《Bioresource Technology》：Adaptive optimization of combined steam and CO
2 reforming for hydrogen production from variable biogas feed
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大气室温等离子体诱变技术培育高效突变微藻处理未灭菌猪废水，通过四轮筛选（固态实际猪废水培养基、液体培养基、灭菌猪废水培养基及最终未灭菌猪废水评估），筛选出Chlorella sorokiniana HWY30-4菌株，对总氮、氨氮、总磷去除率分别达60.31%、80.07%、94.12%，同步积累0.06g/L多糖、0.13g/L蛋白质及0.23g/L脂质。基因组学揭示代谢途径增强与有益微生物协同作用是核心机制，为低成本猪废水处理与生物资源回收提供新策略。
王泽源|于红
中国北京林业大学环境科学与工程学院，水污染源头控制技术北京市重点实验室，北京100083
摘要
针对猪废水（SW）的严重危害以及现有处理技术的局限性，本研究创新性地应用了常压室温等离子体（ARTP）诱变技术，并通过四轮筛选过程（在固态实际猪废水（ASW）培养基中培养、在液态ASW中生长、在灭菌后的ASW（S-ASW）中评估综合性能、在未灭菌的ASW（US-ASW）中进行最终评价），以培育出能够高效处理猪废水的高性能突变微藻，且无需复杂的预处理或其他强化方法。Chlorella sorokiniana HWY30-4因良好的适应性和高效的ASW处理能力而被选中。HWY30-4对US-ASW中总氮（TN）、NH4+-N和总磷（TP）的去除率分别为60.31%、80.07%和94.12%。此外，在处理US-ASW的过程中，HWY30-4还积累了丰富的有价值物质（多糖0.06 g/L、蛋白质0.13 g/L和脂质0.23 g/L）。宏基因组分析表明，其性能提升机制主要涉及关键代谢途径的增强以及有益微生物之间的协同作用。本研究为同时实现ASW处理和生物资源回收提供了一条高效可行的途径，凸显了基于ARTP的菌株改良在提升微藻环境治理性能方面的潜力。
引言
全球对猪肉需求的激增导致了大量猪废水的产生（Yu等人，2024年）。猪废水主要由尿液、粪便和洗涤废水组成，含有高浓度的污染物，如营养物质（氮和磷等）、重金属（锌和铜等）、病原体（大肠杆菌和沙门氏菌等）以及抗生素（四环素等）（Li等人，2022a年）。因此，必须妥善处理猪废水，否则可能导致严重的环境问题，如地表水富营养化、土壤污染和抗性基因的传播，对生态环境和人类健康构成严重威胁（Zhou等人，2024年）。
利用微藻系统被认为是高效处理猪废水的有效策略。例如，Guan等人（2025年）使用微藻-真菌联合体（MFC）从经过离心、过滤和灭菌预处理的实际猪废水中去除了45.6%的NH4+-N、46.8%的总氮（TN）和55.0%的总磷（TP）。通过对ASW进行电化学预处理并优化操作条件，微藻Scenedesmus obliquus对TN、NH4+-N和TP的去除率分别超过了89%、96%和99%（He等人，2024年）。Li等人（2022b年）的研究表明，微藻-细菌联合体（MBC）能够高效去除模拟猪废水中的NH4+-N和PO43--P，其去除率比活性污泥分别提高了53.84%和43.52%。基于微藻的系统还能有效去除猪废水中的抗生素，Guo等人（2024a年）构建的四种微藻系统（纯微藻系统、MBC、MFC和微藻-真菌-细菌联合体）从模拟猪废水中去除了79.1–86.6%的四环素、22.9–43.5%的环丙沙星和42.8–56.4%的磺胺甲噁唑。除了上述污染物，基于微藻的系统还被报道能够去除猪废水中的重金属、激素和病原体，同时积累高价值物质（如脂质和色素）（Li等人，2022a年）。
值得注意的是，尽管基于微藻的系统在处理猪废水方面表现良好，但许多研究使用的是模拟废水，且通常需要复杂的预处理（如离心、灭菌和电化学预处理）来创造适合微藻生长的环境条件，这不利于微藻系统的实际工程应用。优化培养条件（如碳氮比、光照、温度等）可以提高微藻系统的适应性和处理能力（He等人，2024年；Yu等人，2024年），但这需要大量的实验验证和严格的环境条件控制。提供CO2通气、添加植物激素或功能性物质已被证明可以有效改善微藻系统的生长状态和处理能力，但这无疑会增加运营成本，并需要妥善处理这些废弃物（Guo等人，2024a年；He等人，2025a年；Yu等人，2024年）。
基于当前的研究现状，或许可以从提升微藻本身的性能入手。可以采用某些策略来增强微藻对猪废水的适应性和处理能力，从而避免复杂的预处理、物质添加和其他优化方法，实现便捷高效的猪废水处理。利用常压室温等离子体（ARTP）诱变技术培育高性能微藻可能实现这一目标。作为一种新型的随机诱变技术，ARTP诱变具有较高的DNA损伤能力，能够培育出具有短期性能稳定性的优良突变菌株，并具有成本效益高、操作过程简单、实验条件温和以及诱变速度快的优点（Li等人，2024a年；Zhang等人，2023年）。更重要的是，作为随机诱变技术的一种，ARTP诱变不涉及有争议的基因改造问题，所产生的突变菌株通常被认为是安全的，且室外培养无需法律或监管许可（Arora和Philippidis，2021年；Yu等人，2020年）。ARTP诱变广泛应用于医学、食品、生物能源和环境修复等领域。通过ARTP诱变获得了许多高性能微生物（细菌、真菌和微藻），这些微生物具有强耐受性、高产高价值物质的能力以及强的污染物处理能力（Li等人，2024a年；Zhang等人，2023年）。例如，通过ARTP诱变获得的突变微藻Desmodesmus sp. AT151的生物量和脂质产量均高于原始菌株AT0，其中三酰甘油产量超过了AT0的84%；此外，AT151对TN和TP的利用效率分别达到了87%和99%，均优于AT0（Yang等人，2025年）。
关于利用ARTP诱变技术培育具有优良污染物处理性能的突变微藻的研究相对较少（Li等人，2023年；Ma等人，2023年），尤其是缺乏具有良好适应性和处理能力的突变微藻的培养。鉴于利用微藻处理猪废水存在的问题以及利用ARTP诱变技术培育突变微藻的研究空白，本研究创新性地应用ARTP诱变技术，培育出了在未灭菌猪废水（US-ASW）中具有优良处理性能的突变微藻（无需复杂预处理）。与使用模拟废水或经过复杂预处理的废水的研究不同，本研究直接针对原始的复杂US-ASW基质，旨在培育出在真实、未优化条件下仍能保持高性能的突变微藻菌株。通过ARTP诱变获得的突变微藻菌株同时实现了高效的营养物质去除和高价值物质的积累，展示了一种相对简化且经济高效的猪废水处理方法。此外，本研究结合了转录组分析和宏基因组分析，阐明了突变微藻菌株的内在代谢增强机制及其与本土微生物的积极相互作用，为性能提升机制提供了更深入的见解。总体而言，本研究为高效处理猪废水和资源回收提供了一种有前景的生物修复策略。
实际猪废水和微藻的来源
猪废水采集自中国北京的北京嘉华养猪有限公司。为消除大颗粒对实验稳定性的干扰并为突变微藻的生长创造合适的营养条件，通过孔径为15–20 μm的滤纸对猪废水进行了简单预处理，并用去离子水按2:3的比例进行稀释（猪废水：去离子水）。稀释后的猪废水特性如下：TN浓度
Chlorella sp. HL的常压室温等离子体诱变及前两轮突变微藻筛选
不同处理时间下HL的致死率见补充材料。根据先前的研究，当致死率超过75%时，发生正向突变的概率较高（Liu等人，2024年；Wang等人，2016年）。因此，在30秒（致死率：77.41%）和40秒（致死率：96.33%）的诱变时间下选出了突变微藻进行第一轮筛选。在第一轮筛选中，通过...
结论
本研究创新性地应用ARTP诱变技术培育出了具有高效猪废水处理性能的微藻。特别是Chlorella sorokiniana HWY30-4，其生长能力和在S-ASW中的处理性能显著优于原始菌株HL，且无需复杂的预处理或强化措施。对于US-ASW，HWY30-4表现出良好的生长和光合作用活性，能够高效去除60.31%的TN和80.07%的NH4+-N。
CRediT作者贡献声明
王泽源：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。于红：撰写——审稿与编辑、验证、项目监督、资金获取、数据分析、概念构建。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究项目得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3207700）和国家自然科学基金（项目编号：52270021）的财政支持。
