微藻降解废水污染物的研究进展

尚 海， 薛林贵*， 马 萍， 何小燕， 王 霞

(1.兰州交通大学 化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院 西北生态环境研究院沙漠与沙漠化重点实验室,甘肃 兰州 730030)

随着经济和社会的不断发展，工业、农业、生活和养殖等生产活动所产生的大量废水对生态环境及人类健康造成了严重危害[1]。这些废水中富含大量的无机盐离子、有机物和重金属等[2-3]，其处理不完全而直接排放，严重污染地表水和地下水，造成河流和湖泊等水体污染[4]，从而对生态环境甚至水资源构成了严重威胁。目前传统处理废水的技术主要有生物法、物理法、化学法、自然法及联合处理法等，但是这些传统的处理方法往往对废水处理效率偏低、工程造价昂贵、并且运行费用偏高，以至于各种废水处理设施的应用在很大的程度上受到了限制。近年来，国内外有很多研究表明藻类在废水处理方面有很大潜力，利用藻类修复污染水体可有效降低废水含氮、磷及有机物含量，富集和降解重金属离子，并能够对吸附后的重金属进行解析和回收[5]。此外，藻类代谢产物还能获得高浓度的藻蛋白，可作为食品、饲料等生产原料，实现藻类生物量的资源化利用[6]。有很多学者利用微藻系统来处理废水，而常见的处理系统类型有微藻悬浮体系和固定化体系等污水处理系统[7]，甚至有学者将微藻与光生物反应器结合起来处理废水[8]，而这些处理系统不仅符合生态学的理念，且可实现水资源的循环利用，具有重要的环保意义和良好的应用前景。

1 微藻的特点及类型

微藻是一种形态微小、形体多样(丝状体、群体、管状体及叶状体)、适应性较强和分布广泛的一类低等单细胞微生物体[9]，是水体生态循环系统中的初级生产者，在污染水体的环境修复和水体净化方面起着重要的作用。微藻生长代谢速度快，对富营养化水体中的氮、磷、有机物去除效果显著。微藻还可以通过固定二氧化碳来生产食品、饲料、能源、活性物等多种产品，被认为是最有希望替代化石能源的生物质能源[10]。根据微藻营养细胞中光合色素的种类、含量、成分、生殖方式、同化产物和生活史等，我国藻类学家主张将藻类分为11个门[11]，即蓝藻门、绿藻门、红藻门、黄藻门、金藻门、甲藻门、轮藻门、裸藻门、隐藻门、硅藻门和褐藻门。常用于废水中的微藻有蓝藻门的螺旋藻(Spirulina)、单岐藻(Tolypothrix)、颤藻(Oscillatoria)；绿藻门的普通小球藻(Chlorella)、栅藻(Scenedesmus)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、衣藻(Chlamydomonas)；硅藻门的三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)、小环藻(Cyclotella)等，其中普通小球藻和栅藻被认为在废水处理中的应用比较多[12-13]。

2 微藻对废水污染物的降解机理

2.1 微藻对氮磷降解的机理

微藻对氮磷降解的机理包括两个方面：直接吸收和间接吸收转化。根据Stumm和Morgan[14]在1981年提出藻类的分子式为C106H263O110N16P，藻类在光合作用过程中能利用无机碳源CO2，并吸收废水中含量丰富的氮和磷等营养元素，通过藻细胞的叶绿体进行光合作用合成自身需要的细胞物质，完成整个化学反应过程并释放一定量的氧气。藻类光合作用的反应式可表示为106CO2+16NO3-+ HPO42-+122H2O+18H+→C106H263-O110N16P+138O2，从光合作用的反应式可知，氮和磷是藻类主要吸收的元素，藻类通过光合作用可直接吸收利用氮和磷等营养元素合成复杂的小分子有机物。藻类利用的氮磷源主要有有机源和无机源两类，并对不同类型的氮磷源的吸收存在明显的差异[15]。在废水中无机氮源主要是含量非常高的氨态氮和硝态氮，微藻利用氨氮(游离氨态氮NH3-N及铵盐态氮NH4+-N)和硝态氮(硝酸盐NO3-N及亚硝酸盐NO2-N)合成自身生长需要的氨基酸和蛋白质等营养物质，而游离氨浓度在废水中过高会抑制藻类的生长代谢，即影响藻类对营养物质的吸收和降解。微藻对磷的利用主要是溶解性磷，溶解性磷主要包括可溶性活性磷(DRP)和可溶性非活性磷(DUP)[16]，并且在无机磷磷源中优先利用正磷酸盐(H2PO4-和 HPO42-)的形式用于自身生长[17]。微藻细胞通过氧化磷酸化、光合磷酸化和底物水平磷酸化途径把吸收的磷酸盐转化为磷脂等物质，同时通过光合作用使废水中的pH升高，有效促进了废水中氨氮的挥发和磷酸盐的沉淀，从而对废水中的氮、磷进行间接的去除[18]。

2.2 微藻对废水中重金属的降解机理

微藻对重金属具有很好的富集作用，但是对于微藻吸附重金属的机理国内外尚未有统一的定论。很多研究者认为微藻细胞壁表面的多糖、蛋白质和磷脂等多聚复合体给藻类提供了大量可与重金属离子结合的官能团，如羧基(-COOH)、羟基(-OH)、氨基(-NH2)、巯基(-SH)、羰基(-C=O)、磷酸根(PO43-)等[19-20]，其与重金属的降解有一定的联系。微藻对重金属的富集有两种类型：一类是活体藻吸附，另一类是非活体藻吸附。一般认为活体藻对重金属的吸附机理包括两个阶段：第一阶段与代谢无关，藻细胞表面的官能团与金属离子进行离子交换、静电引力、络合、氧化还原、配位和微沉淀等作用，形成一些特殊的金属结合蛋白；第二阶段是生物富集作用，微藻细胞通过一系列生物化学反应直接将重金属离子运输至细胞内储存起来[21]。非活体藻富集作用的原理主要是活体藻吸附的第一阶段。

2.3 微藻对难降解有机物的降解机理

藻类降解有机污染物的机理与去除重金属离子的机理相同，包括第一阶段快速被动的物理及化学吸附作用和第二阶段的缓慢主动生物富集与降解作用。与细菌和真菌在生物修复中的应用相比，藻类在难降解有机物的生物修复领域及降解机理方面研究比较少。微藻对多环芳烃的降解机理，藻类对多环芳烃的降解一般有三条途径，第一条是藻类以多环芳烃作为唯一能源和碳源；第二条是藻类和细菌形成共同代谢方式；第三条途径是多环芳烃诱导藻类细胞产生相应的代谢酶系从而被降解[22]。罗丽娟[23]研究羊角月牙藻(Selenastrumcapricornutum)对高环多环芳烃的降解特性，发现在羊角月牙藻中不仅存在单加氧酶(Monooxygenase)，还存在双加氧酶(Dioxygena-se)。藻类在多环芳烃的降解过程中，对于高环芳烃降解则是通过细胞中的双加氧酶在多环芳烃上引入2个羟基，转化为一个顺式二氢二醇(cis-dihydrodiol)的结构；而藻类对于低环芳烃的降解则是通过细胞中的单加氧酶催化氧化形成芳香氧化物，再经过一系列化学反应，转化为反式二氢二醇(trans-dihydrodiol)的结构后再进一步矿化，最后这些二氢二醇在脱氢酶和水解酶的作用下进行一系列的化学反应和氧化磷酸化后形成多环芳烃邻二羟基化合物。但是有些多环芳烃的降解是在微藻细胞中单加氧酶和双加氧酶与木质素酶协同作用下降解形成多环芳烃醌，然后进一步矿化和裂解。藻类对多环芳烃的降解机理见图1。

图1 藻类对多环芳烃的降解示意图[24]Fig.1 The graphical representation about the degradation of algae on polycyclic aromatic hydrocarbons[24]

3 微藻废水处理体系

微藻在废水处理时既可以在悬浮系统中，也可以

在固定化系统中进行[25-26]。两种系统在废水处理中的主要优缺点见表1。在利用微藻体系处理废水的过程中，要控制好光照、温度、pH、CO2等参数[27-28]。

表1 悬浮和固定化微藻培养体系在废水处理过程中的优缺点

3.1 微藻悬浮培养体系

微藻悬浮体系通常有两种类型：一种是悬浮态微藻通过在一定反应容器中与废水充分接触，从而去除废水中的污染物质。悬浮藻的培养是有利于微藻生长的最常用形式[29]。另一种是悬浮藻与菌的共生体系，其是利用微藻和细菌或者真菌之间在功能上的相互作用(图2)来处理污水的一种新型生态系统。

图2 微藻和细菌相互间建立的协同作用和竞争作用[30]Fig.2 +Cooperative and -competitive interactions established between microalgae and bacteria[30]

3.2 微藻固定化培养体系

微藻固定化源于细胞固定化技术，并且微藻的固定化也有两种，一种是单藻的固定化，根据Ruiz-Marin等[31]研究表明水处理系统中固定化的细胞在自然或人工技术条件下被阻止独立移动。通过固定化微藻细胞能够附着到特定固体支持物表面或是固定于限定的空间区域，导致生物膜形成，使其形成一种既能维持微藻细胞自身的代谢活性，又可以在连续化的反应后对微藻进行回收和循环利用的生物体系。微藻固定化技术包括吸附、共价偶联和包埋等[32]，微藻细胞被限制在聚合物基质中，并且底物和产物通过基质的孔扩散到细胞或是从细胞中扩散出来。另外一种是微藻与菌的固定化，不同于单藻的固定化，藻菌固定化是微藻与活性污泥或是人工配制的混合菌群等通过包埋的形式同时被固定在载体上的一种废水处理技术，而常用的包埋载体有海藻酸盐、壳聚糖、琼脂和角叉菜胶等。

4 微藻在废水处理中的应用

4.1 微藻对废水中氮、磷等的去除

生活污水中磷的浓度变化在4～20 mg/L，而氮的质量浓度在15～90 mg/L之间[33]，表明水体已经严重被污染或是处于富营养化。利用微藻去除富营养化水体中的氮磷等元素及修复污染环境有显著作用，不仅效率高而且成本低。通过微藻对废水中氮、磷和COD的去除能力的分析比较发现，不同藻类在不同的实验条件下对氮、磷和COD等营养物的去除效果存在明显差异(表2)。

4.2 微藻对废水中重金属的降解

根据国家环境部门的数据统计，2012年我国有1.1 t Hg2+、26.7 t Cd2+、70.4 t Cr6+、188.6 t Cr3+、97.1 t Pb2+和127.7 t As3+排入环境，使水体受到严重污染。其对水体的污染不仅造成水资源的短缺，还对人体健康和生态环境构成威胁。因此，对于污染水体中重金属的去除已成为国内外水质净化研究的焦点。传统去除金属离子的方法主要包括物理化学法-化学试剂沉淀、离子交换树脂或是絮凝等，这些方法对环境会造成二次污染，而活性炭吸附、电渗析和反渗析等这些方法成本又比较昂贵。与传统方法相比，藻类生物吸附法价格低廉，处理效果好，不产生二次污染，同时还可以对一些贵重金属进行回收利用(表3)。

表2 不同微藻对氮、磷和COD的去除

注：*表示不明确,-表示未测定，表3同

表3 不同微藻对重金属离子的富集

4.3 微藻对难降解有机物的富集与降解

在有机废水处理过程中，微藻可以利用废水中一些特有的有机碳作为自身生长所需的重要碳源。由于微藻自身独特的细胞结构和生理代谢特性，可以富集降解一些难以降解的有毒有机物质，与其他微生物处理系统相比，具有高降解率和可耐受高浓度有毒物质的特点，并能够富集和降解有机污染废水中的多种有毒有机物[50]，如多环芳烃、有机氯、偶氮染料、双酚类、碳氢化合物、烷烃、农药和重金属有机污染物等(表4)。

表4 不同微藻对有毒有机物污染物的降解

5 展 望

近年来，微藻处理废水技术已成为国内外研究的热点并在废水处理领域迅速发展，悬浮藻和固定化藻等体系的应用为废水处理提供了有效途径，作为一种新型的生物吸附材料，藻类对废水的处理，不仅可以改善环境，而且具有良好的生态、经济及社会效益。但是微藻应用于废水处理仍然存在许多需要解决的挑战：①分离技术不够成熟，利用微藻在处理废水之后很难与废水分离，造成了大量的藻类流失；②微藻对废水中污染物质的富集和去除能力有限，不能对废水起到彻底的净化；③废水种类不同，部分废水营养成分贫瘠，微藻利用的营养物不多，造成其对有害物质的降解效率低；④废水处理设施所占地面积较大。对上述问题的解决将是今后该领域研究工作的方向。

今后，在利用微藻对废水进行处理时，将微藻与微生物结合形成共生体系或与光生物反应器结合形成新型的处理系统[57-58]，具有良好的应用前景。而固定化微藻在废水处理系统中不仅能提高废水的处理效率而且能增加藻的回收率，此外，通过微生物分离纯化技术筛选特殊藻种，应用在处理废水的同时又能净化污染空气，这将是今后该领域研究的热点。