《Algal Research》：Biotreatment of table olive processing wastewater and simultaneous biomass production by a mixed culture of
Picochlorum costavermella and indigenous microorganisms in laboratory and pilot-scale reactors
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微藻Picochlorum costavermella用于处理高盐高酚橄榄油废水并生产富含蛋白质的生物质，实验室及半工业试验显示COD、硝酸盐、磷酸盐和酚类去除率分别达84%、86%、94%、83%，出水COD<120 mg/L符合希腊排放标准，同时实现生物质高附加值回收。
斯特凡妮娅·帕齐亚卢（Stefania Patsialou）|迪米特里斯·V·瓦耶纳斯（Dimitris V. Vayenas）|阿萨纳西亚·G·特克雷莱科普卢（Athanasia G. Tekerlekopoulou）
帕特拉斯大学可持续农业系，G.塞费里街2号，30100，阿格里尼奥，希腊
摘要
橄榄加工会产生高盐度、富含酚类的废水，这对废水处理构成了重大环境挑战，尤其是对于小型加工企业而言。本研究探讨了耐盐微藻Picochlorum costavermella在单步生物处理中的应用，该方法用于处理未经灭菌的新鲜橄榄加工废水（TOPW），同时还能产生生物质。首先在人工盐培养基中评估了这种微藻的自养生长情况，随后在TOPW中进行了混合营养培养。“Kalamon”和“Halkidiki”品种的橄榄加工废水被海水稀释后，初始溶解化学需氧量（d-COD）浓度分别为约500毫克/升和1500毫克/升。在实验室规模的反应器中，生物质浓度达到740毫克/升，去除率分别达到84%的d-COD、86%的硝酸盐、94%的正磷酸盐和84%的总酚类物质。最终d-COD低于120毫克/升，符合希腊的排放标准。在柱式光生物反应器中，生物质浓度达到475毫克/升，d-COD和酚类的去除率分别为79%和96%。这种混合微藻-本土微生物培养方法有效去除了有机/无机污染物，并产生了富含蛋白质（33%）、脂质（25%）和碳水化合物（11%）的生物质。此外，还实现了显著的脱色效果（最高达83%），并且柱式光生物反应器显示出良好的放大潜力。
引言
地中海地区的橄榄种植与这些国家的营养、文化和贸易密切相关。全球大部分橄榄产量来自地中海国家。在欧洲生产国中，西班牙、希腊和意大利合计占全球产量的约30%，而埃及和土耳其分别贡献了15%和16%。
近年来全球橄榄产量最高记录出现在2021年，总量达到2450万吨，其中希腊贡献了276万吨。
根据橄榄的加工方式（西班牙式、加州式或希腊式），橄榄加工会产生不同类型的废水[3]。橄榄加工废水（TOPW）具有明显的季节性变化，其特征是有机负荷高（30,000–35,000毫克/升COD）、总酚含量高（120–4000毫克/升TPC）、pH值范围广（3.6–13.6）、盐度较高（36.4–62.7‰）、酸度较高（3.5–15克/升）以及电导率较高（53.1–94.2毫西门子/厘米）[4]、[5]。废水中还常见氮和磷等无机营养物质[6]。未经处理的TOPW随意排放到自然水体中会对环境造成严重威胁，尤其是对小型本地生产商而言。常见的处理方式是将废水排放到开放式蒸发池中，这会导致缺氧和恶臭现象，最终污染地表水和地下水[7]。TOPW的d-COD和TPC浓度远高于希腊法规规定的安全排放限值（分别为0.5毫克/升和5.0毫克/升TPC，以及120毫克/升和1000毫克/升d-COD）[8]，因此亟需有效的TOPW处理方法。
此外，由于橄榄产量巨大，环境影响更为严重：据文献报道，黑橄榄加工每吨会产生0.9–1.9立方米的废水，而绿橄榄加工每吨会产生3.9–7.5立方米的废水[6]、[9]、[10]。帕齐奥斯等人[11]报告称，一家年处理能力为1600–2000吨橄榄的希腊加工厂每年会产生约6000立方米的TOPW，相当于每吨加工水果产生3.0–3.8立方米的废水。帕帕达基和曼佐里杜[5]估计，西班牙式绿橄榄的加工过程中产生的废水量为每公斤3.5升，天然黑橄榄为每公斤1.5升。鉴于废水中污染物浓度高且产量大，TOPW对环境构成了重大负担，需要高效且可持续的处理方案。
已经有多种技术被应用于TOPW的处理，包括物理化学吸附等单步方法[12]，以及生物和电化学/物理化学过程的组合[4]、[7]、[9]、[10]、[13]、[14]、[15]、[16]，还有好氧-厌氧生物处理方案[17]、[18]，以提高整体去除效率。好氧生物系统利用本土微生物（包括细菌和真菌）的活性，有效去除有机负荷和酚类化合物，并促进废水脱色[11]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。
此外，利用微藻/蓝细菌进行好氧处理还具有双重好处：除了生物修复外，还能生产高附加值的生物质。将微藻接种到废水中可形成动态的微藻-细菌联合体，其中本土细菌分解有机化合物并释放二氧化碳（CO2），供微藻用于光合作用。这种基于微藻的方法代表了可持续且环保的生物处理系统。
鉴于橄榄加工废水的极高盐度，使用耐盐海洋微藻是一种特别有前景的策略，既可用于生物修复，也可同时实现生物质增值。培养海洋微藻具有优势，因为它们产生的生物质富含高价值的生物产物[25]。虽然海洋微藻通常不直接供人类食用，但其生物质通过水产养殖、家禽和牲畜饲料进入食物链，因为其中含有蛋白质（B1、B2、B6、B12）和欧米伽-3脂肪酸[26]、[27]。此外，某些物种的细胞内盐分同化潜力引起了研究兴趣，尤其是在生物海水淡化过程中的应用[27]。尽管淡水微藻在废水处理研究中更为常见，但海洋微藻为高盐度废水处理提供了有前景的解决方案。
文献回顾显示，利用微藻系统处理TOPW的研究相对较少。具体而言，只有两项研究报道了使用耐盐微藻处理含盐橄榄废水的情况。Contreras等人[1]和Serrano等人[28]研究了海洋微藻Nannochloropsis gaditana在橄榄加工废水中的生长情况及其对废水生物处理的效果。值得注意的是，在这两项研究中，废水在稀释前都经过了离心和过滤处理。两项研究均实现了70–80%的TPC去除率，产生的生物质蛋白质含量分别为42%和74%。基于这些发现，研究人员考察了从爱奥尼亚海分离出的耐盐Picochlorum菌株在无需营养补充或废水灭菌的情况下处理TOPW的效果，并评估了其同时产生生物质的能力。
Picochlorum costavermella菌株的发现和首次鉴定相对较新[29]。Picochlorum属的一个关键特性是其对广泛盐度的耐受性[30]，包括高达107.5‰的极端盐度[31]。该菌株产生的生物质被认为是高价值生物技术的宝贵来源，如生物燃料生产以及制药和营养保健品行业的原料，其脂质含量可达48.6%[32]，蛋白质成分具有多样化的氨基酸谱[29]。
本研究中使用的Picochlorum costavermella菌株是从爱奥尼亚海的一个沿海地区分离出来的。此前已在控制实验室条件下使用合成营养培养基（1升反应器）[33]和大规模的40升跑道池塘[34]中对其进行研究。现有的关于Picochlorum菌株的研究主要集中在实验室规模培养[31]、[32]、[35]、[36]、[37]上。使用合成培养基的大规模应用也展示了高生物质产量[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。然而，基于废水的Picochlorum培养仍较为有限，相关研究主要针对市政废水[44]、[45]、采矿和热液液化过程的工业废水[46]、[47]以及水产养殖废水[48]，而大规模研究则集中在含盐人工基质[49]、垃圾填埋场渗滤液[38]、水产养殖废水[50]或热液液化过程[51]上。据我们所知，此前尚未有研究探讨P.costavermella在食品工业废水处理中的应用。在本研究中，P.costavermella首次被用于未经灭菌的新鲜橄榄加工废水（TOPW）的处理，废水用海水稀释。研究了两种不同的基质，分别来自“Kalamon”和“Halkidiki”品种。“Kalamon”品种属于天然黑橄榄（希腊式加工），在果实成熟时采摘，果实呈红色；“Halkidiki”品种属于绿橄榄（西班牙式加工）。实验在实验室（1升烧瓶）和半规模（10升柱式光生物反应器）条件下进行，重点关注废水中污染物的去除和生物质组成。
P.costavermella光自养菌株的培养条件
球形海洋微藻P.costavermella来自希腊安蒂里奥（Antirio）瓦西利基（Vasiliki）的沿海地区，其分类特征由Dritsas等人[33]描述。该菌株在3升玻璃Erlenmeyer烧瓶（工作体积：1升）中培养，采用非无菌条件，使用人工海水（ASW）培养基，温度控制在24±1℃，pH值范围为8.5至10（未进行控制）。使用磁力搅拌器保持持续搅拌。
人工培养基中P.costavermella海洋微藻的生长
首先研究了P.costavermella海洋微藻在人工培养基中的自养生长情况，以评估其在无异养微生物条件下生产生物质和生物产物的潜力。最初使用的人工海水（ASW）中添加了硝酸盐（124.2±6.9毫克/升NO??-N）和磷酸盐（3.1±0.2毫克/升PO?3?），氮磷（N/P）比为40.1[63]。还配制了一种改良的ASW（mASW），减少了营养成分。
结论
本研究考察了P.costavermella海洋微藻在人工海水培养基和含盐废水流中的自养生长情况，盐度水平与天然海水相当（33‰）。据我们所知，这是首项利用海洋微藻处理TOPW的研究，尤其是在不进行预先灭菌或培养基营养补充的情况下。混合微藻-细菌系统
CRediT作者贡献声明
斯特凡妮娅·帕齐亚卢（Stefania Patsialou）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学研究、数据分析、数据管理。迪米特里斯·V·瓦耶纳斯（Dimitris V. Vayenas）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据分析、概念构建。阿萨纳西亚·G·特克雷莱科普卢（Athanasia G. Tekerlekopoulou）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、方法学研究、数据分析、概念构建。
资金来源
本研究未获得公共部门、商业机构或非营利组织的任何特定资助。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢乔治·阿格利斯教授（Professor George Aggelis）和帕纳吉奥蒂斯·德里察斯博士（Dr. Panagiotis Dritsas）的合作，他们提供了用于研究的P.costavermella海洋微藻菌株。该菌株是在“Isolation of microalgae native to the Ionian Sea and their use in the production of high added value products - IonianAlgae”（项目编号MIS 5045862，FK 80967）项目中分离和研究的。该项目得到了希腊国家研究和技术秘书处的联合资助。
