《Journal of Water Process Engineering》：Enhanced nutrient removal and microbial stability in a hybrid membrane bioreactor driven by
Chlorella sorokiniana-Bacteria synergism
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微藻膜生物反应器（A-MBR）在盐胁迫下高效处理虾养殖废水，氨氮（83.7±7.7%）、总氮（57.8±27.1%）和总磷（41.5±10.3%）去除率优于传统MBR，藻菌协同作用增强系统稳定性，16S rRNA测序显示微生物群落多样性提升及功能菌群富集。
Thi-Mai-Phuong Nguyen|Phan Nhu Nguyet|Ngo Hoang Long|Phuong-Thao Nguyen|Huu-Viet Nguyen|Cong-Sac Tran|My-Le Du|Masashi Hatamoto|Takahiro Watari|Takashi Yamaguchi
越南胡志明市科学技术大学（HCMUS）环境学院，邮编700000
摘要
养虾废水是一种高盐度且富含营养物质的废水，会导致水体富营养化，破坏水生生态系统，并恶化自然栖息地。本研究开发了一种基于微藻的膜生物反应器（A-MBR），该反应器结合了Chlorella sorokiniana和活性污泥，用于在盐度条件下去除合成养虾废水中的营养物质。系统地将A-MBR的性能与传统的膜生物反应器（C-MBR）进行了比较。结果显示，A-MBR在去除铵离子（NH4+-N）方面的效率为83.7 ± 7.7%，总氮（TN）为57.8 ± 27.1%，总磷（TP）为41.5 ± 10.3%，优于C-MBR，表明其在盐度压力下的处理性能和生物反应器稳定性得到了提升。这种性能的提升与藻类和细菌之间的协同作用有关，包括光合作用产生的氧气、微藻对营养物质的直接吸收以及细菌的硝化-反硝化过程，这些因素共同提高了盐度条件下的生物活性和系统稳定性。高通量16S rRNA基因测序进一步揭示了细菌群落的多样性增加，以及参与氮和磷转化的功能性类群的富集。这些发现为膜生物反应器框架内的藻类-细菌协同作用提供了机制上的见解，并强调了A-MBR作为从盐度水产养殖废水中去除营养物质的有效且可持续策略的作用。
引言
养虾业已成为越南沿海和红树林地区增长最快的水产养殖产业之一，对国家粮食安全和经济发展做出了重要贡献。然而，集约化养虾业的迅速扩张导致了大量未经充分处理的废水排放，引发了严重的环境问题，包括营养污染、生态系统退化、疾病传播和生物多样性丧失[1]、[2]。养虾废水的特点是盐度高且营养物质浓度高，尤其是总氮（TN）为5–20 mg/L，总磷（TP）为0.1–10 mg/L，主要来源于未食用的饲料、粪便和腐烂的生物质[3]、[4]。如果不进行有效处理，这些废水可能会引发富营养化，促进有害藻类的爆发，并导致接收水体出现缺氧状况，从而损害水生生态系统的完整性[5]。
已经应用了一系列物理化学和生物处理技术来减轻水产养殖废水的营养污染。虽然物理化学方法可以快速去除污染物，但其高昂的运营成本和潜在的二次污染问题促使人们越来越关注可持续的生物处理策略[6]。例如，人工湿地（CWs）对氮类物质的去除效率适中，据报道总氮和亚硝酸盐（NO
2?-N）的去除率分别为64–66%和83–94%，但需要大量的土地面积和较长的水力停留时间（HRT），这限制了其在集约化水产养殖环境中的应用[7]、[8]。序批反应器（SBRs）可以实现高氮去除率（> 95%），但其性能严重依赖于外部碳补充、温度稳定性和能耗较高的曝气[3]、[9]。此外，高盐度的废水对生物废水处理系统的性能构成了一个关键且常被低估的制约因素[10]。高盐浓度会增加钠离子进入微生物细胞的量，破坏渗透平衡，迫使微生物将代谢能量用于维持细胞内稳态而非生长和底物转化。这种渗透压力会升高细胞内压力，抑制酶活性，并阻碍微生物代谢。此外，高盐度还会影响细胞层面的氧气传递和利用，进一步限制好氧生物过程，在极端情况下会导致微生物失活或死亡[11]。因此，在盐度条件下，负责硝化、反硝化和磷吸收的关键功能群的活性会显著降低，从而降低营养物质的去除效率。
藻类-细菌共生系统（ABSS）作为一种替代的生物处理方法，最近受到了关注，因为它可以在提高营养物质去除效率的同时增强处理的可持续性[12]、[13]。在该系统中，微藻和细菌之间存在着互利互动：微藻通过光合作用吸收无机营养物质并释放氧气，支持好氧细菌的代谢和硝化过程，而细菌呼吸产生的二氧化碳则被微藻重新利用[14]、[15]、[16]。许多研究表明，ABSS能够有效去除氮和磷，同时减少外部曝气需求和相关的能源消耗[17]、[18]、[19]、[20]。例如，Bhatt等人（2024年）报告称，氮和磷的去除率分别为95.6%和96.1%[13]。尽管具有这些优势，悬浮的藻类-细菌系统往往面临生物量流失和微生物滞留不稳定的问题，尤其是在盐度条件下，渗透压力会破坏聚集体形成和长期过程的稳定性[21]、[22]。
膜生物反应器（MBRs）结合了活性污泥工艺和基于膜的固液分离技术，因其占地面积小、出水质量高和有效的生物量保留能力而受到广泛认可[21]、[23]、[24]。先前的一项关于市政废水的研究表明，在通过曝气控制的交替好氧和厌氧条件下，MBRs的氮和磷去除率分别达到了91%和60%，以及85%和77.5%[25]。这种操作策略促进了硝化和反硝化的同时进行（SND），从而增强了MBRs在营养去除方面的应用性。然而，这些生物过程的有效性仍然高度依赖于微生物活性和环境条件。在处理盐度废水时，传统的MBRs容易受到渗透压力的影响，这会抑制微生物活性，即使在水力条件有利的情况下，也会影响氮和磷的生物转化[26]、[27]。
最近的研究探索了将微藻整合到MBRs中的方法，结合了膜过滤的生物量保留优势和藻类-细菌互作的代谢效益。这种集成配置有助于稳定微生物的滞留，同时利用光合作用产生的氧气，从而减少曝气需求、能源消耗和运营成本[28]、[29]。Corpuz等人（2021年）报告称，这种集成配置显著提高了营养物质的去除效率，NH4+-N和磷酸盐（PO43?-P的去除率分别比传统MBR提高了43.9%和6.4%[30]。尽管基于微藻的MBRs在市政和低盐度废水处理中表现良好，但它们在盐度水产养殖条件下的功能行为、微生物适应性和营养转化机制仍需进一步研究[31]、[32]、[33]。
特别是，关于藻类-细菌联合体如何在盐度压力下重构微生物群落并维持氮和磷的去除作用，目前还缺乏系统的研究。
因此，本研究开发了一种基于微藻的膜生物反应器（A-MBR），使用Chlorella sorokiniana来处理合成养虾废水。具体目标是：（i）研究藻类-细菌共生对A-MBR在盐度压力下氮和磷去除性能的影响；（ii）表征微生物群落结构，以阐明藻类-细菌协同作用的机制。这些发现有望为盐度废水处理中藻类-细菌联合体的功能稳定性和代谢相互作用提供新的见解，为发展可持续的水产养殖废水管理技术做出贡献。
部分摘录
微藻种类、细菌接种物和废水特性
Chlorella sorokiniana（NKH18）99%被用作本研究的主要微藻菌株。该菌株来自越南胡志明市的生物技术中心。种子培养是通过将10%（v/v）的C. sorokiniana接种到500 mL的Bold's Basal Medium（BBM）培养基中制备的[34]。培养在28 ± 3°C下进行，使用灭菌后的空气以2 L/min的流速进行曝气，光照强度为2000–3000 lx，光照来自白色荧光灯，光照时间为12小时
生物量产生
养虾废水通常含有高浓度的氮，主要以NH4+-N的形式存在，因此需要高效且稳定的处理，尤其是在盐度压力下。通过监测初始适应期、加盐期和稳定运行期内的NH4+-N、NO2?-N和NO3?-N来评估A-MBR的氮去除性能。图2展示了实验过程中C-MBR和A-MBR的生物量变化情况。
技术挑战和未来展望
尽管A-MBR在营养物质去除方面表现优异，但仍需承认一些技术挑战和限制。本研究使用的是合成养虾废水，以确保进水成分可控和实验的可重复性；然而，实际的水产养殖废水具有更高的异质性，可能含有不同的有机负荷、悬浮固体，特别是与疾病控制措施相关的残留抗生素。这些成分可能会影响
结论
本研究表明，与C-MBR相比，A-MBR在处理养虾废水时表现出更强的营养物质去除性能。整合Chlorella sorokiniana显著提高了NH4+-N、TN和TP的去除效率，平均去除率分别为83.7 ± 7.7%、57.8 ± 27.1%和41.5 ± 10.3%，超过了C-MBR的效果。此外，A-MBR还保持了更高的生物量保留率，MLSS浓度增加了35.6%（5956 ± 2401 mg/L）
CRediT作者贡献声明
Thi-Mai-Phuong Nguyen：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构思。
Phan Nhu Nguyet：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论设计、资金筹集、概念构思。
Ngo Hoang Long：撰写 – 原稿撰写、方法论设计。
Phuong-Thao Nguyen：撰写 – 原稿撰写、数据整理。
Huu-Viet Nguyen：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。
Cong-Sac Tran：撰写 – 原稿撰写、正式分析。
My-Le Du：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究由越南国家科学技术发展基金会（NAFOSTED）资助，资助编号为105.99-2025.60。
