使用不同方法对牛尿进行预处理后，对其对微藻生长及价值化利用效果的影响进行评估

《Journal of Water Process Engineering》：Evaluation of effects of cattle urine pretreatment using different methods on microalgal growth and valorization performance

系统对比高压灭菌、臭氧处理和膜过滤三种预处理对微藻培养的影响，发现膜过滤最优，支持藻菌共生，产藻量0.95g/L（较未处理高86.3%），氮去除率91.7%，磷去除率91.6%，并富集功能脱氮菌，提升氮回收及高值产品合成效率，为尿液资源化提供新路径。

　　

Minkang Hu|Zhensheng Xiong|Xiaoyan Lian|Binghong Chen|Shuai Yuan|Xiao Chen|Bojun Peng

中国江西省南昌 Hangkong 大学重金属污染物控制与资源化利用国家地方联合工程研究中心，南昌，330063

摘要

畜牧业生产产生了大量富含氮的牛尿，通过养分流失和污染对生态系统构成了严重威胁。本研究系统比较了三种预处理方法——高压灭菌、臭氧化和膜过滤——以提高基于微藻的资源回收效率。膜过滤方法表现最佳，实现了藻类与细菌的稳定共存，产出了0.95克/升的生物质（比未经处理的样品高出86.3%），氮去除率达到91.7%，总溶解磷减少了91.6%，同时产生了富含蛋白质的生物质（47.85%）。高压灭菌使碳通量转向了脂质积累（45.83%），而臭氧化虽然有效降解了有机物，但由于氧化应激却抑制了藻类生长。微生物群落分析显示，过滤过程富集了具有功能性的反硝化菌，从而提高了氮的回收率（+67%）和高价值产物的合成。这些发现表明，通过预处理优化微生物群落是一种提高养分回收效率和系统稳定性的有效方法，为在循环农业系统中利用牛尿提供了可行的途径。

引言

大规模畜牧业导致了牛尿排放量的激增，其中氮含量（3.8–21.6克/升）和总离子盐含量（4–10克/升）在传统土地施用方式下对环境造成了严重威胁[1]。尿素在土壤中迅速水解为NH?和NH??，导致30–50%的氮通过挥发或淋溶损失[2]，这加剧了地下水硝酸盐污染和N?O排放。高Na?/K?比例的持续输入破坏了土壤的离子平衡，使电导率超过5 mS/cm[3]，从而抑制了作物对Ca2?和Mg2?的吸收，降低了土地生产力[4]。为应对这些挑战，最近的畜牧业管理改进使得分离和收集牛尿变得越来越可行。现代奶牛场和肉牛场现在采用尿液分流地板、斜坡通道和专用收集罐来分离尿液和粪便，将氨排放量减少了40–70%，并促进了养分的回收和再利用[5],[6]。这些已建立的管理系统为收集到的尿液资源化利用奠定了实际基础，使其成为养分循环利用的可行原料。在此基础上，探索高效的生物途径将分离出的尿液转化为增值产品变得越来越重要。

微藻生物技术提供了一种创新解决方案。某些微藻物种能够耐受高达20 mS/cm的电导率，从而避免了盐分抑制[7]。它们能高效吸收氮源（如尿素、氨），并将其转化为富含蛋白质和脂质的生物质。每吨牛尿可生产8–12公斤微藻，回收超过85%的氮，并产生1.5–2.5升生物柴油或4–7公斤饲料蛋白[8]。这使尿液从污染物转变为资源载体，显著减少了对合成介质的依赖[9]，从而在推进循环农业发展的同时解决了污染问题。

最近的研究已经成功地使用牛尿培养出了生产高价值生物产品的微藻[10],[11],[12]。然而，研究表明，高浓度的氨、色度和复杂的微生物群落会抑制微藻的生长[13]。本土细菌和真菌与微藻竞争空间和养分，限制了养分获取并导致生长减缓或停滞[14]。此外，某些微生物会分泌代谢产物（如毒素、有机酸），直接破坏微藻细胞膜完整性，干扰代谢过程并影响生理功能[15]。为了实现高效稳定的微藻培养，预处理牛尿被认为是一种合理且必要的方法，以提高其作为生长介质的适用性。通过预处理，可以调整原始尿液的物理化学性质和微生物结构，减轻氨的毒性，降低色度强度，并抑制抑制性微生物，从而为微藻增殖创造更有利于生物相容性的环境[16]。

稀释是降低氨浓度和色度的传统方法[17]，但仅仅降低氨水平是不够的，因为杀菌细菌和以微藻为食的原生动物仍然存在于稀释后的尿液中，会迅速繁殖并可能引发系统崩溃。这些生物会竞争养分，并直接攻击微藻，破坏其生长环境，严重扰乱培养系统。因此，将稀释与针对性的物理化学预处理结合使用可以更有效地稳定培养介质并促进微藻生长。

实验室规模的预处理技术包括高压灭菌、无菌过滤/离心、臭氧化、紫外线照射和加入次氯酸钠[18],[19],[20]。迄今为止，关于牛尿中微藻培养预处理方法的比较分析仍然很少。其中，高压灭菌、臭氧化和膜过滤是三种实用且广泛适用的选择，可以用来调节微生物活性和养分可用性，每种方法都有其独特的机制和能量需求。因此，实施适当的预处理技术可以显著提高牛尿系统中微藻培养的可行性和稳定性。

高压灭菌是一种传统的灭菌方法。Xu等人[20]使用高压灭菌成功实现了厌氧消化物的完全灭菌。高压灭菌后，消化物中的微藻生物量达到了1.2克/升——比未经灭菌的对照组增加了200%——并且养分利用率显著提高。臭氧是一种强氧化剂，能通过降解细胞壁、核酸（嘌呤/嘧啶碱基）和细胞质膜迅速使微生物失活[21]。Gan等人[22]证明，在5分钟臭氧化处理后，猪废水中的微生物被完全灭活，且对后续的微藻养分去除或脂质合成没有不良影响。过滤可以去除颗粒固体，但会保留溶解的养分，因为小分子无机氮和磷可以透过滤膜。然而，有机结合的养分和胶体相关离子可能会部分保留，这可能是藻类生长改善的原因[23]。Seelam等人[24]使用过滤法预处理食物废物消化物，培养了Desmodesmus和Chlorella vulgaris，获得了2.4克/升的生物质，其中蛋白质含量为67%，碳水化合物含量为13%（重量百分比）。尽管如此，关于牛尿预处理策略在微藻培养中的系统评估仍然有限。

此外，废水中的微生物并不总是有害的。细菌可以分解大分子污染物并调节养分组成，影响微藻的生长动态；除了竞争之外，潜在的共生相互作用还包括生长激素的分泌[25]。Zhu等人[26]比较了在灭菌和非灭菌奶牛消化物中培养Chlorella vulgaris的情况。功能性微生物（如Saccharibacteria、Chlamydiae）增强了藻类与细菌的共生关系，提高了污染物去除效率。然而，其他预处理方法的影响尚未评估。因此，确定既能控制微生物又能保留有益微生物的预处理方法对于优化牛尿系统中的藻类和细菌性能至关重要。

本研究通过三个目标系统评估了三种预处理方法对微藻价值化的影晌：（1）高压灭菌、臭氧化和过滤对微藻培养和资源回收效果的比较分析；（2）每种预处理对污染物降解效率的影响研究；（3）微生物群落在资源回收系统中的功能作用机制探讨，重点关注不同预处理如何改变微生物相互作用和养分循环。

微藻菌株的扩大培养

本实验中使用的微藻来源于实验室连续传代培养的菌株（Chlorella vulgaris，南昌 Hangkong 大学藻类培养收集库）[27]。微藻在BG11（表S2）培养基中培养以促进增殖。培养一周后，微藻进入对数生长阶段，通过分光光度法测得的OD???值稳定增长（R2 = 0.996）。随后通过离心法收集细胞

原始牛尿和预处理牛尿中的微藻生长

图1显示了在不同浓度下的牛尿中微藻生长情况：未经处理的、高压灭菌的、臭氧化处理的和过滤处理的。未经处理的尿液中由于本土微生物的竞争、高色度导致的黑暗环境以及微生物增殖进一步降低了光透过率，导致生长受到严重抑制。未经处理的尿液稀释5%后（图1a），在20天内表现出持续生长，前4天生长迅速

结论

本研究系统比较了高压灭菌、臭氧化和膜过滤作为微藻基牛尿价值化的预处理方法。在这三种方法中，膜过滤表现最佳，实现了藻类与细菌的稳定共存，产生了最高的生物质产量、氮去除率（91.67%）和蛋白质积累量（47.85%）。高压灭菌减少了微生物竞争者，并使碳通量转向脂质生物合成，而臭氧化

CRediT作者贡献声明

Minkang Hu：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。Zhensheng Xiong：撰写——审稿与编辑，监督，资源获取，方法学，资金申请，数据分析，概念化。Xiaoyan Lian：撰写——审稿与编辑，方法学，研究，数据分析。Binghong Chen：撰写——审稿与编辑，研究。

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

本研究得到了江西省研发计划重点项目（编号：20232BBG70009）的财政支持。