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红蓝光比例优化增强藻菌真菌三联共生体系对水产养殖废水中的营养及抗生素协同去除研究。通过构建四株复合系统（单藻株、藻菌二元、藻菌真菌三元及对照），发现5:5红蓝光比例下三元体系（Strain 4）对COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分别达78.96%、82.37%、63.16%、84.51%，且对0.25 mg/L浓度下氧四环素（96.23%）、环丙沙星（79.62%）、磺胺甲噁唑（82.16%）去除效率显著。密度泛函理论揭示氧四环素降解与疏水能（1.23 eV）、窄能隙（4.28 eV）及高反应位点密度相关。
作者：卢蓓、赵春志、王正芳、赵永军、张静、袁学红
上海工业大学化学工程与能源技术学院，中国上海 201400
摘要
探索有效的营养物质和抗生素污染物去除技术对于解决水产养殖废水污染问题至关重要。本研究采用了一种新方法，旨在优化红蓝光比例，以增强由藻类、细菌和真菌组成的共生联盟，从而高效去除污染物。评估了四种系统：普通小球藻 单培养（菌株1）、普通小球藻 + S395-2（菌株2）、普通小球藻 + 红色克隆芽孢杆菌（菌株3）以及 普通小球藻 + S395-2 + 红色克隆芽孢杆菌（菌株4）。结果表明，5:5的红蓝光比例提供了最佳生长条件，在此条件下，菌株4成为一种稳定且高效的优势共生联盟。该系统对常规污染物的平均去除率最高，分别为COD（78.96 ± 3.21%）、TN（82.37 ± 5.31%）、NH4+-N（63.16 ± 4.17%）和TP（84.51 ± 3.71%）。此外，在0.25 mg L?1的抗生素浓度下，菌株4对土霉素（OTC，96.23 ± 2.01%）、环丙沙星（CPFX，79.62 ± 5.31%）和磺胺甲噁唑（SMZ，82.16 ± 4.76%）的去除效率更高。密度泛函理论（DFT）计算表明，OTC的优异降解性能归因于其适度的两亲性（ω = 1.23 eV，N = 2.79 eV）、最窄的HOMO-LUMO间隙（4.28 eV）以及丰富的活性位点分布。这些发现为了解水产养殖环境中的污染物缓解机制提供了宝贵的科学见解。
引言
随着全球对水产品需求的激增，水产养殖业正在快速增长。受经济利益的驱使，养殖户经常过度投喂、过度施肥并使用富含营养的饲料（Yang等人，2024年）。抗生素也经常被添加到饲料或水中以控制疾病。然而，这种追求最大产量的方法带来了严重的生态后果。饲料中的营养物质利用率很低，只有13.9%的氮和25.4%的磷被转化为水产品，大部分积累在沉积物中或溶解在水中（Xiao等人，2024年），破坏了生态平衡（Lian等人，2024年）。虽然抗生素有益，但它们是一把双刃剑；其残留物会危害水生生物并促进耐药微生物的产生，使生态问题更加严重（Wen等人，2025年）。此外，抗生素还会破坏有益微生物，削弱水的自然净化能力（Geetha，2025年）。耐药细菌对人类健康和公共安全构成威胁，并通过食物链传播（Guo等人，2024年）。因此，平衡经济增长与环境保护对于可持续的水产养殖至关重要。
目前，生物处理方法因其独特优势而受到广泛关注。这些方法主要依靠微生物分解和吸收水体中的污染物，如有机物、氮和磷，从而改善水质（Wang等人，2023年）。细菌在生物处理方法中的应用形式多种多样，包括益生菌、生物絮体和固定化微生物（Liu等人，2025a）。在众多生物处理方法中，藻类-细菌共生技术因其绿色、经济和可持续的特点而成为当前的研究热点（Meher和Sharma，2022年）。与纯微藻培养相比，藻类-细菌共生系统在废水处理方面表现出更优的性能（Xiao等人，2023年）。这主要是因为共生系统中的细菌可以产生维生素、生长激素和群体感应分子等物质，为微藻生长提供有力支持，从而提高整个系统的处理效率（Leng等人，2021年）。最近，将真菌整合到微生物联盟中引起了人们的兴趣，因为这有可能进一步提高系统的稳定性和功能性。例如红色克隆芽孢杆菌等真菌可以提供独特的优势，包括为生物膜形成提供结构支持、分泌胞外酶以降解顽固化合物，以及促进代谢物交换，从而实现更稳定和高效的复杂废水处理系统（Huang等人，2024年）。
在微藻生长过程中，光照是影响光合系统性能的基本因素。虽然自然阳光变化较大且通常不够理想，但发光二极管（LED）可以精确调节光谱，以最大化光合作用效率（Mard Elijah等人，2020年）。为了最大化光合作用效率，微藻对光照有严格的要求，光照周期（包括平衡的光照时间和规律的光暗交替周期）是决定其生长活性和代谢强度的关键因素（Wang等人，2024年）。尽管自然光具有完整的光谱范围，但它受到不可控波动的影响。例如，冬季或阴天光线太弱，而夏季或强光条件下光线过强。此外，光照周期受自然节律限制，无法根据微藻的生长需求灵活调整（Li等人，2025年）。为了解决这个问题，研究提出了使用特定窄带光频率（如LED光源）的方法。这种方法不仅精确匹配了微藻的光合作用光谱，还允许灵活调节光照周期参数，是一种高效且经济的策略，以支持微藻的光合作用和生长（Su等人，2025年）。
相关研究表明，在350 μmol m?2 s?1的光强度和14小时光照/10小时黑暗的周期条件下，普通小球藻可以实现最佳生长和废水净化效率（Wang等人，2023年）。在藻类-细菌共生系统中，微藻主要通过光合作用将光能转化为化学能，为其生长和代谢活动提供能量（Li等人，2025年）。因此，环境条件的变化（特别是光暗比例）在调节共生系统的光合作用中起着关键作用（Esteves等人，2025年）。进一步的研究表明，光暗交替周期显著影响微藻对CO2的吸收，从而改变光合作用效率和系统的整体性能（Akca等人，2024年）。此外，光暗周期的变化还可以改变微藻细胞内的色素组成，从而调节其代谢活动和废水净化能力（Sun等人，2023年）。值得注意的是，在基于微藻的共生系统中，18小时光照/6小时黑暗的周期可以实现更好的废水净化效果（Cao等人，2022年）。同时，在利用藻类-细菌共生技术处理沼气和沼气浆液时，蓝光与红光的强度比为1:1可以优化CO2和营养物质的去除效率，这是该应用场景的首选光照条件（Sobhi等人，2022年）。然而，关于定制LED光谱（特别是红蓝光比例）如何影响更复杂的藻类-细菌-真菌联盟的协同作用和污染物去除能力的机制理解仍很大程度上尚未探索。
尽管在这一领域取得了显著的研究进展，但在将这项技术应用于同时含有营养物质和抗生素的水产养殖废水中仍存在明显的研究空白：首先，大多数当前的研究分别研究营养物质去除或抗生素降解，而不是系统地评估藻类-细菌-真菌联盟如何在定制的LED光照下同时去除常规污染物（如COD、N、P）和多种抗生素类别。其次，特定红蓝光比例与复杂共生系统性能之间的机制联系尚不清楚。第三，对于这些系统如何响应和去除结构多样的抗生素的理解有限，阻碍了处理过程的有针对性的设计。
为了解决这些空白，本研究明确探讨了优化红蓝LED光比例以增强一种新型的三组分共生联盟（普通小球藻、细菌菌株S395-2和真菌红色克隆芽孢杆菌），从而同时去除营养物质和多种抗生素。本研究精心构建了四种基于藻类的共生系统：普通小球藻单培养（菌株1）、普通小球藻 + S395-2（菌株2）、普通小球藻 + 红色克隆芽孢杆菌（菌株3）以及 普通小球藻 + S395-2 + 红色克隆芽孢杆菌（菌株4）。首先，分析了不同红蓝光比例（7:3、5:5和3:7）对形态特征、生长、叶绿素荧光参数和营养物质净化的影晌，以找到最佳光照条件。然后，在最佳光照条件下，研究了不同抗生素浓度对菌株生长、叶绿素荧光参数和模拟废水中抗生素去除的影响，以确定促进或抑制抗生素的浓度阈值。最后，在最佳光照条件下量化了最佳菌株（菌株4）的抗生素去除效率，并通过DFT探讨了去除三种抗生素（OTC、CPFX、SMZ）的机制差异。这项工作不仅提供了一种有效的生物处理配置，还提供了关于光照优化和联盟工程在管理复合水产养殖污染物方面的协同作用机制的更深入见解。
化学试剂
化学试剂详见支持信息文本S1。
生物材料
普通小球藻（FACHB-8） 来自中国科学院水生生物学研究所的淡水藻类培养库。在实验使用前，这些藻类在BG-11培养基中进行了预培养和扩增，培养过程在连续冷白光LED照明下进行，光照强度为3000 Lux，温度为25 ± 2 °C，光照周期为12小时光照/12小时黑暗
红蓝光比例对菌株4形态特征的影响
光的质量，特别是红光与蓝光的比例，在控制藻类-细菌聚集体的形成和形态方面起着关键作用。在这项研究中，我们检查了在不同红蓝光比例下普通小球藻 + S395-2 + 红色克隆芽孢杆菌颗粒的形态特征（图S2）。在单色蓝光（0:10）下形成的颗粒较大（8-10毫米），但不均匀。在3:7的比例下，颗粒变得较小（3-4毫米），且更加均匀
结论
本研究表明，5:5的平衡红蓝光比例是最优的光照策略，这与增强基于藻类的共生系统的生长和污染物去除性能有关。在这种条件下，三组分联盟（菌株4）表现出良好的效果，实现了相对较高的生长和多种常规营养物质及多种抗生素的有效去除。机制研究表明，OTC的显著去除可能是由于...
CRediT作者贡献声明
卢蓓：撰写——原始草稿、方法论、数据分析。赵春志：撰写——审稿与编辑、方法论、研究、数据分析。王正芳：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金申请、数据分析。赵永军：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。张静：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。袁学红：撰写——审稿与编辑、资金申请、数据分析、数据收集
资助
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42507037、32571882）和苏州市科技计划（资助编号：2023ss04）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
