后进行硝化和反硝化的生物工艺来实现这一目标。另一方面，传统的多级处理系统操作复杂且成本较高（Queiroz等人，2007年）。鉴于化石燃料的有限性和全球能源需求的增长，人们迫切寻求可持续替代方案。现代生物能源占可再生能源的55%，占全球能源供应的6%以上（Behera和Varma，2018年）。国际能源署（IEA，2023年）报告称，2010年至2022年间生物能源的年增长率平均为3%，凸显了其在实现2050年净零排放目标中的重要作用。
微藻生物技术作为一种可持续的能源生产和废水处理方法脱颖而出。微藻可以利用废水中的氮和磷等营养物质进行生长（Pires等人，2013年）。Biswas等人（2021年）的研究表明，通过微藻培养可减少68%的NO??、54%的NO??、45%的NH??和94%的PO?3?。因此，将废水处理与微藻培养相结合的方法可以有效降低营养物质含量并减少淡水消耗。此外，微藻具有光合营养方式，能够固定大气中的二氧化碳并转化为可再生生物燃料（Zabochnicka等人，2022年）。将废水处理与微藻培养结合还能形成一个可持续的闭环系统，通过再利用产生的生物质来减少二次污染（Mishra等人，2022年）。在非生物压力条件下，某些微藻菌株可积累高达10%至80%的脂质（Suparmaniam等人，2022年）。研究表明，耐逆境的微藻菌株能够积累更多的脂质和高价值生物产物。
微藻会因光照、二氧化碳、氮、磷、盐和金属的变化而产生中性脂质和其他代谢物，以抵御氧化损伤（Qiao等人，2021年；Ren等人，2020年；Song等人，2022年）。这为通过控制压力诱导来优化微藻培养、提高脂质产量和生物产物积累提供了可能性。为了进一步推动这一领域的研究，研究人员探讨了不同压力因素对微藻脂质积累的影响（Yu等人，2020年；Qiao等人，2021年；Zhao等人，2020年；Zhao等人，2021年）。本文深入分析了乳制品废水管理的复杂性，并探讨了传统和现代处理方法。文章还强调了利用乳制品废水培养微藻的潜力。要实现最大化脂质产量并提升废水处理效率，需要优化不同的压力诱导因素（如营养物质、盐分、光照强度和温度），以促进微藻菌株中生物质大分子（如脂质）的积累。这种综合方法利用现有乳制品废水进行微藻培养，为实现两个关键目标提供了有效途径：(i) 通过脂质转化实现可持续生物燃料生产；(ii) 有效处理废水，从而促进循环经济的发展。
乳制品废水的特点
乳制品废水含有复杂的有机和无机成分混合物，包括碳水化合物（如乳糖）、蛋白质、脂质、脂肪、矿物质以及氮和磷等营养物质（Joshiba等人，2019年）。其特性受加工方法、乳制品类型和清洗程序等多种因素影响。
乳制品废水的不同处理方法
乳制品废水中含有蛋白质、脂质、乳糖和矿物质等成分，这些复杂的成分使得处理变得困难。处理乳制品废水对于防止水体污染和回收有价值的资源（如能源和矿物质）至关重要。表2列出了多种用于处理乳制品废水的方法。
压力诱导参数及其对微藻生物量的影响
乳制品废水具有高有机负荷、可变盐度和波动的营养物质浓度，这些因素会对微藻培养造成压力。未经处理的乳制品废水通常含有以牛奶脂肪、乳糖和蛋白质为主的BOD和COD（例如，COD/BOD?约为1.45；P为10–100 mg·L?1；TSS为100–1000 mg·L?1），具体数值受生产计划影响。这些压力因素（如营养不平衡、盐度变化、由于浑浊导致的光照穿透问题等）会对微藻造成影响。
乳制品废水与微藻共处理的环境影响、经济可行性和社会意义
乳制品行业是水资源的重要消耗者，每年产生的废水量估计在373.9万至1121.7百万立方米之间（Boguniewicz-Zablocka等人，2019年）。在奶酪生产过程中会产生大量乳清，每公斤奶酪大约产生9升乳清，导致食物浪费（Sar等人，2022年）。乳制品废水中含有高浓度的有机物质（如碳水化合物乳糖）。
未来展望与挑战
微藻因其富含脂质、生长迅速且能在多种条件下生存，成为生产生物燃料和其他有价值产品的理想选择。乳制品废水含有丰富的有机碳和营养物质（氮和磷），但需要改进策略以充分发挥其潜力。
结论
富含有机物质和营养物质的乳制品废水对环境构成威胁。幸运的是，微藻能够将这些污染物有效转化为有价值的资源，成为废水处理和生物燃料生产的理想解决方案。它们在压力条件下吸收营养物质并积累脂质的能力使其成为理想的处理和生物燃料生产候选者，实现了双赢。
作者贡献声明
Sankaran Krishnamoorthy：可视化、方法论设计、调查、概念构建、审稿与编辑、初稿撰写。
Ricky Rajamanickam：可视化、方法论设计、审稿与编辑、初稿撰写。
Alaa El Din Mahmoud：可视化、审稿与编辑、初稿撰写。
Omar Saleh：可视化、审稿与编辑、初稿撰写。
Rangabhashiyam Selvasembian：数据验证、监督、资源协调、资金筹措。
未引用的参考文献
Ding等人，2014年
Nurdin等人，2021年
Sankaran等人，2014b年
Shah等人，2019年
利益冲突声明
作者们没有需要披露的相关财务或非财务利益。
