《Environmental Research》：Microalgae-fungi co-cultivation for swine wastewater treatment: Insights into EPS-mediated aggregation mechanism
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微藻-真菌共生体系（MFCS）优化猪粪污水净化，发现S obliquus与A niger共培养去除效率最高（TP89.93%、COD79.36%、TN73.85%）。真菌通过酶解促进EPS重构，形成羧基/羰基富集的粘弹性大分子，增强聚集体稳定性。经济评估显示总处理成本0.304 USD/m3，与常规活性污泥法相当但省去污泥处置费用，凸显经济可行性。该机制阐明为规模化应用提供理论支撑。
Lixin Li|Xuan Zhao|Tao Sheng|Xiaochi Feng
黑龙江科技大学环境与化学工程学院，哈尔滨，150022，中国
摘要
尽管微藻-真菌共生体（MFCS）已成为猪场废水处理的可持续策略，但细胞外聚合物（EPS）的演变与聚集体稳定性之间的机制联系尚未完全明了。在本研究中，使用Scenedesmus obliquus、Chlorella pyrenoidosa和Chlorella vulgaris与Aspergillus niger共培养，开发出了高效的MFCS。其中S. obliquus-A. niger共生体的表现最佳，总磷（TP，89.93%）、化学需氧量（COD，79.36%）和总氮（TN，73.85%）的去除效率均显著提高。生理分析表明，单培养条件下的高氨氮压力会导致严重的氧化损伤，表现为SOD/CAT活性高出55-62%，MDA含量高出56%。与单培养系统相比，真菌共培养使EPS产量增加了约40%，并形成了富含羧基和羰基的蛋白质类腐殖质大分子。这些成分变化增强了EPS的粘弹性和凝聚力，从而形成了结构稳定的藻-真菌颗粒。技术经济评估显示，总处理成本为0.304美元/立方米，与传统活性污泥处理方法相当（约0.30美元/立方米）。然而，该系统无需考虑污泥处置成本，因此在猪场废水管理方面具有成本效益。总体而言，本研究阐明了EPS介导的聚集机制，并证明了MFCS作为节能且经济可持续的猪场废水处理策略的可行性。
引言
全球城市化和工业化的加速导致了富含氮（N）和磷（P）的有机废水的产生和排放量大幅增加（Abdelfattah等人，2023；Ye等人，2019）。传统处理方法如活性污泥、人工湿地和厌氧消化可以有效去除污染物，但通常能耗高、产泥量大且养分回收效率有限（Li等人，2021；Wang等人，2025；Wu等人，2023）。因此，基于微藻的修复方法作为一种可持续替代方案应运而生，能够同时吸收养分并将废物流转化为有价值的生物质原料，用于生物燃料和生物肥料（Jing等人，2025a；Feng等人，2020；Kurniawan等人，2024）。然而，传统的收获方法（如离心）成本较高，占总生产成本的20-30%，限制了回收生物质的经济可行性（Najjar和Abu-Shamleh，2020；Tan等人，2020）。此外，由于高浊度导致的光透过率有限、存在微藻无法直接吸收的复杂有机化合物以及藻细胞沉淀性能差，这些技术限制了微藻的广泛应用（Brillas，2020；Wang等人，2022；Xiao和Zheng，2016）。为了解决这些问题，微藻-真菌共培养系统（MFCS）受到了越来越多的关注，并显示出比其他共培养策略更显著的优势。丝状真菌为藻类提供了更大的附着表面，从而增强了种间相互作用（Wang等人，2023）。此外，真菌的细胞外酶可以将复杂有机物降解为藻类可利用的养分，创造出协同的微环境，提高整体污染物去除效率（Huang等人，2020）。
尽管MFCS具有巨大潜力，但在高营养浓度的猪场废水环境中，关于其基本相互作用机制的关键知识仍存在空白。虽然已知细胞外聚合物（EPS）可介导细胞附着，但EPS在高压污染条件下的结构重组在维持聚集体稳定性中的具体作用仍不明确。大多数现有研究主要集中在污染物去除效率上，忽视了真菌菌丝如何诱导藻类EPS成分变化的微观机制。理解这些结构变化至关重要，因为藻-真菌颗粒的长期稳定性直接决定了系统对水力剪切的抵抗能力和运行可靠性。
从应用角度来看，针对高浓度废水条件选择合适的藻-真菌组合目前仍主要依靠经验。许多在标准培养基中有效的组合在暴露于高浓度氨和有机物时无法形成稳定的颗粒，因此需要严格的筛选过程来识别能够进行协同代谢的强健菌株。此外，尽管节能通常被认为是MFCS的主要优势，但对其技术经济可行性的系统评估却很少。缺乏定量数据来比较EPS介导的生物絮凝与传统机械收获方法的能量平衡，这限制了对该技术可扩展性的评估。为了解决这些科学和实际问题，本研究旨在构建一种适用于猪场废水处理的高效MFCS。具体而言，本研究旨在（i）确定最合适的藻-真菌物种，（ii）阐明EPS在聚集体形成和稳定性中的组成和功能作用，（iii）初步评估该系统的经济可行性，为其后续优化和大规模应用提供科学依据。
部分摘录
微藻、真菌和人工废水
微藻菌株（Scenedesmus obliquus, Chlorella pyrenoidosa和Chlorella vulgaris）来自我们的实验室档案，真菌菌株Aspergillus niger Y3由城市水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）提供。使用灭菌后的BG11培养基，在25 ± 1 °C和5000 lx光照强度（12/12小时光照/黑暗周期）下培养微藻。Aspergillus niger最初在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）上培养
养分去除
根据不同MBS的养分去除性能（图1），第5天的TP去除效率超过了80%（图1a），表明所有系统都具有很强的磷去除能力。其中，S2系统的去除率最高，达到89.93%，显著优于其他系统。这一发现证实，引入真菌显著增强了微藻在猪场废水中的养分去除能力
结论
本研究建立了一种高效的S. obliquus-A. niger共培养系统，作为猪场废水处理的优越策略，实现了89.93%的TP去除率、79.36%的COD去除率和73.85%的TN去除率。本研究的关键发现是阐明了真菌介导的EPS结构重组机制对聚集体稳定性的影响。与单培养系统相比，共培养系统显著减轻了生理压力，表现为
CRediT作者贡献声明
Tao Sheng：撰写 – 审稿与编辑。Xiaochi Feng：撰写 – 审稿与编辑。Lixin Li：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。Xuan Zhao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督
未引用参考文献
Li等人，2024；Oswald等人，1957；Wang等人，2023；Wang等人，2023；Wang等人，2022；Wang等人，2025；Wang等人，2023；Xiong等人，2023；Zhang等人，2024；Zhao等人，2025。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52470032）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2024A1515030138）、城市水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）（编号2024TS25）、深圳市科技计划（编号JCYJ20240813104840054）、黑龙江省自然科学基金（LH2023E125）以及黑龙江大学博士后研究基金的支持
