基于PBR藻-菌共生系统的生态修复技术：含重金属Zn的厌氧消化废水中资源利用与微生物群落演化

《Environmental Research》：Resource Utilization and Microbial Community Evolution in Anaerobic Digestion Effluent Containing Heavy Metal Zn via Eco-remediation Technology Based on a PBR Algal-Bacterial Symbiosis System

微藻-细菌共生系统在锌污染治理中的应用研究，通过Algae-assisted Sequencing Batch Photo-Bioreactor（A-SBPBR）处理含锌厌氧消化流出物，实现高效污染物去除（sCOD降解71.96%，TN/TP去除率超93%），促进藻类脂质积累（6.45%），抑制立克次氏菌（0.53%），验证系统对生态平衡的调控作用。

　　

雷峰|张坤|龙晓中|刘志鹏

沈阳航空航天大学能源与环境学院，沈阳，110136

摘要

含有重金属锌（Zn）的厌氧消化出水（ADE）对水生生态系统构成了严重且持久的威胁，因此需要高效且可持续的生态修复技术。传统的物理化学方法成本高昂且容易引发二次污染，无法恢复受污染水体的生态功能。基于生态工程和水资源修复原理，本研究开发了一种藻类辅助的序批式光生物反应器（A-SBPBR）——一种藻类-细菌共生系统——用于处理含锌的ADE，旨在通过微藻生物量的产生实现高效污染物去除、锌风险降低和资源回收，从而为受污染水体的生态修复和可持续管理提供解决方案。本研究考察了ADE中可溶性化学需氧量（sCOD）、总氮（TN）、氨氮（AN）和总磷（TP）的去除效率，以及微藻的生理参数。高通量测序技术用于分析微生物群落结构的动态变化并评估其生态功能，从而评估该技术的修复潜力。结果表明：（1）A-SBPBR系统表现出优异的污染物去除性能，sCOD的降解率为71.96%，TN为93.22%，AN为81.80%，TP为93.31%；出水浓度分别降至322.18 ± 42.65 mg/L、2.8421 ± 0.27 mg/L、6.0423 ± 0.59 mg/L和2.3418 mg/L。（2）藻类-细菌系统显著增强了微藻的脂质积累：粗脂肪含量增加了6.45%，比初始水平提高了3.00%，突显了其从废水中回收营养物质的潜力。（3）在微生物分析中，后期假单胞菌目（Pseudomonadales）显著富集，而潜在致病性的立克次体目（Rickettsiales）的丰度被抑制到极低的0.53%。这些变化证实了该系统在抑制病原体、改善水质和维持生态平衡方面的潜力。

引言

工业化和城市化的加速发展引发了人们对废水中有害金属污染所导致的公共卫生问题的广泛关注¹，[18]，[23]。研究表明，不当排放含重金属的废水不仅会对海洋物种和环境产生负面影响，还会通过食物链中的生物累积对水生生态系统造成多方面的危害，最终威胁人类健康和安全。

例如，Islam等人对孟加拉国Korotoa河的研究²，^[14]显示，冬季水体中铬（Cr）和镉（Cd）的平均浓度分别达到83 μg/L和11 μg/L，远超世界卫生组织规定的饮用水限值（5 μg/L和3 μg/L）。在中国一些典型的金属采矿区³，^[15]，农田土壤中的铅和锌的平均浓度分别高达1536 mg/kg和1371 mg/kg，导致水稻和蔬菜受到严重重金属污染。这种污染不仅限制了作物生长，还对人体健康构成严重风险。研究发现⁴，^[1]，重金属纳米晶体（如CdTe）对小鼠具有显著的生殖毒性。在100 μg/mL的浓度下，它们可使精子活力降低约67%，并诱导DNA片段化，导致生育能力下降约26%。

在这些污染物中，锌（Zn）作为一种典型的重金属污染物，在废水处理中需要特别关注，因为它具有环境持久性、生物毒性和生态累积性⁵，[12]，[33]。在能源开采领域，锌几十年来一直作为液压油和大多数润滑油中的重要抗磨添加剂。这意味着在海上原油开采过程中，锌很容易通过原油或操作液泄漏到海洋和周围的水环境中。因此，除了推进绿色开采技术改革外，实施生态修复措施对于保护生物多样性以及遵守国际淡水与海洋污染责任公约和可持续水资源管理原则至关重要⁶，^[3]。

尽管当前的处理技术（如化学沉淀、离子交换和膜分离）可以部分去除重金属，但它们受到高运行成本、去除效率不稳定以及容易引发二次污染的固有限制⁷，[38]，[42]。近年来，新兴的“绿色膜技术”⁸，^[27]（如绿色纳米颗粒改性膜和基于MOF的复合膜）在保留顽固污染物、高效去除重金属以及提供抗菌和防污性能方面展现出显著潜力。然而，当前的绿色膜仍面临机械强度不足、稳定性差、成本高和毒性评估不充分等挑战。未来的研究应重点关注多参数优化、开发低成本绿色前体材料，并进行长期性能和生物安全性评估，以推动膜技术的工业化应用。因此，开发高效、经济且环保的生态修复技术对于实现受污染水体的可持续管理和资源化利用至关重要。

近年来，由于藻类-细菌共生系统独特的协同代谢机制⁹，^[21]，它们在废水处理中显示出巨大潜力。微藻通过光合作用释放氧气，促进好氧细菌降解有机污染物；同时，细菌代谢产生的二氧化碳和矿化代谢物为微藻生长提供碳源和营养物质，形成了一个高效的材料-能量循环系统¹⁰，^[34]。通过对藻类-细菌共生关系的深入研究，发现这些系统不仅能去除COD、TN、TP和BOD，还能有效控制和净化大肠杆菌、致突变物质和病毒。此外，当污染物浓度在微藻可耐受范围内时，废水中的金属离子和有毒化合物也能被有效去除。与传统活性污泥工艺相比，藻类-细菌共生系统在去除氨氮、总氮和总磷方面表现出更优的性能¹¹，[13]，[28]。当前的研究表明，Zhao¹²，^[42]等人回顾了现有的废水重金属去除方法，并最终提出利用藻类-细菌共生具有更优的优势。在这种方法中，细菌将微藻积累的重金属进行生物转化，通过细菌分解实现解毒。该方法具有高效性、经济可行性和操作简便性。Dhanker¹³，^[9]等人认为，藻类-细菌共生可以同时去除废水中的有机和无机污染物，同时减少温室气体排放并抑制病原体繁殖。此外，该处理过程中产生的微藻生物质有助于推动循环经济的发展。Shi¹⁴，^[29]等人发现，PU-小球藻-细菌联合体在处理工业废水时能有效降低出水生物毒性。Bucci¹⁵，^[4]等人研究了SBRAB系统在去除乳废水中氮和有机碳方面的性能，证明细菌-微藻共生系统可以完全消除乳废水中的COD和氨。

尽管藻类-细菌共生系统在废水处理中具有显著优势，但它们在复杂含重金属基质（如厌氧消化出水）中的适应性和修复效果仍需进一步探索。关于含锌废水处理的研究仍然有限，缺乏系统性的研究来探讨在重金属压力下藻类-细菌系统的协同净化机制、微生物群落动态和资源回收潜力。为填补这些空白，本研究构建了一种藻类辅助的序批式光生物反应器（A-SBPBR），专门针对含锌的厌氧消化出水，旨在系统评估其生态修复效率和微生物调控机制。该研究旨在克服传统废水处理技术的局限性，推进藻类-细菌共生在含重金属废水管理中的实际应用。预期成果将为重金属污染水体的绿色修复、微藻生物量的价值化和微生物生态调节提供关键的技术支持，从而为水生环境治理的可持续发展目标做出贡献。

实验材料

实验中使用的活性污泥来自辽宁省沈阳市东部污水处理厂的污泥浓缩池。接种的活性污泥被转移到一个25升的密封塑料容器中，定期添加少量食物垃圾，并在37 ± 0.5°C的水浴中恒温培养以适应环境。

实验中选择的微藻是从小球藻（Chlorella vulgaris，菌株FACHB-1550）购买的

水质参数分析

本实验的水质参数数据见图2.1。结果表明，两组之间的可溶性化学需氧量（sCOD）趋势一致，最佳去除效率相似。两组的初始sCOD浓度分别为1107.3 ± 34.65 mg/L和1149.2 ± 31.47 mg/L。仅向B组添加了重金属锌。经过7天的处理后，混合系统中的sCOD浓度降至最低

结论

本研究通过比较分析A组和B组，探讨了重金属锌对厌氧消化出水中藻类-细菌共生系统污染物去除效果的影响。实验结果表明：

(1)

尽管存在锌，两组之间的污染物去除效率没有显著差异。对混合系统中锌浓度的监测显示，藻类辅助的序批式光生物反应器

作者贡献声明

刘志鹏：验证、方法学、正式分析。龙晓中：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。雷峰：项目管理、方法学、概念构思。张坤：撰写——初稿、调查、数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了沈阳科学技术局的科学研究基金（项目编号23-407-3-08）的财政支持。