科學通報 | 從“難處理”到“資源化”：小球藻—細菌共生跑道池助力高鹽榨菜廢水綠色處理

近日，中國科學院成都生物研究所譚周亮研究員團隊在《科學通報》亞熱帶農業高質量發展專題(輯)發表了題為“榨菜廢水小球藻-菌共生體系中試運行特性與協同機制”的研究論文，在選育12C6+重離子突變優良藻株基礎上，系統評估了小球藻-細菌共生系統在曝氣光生物反應器（aerated photobioreactor, APBR）與跑道光生物反應器（raceway pond photobioreactor, RPBR）中處理高鹽榨菜廢水的效果，并優化了RPBR的關鍵運行參數。研究從污染物去除、微藻生長及微生物群落三個維度進行比較，明確了RPBR綜合性能更優，30 r/min為優選轉速。該條件下，氨氮(NH4+-N)和化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率均超93%，總磷(total phosphorus, TP)去除率達78.40%，微藻生長旺盛，形成了以擬桿菌門為主導、富集脫氮功能菌屬的穩定功能群落結構。該研究為高鹽有機廢水的綠色高效資源化處理提供了新技術方案與理論依據。

榨菜是我國傳統特色發酵食品，其加工過程產生的高鹽廢水具有高鹽度、高氮磷、高有機物等特征。高鹽環境對普通微生物產生強烈的滲透壓脅迫，導致細胞失水、代謝酶活性下降，甚至細胞裂解。傳統厭氧/好氧及其組合工藝處理此類廢水時，仍面臨微生物活性受抑、脫氮除磷不徹底及運行穩定性不足等挑戰。若未經妥善處理直接排放，將對受納水體生態環境造成嚴重威脅。

微藻-細菌共生體系是一種新興的廢水處理技術，其核心在于利用微藻與細菌之間的協同代謝過程，通過微藻光合作用供氧，并分泌可溶性有機物和胞外聚合物，為細菌降解有機污染物提供氧源、碳源；同時細菌則通過有機物礦化釋放二氧化碳、無機氮磷等營養物質，反向促進微藻生長與營養鹽同化。由此形成“藻供氧供碳-菌降解礦化-藻吸收利用”的循環耦合協同機制，在降低曝氣能耗的同時實現氮、磷及有機物的高效去除。相比傳統活性污泥法，微藻-細菌共生體系通過耦合光合固碳與異養代謝過程，在實現污染物高效去除的同時促進生物質資源化，被視為一種具有顯著環境與資源協同效益的前沿水體修復技術。

本研究首先對比了APBR和RPBR對高鹽榨菜廢水的處理效果（圖1）。結果表明，RPBR在整體性能上表現優于APBR：RPBR中藻體光合色素積累量約為APBR的2倍，在榨菜廢水條件下保持穩定且高效的光合調節能力。較高的藻體生物量與光合活性有效強化了藻菌協同作用，使RPBR的NH4+-N和總氮(total nitrogen, TN)去除率分別達到93.85%和90.57%，明顯高于APBR的28.72%和47.92%。進一步通過槳輪轉速的優化實驗（20、30、40 r/min），確定30 r/min是綜合性能最佳的條件，系統在該轉速下實現了高效污染物去除。

圖1兩種光生物反應器中微藻的生長情況及污染物去除效果

(a,c) RPBR中微藻光合色素隨運行時間的變化情況及各種污染物去除效果；(b,d) APBR中微藻光合色素隨運行時間的變化情況及各種污染物去除效果。Chl a, 葉綠素a; Chl b, 葉綠素b。

為揭示30 r/min條件下內在微生物種群演替過程，研究采用高通量16S rRNA基因測序技術系統分析了PBR運行過程中細菌群落組成及優勢類群變化，并結合PICRUSt2功能預測，推測氮代謝相關的功能基因的潛在豐度變化，為闡釋系統脫氮過程中的微生物驅動機制提供依據。測序結果顯示，30 r/min條件下藻菌體系微生物群落結構相對穩定，且潛在功能呈現出向氮轉化和有機物降解方向集中的特征。群落組成上，擬桿菌門成為主要優勢菌門，其許多成員具有降解復雜有機物的能力，有助于高鹽榨菜廢水中有機污染物的轉化利用。同時，norank_f__Cryomorphaceae、Oceanimonas等與有機物降解和氮素轉化相關的優勢類群得到富集，而部分厭氧菌或不適應當前水力與鹽度環境的類群相對豐度降低，表明適宜攪拌條件對群落結構具有選擇作用。功能預測進一步顯示，30 r/min條件下與硝酸鹽還原等氮代謝相關的酶功能基因潛在豐度提高，提示該水力條件可能促進系統氮轉化功能的強化。綜上，30 r/min的水力條件不僅宏觀上改善反應器混合與傳質過程，也在微觀上通過塑造更加穩定且功能適配的細菌群落結構，增強了藻菌共生系統對高鹽廢水中氮素和有機物協同去除的能力。

圖2優選攪拌速度下微生物生物信息學分析

(a)共現網絡分析；(b) α多樣性分析；(c) 細菌門水平微生物群落組成；(d) 細菌屬水平微生物群落組成。

盡管本研究明確了反應器規格與運行條件，但反應器內水力環境對藻菌體系穩定運行的影響仍有待進一步解析。后續研究可結合流場模擬或示蹤實驗，完善對混合與傳質過程的認識，為藻菌共生體系的工藝優化和工程放大提供支撐。

中國科學院成都生物研究所譚周亮研究員團隊副研究員李欣為本文的通訊作者，在讀碩士生龔思麗為一作者，重慶市農業科學院提供相應技術支持。本研究得到了重慶市技術創新與應用發展川渝科技創新合作計劃項目（CSTB2024TIAD-CYKJCXX0015）、重慶市市級財政項目（KYLX20250600066）、中國科學院青年創新促進會項目（2023387）和四川省重點研發項目（26SYSX0072）資助；研究所用小球藻突變株由蘭州重離子加速器（HIRFL）提供誘變技術支撐，PBR系統運行維護及過程指導由重慶市農業科學院農業工程研究所提供。

文章信息

龔思麗，張進，高立洪，等.榨菜廢水小球藻-菌共生體系中試運行特性與協同機制. 科學通報, 2026.

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