关键词：微藻；生物膜贴壁培养；EPS；废水处理

                         微藻是一类可高效固定 CO2，利用光能进行自养生长，并生产蛋白、多糖、油脂、色素等高值产物的水生低等植物[1]。相比于陆生植物，微藻的生长速度较快。而且，微藻细胞富含的多种高价值产物在食品、医药、工业材料等方面都有着重要的应用潜力[2]。然而，目前常用的微藻液体悬浮培养技术受到培养成本、生物产率、采收能耗等因素限制。研究表明，微藻的液体悬浮培养过程（包括培养基成本）约占微藻生物燃料生产总成本的 40%，而采收过程约占总成本的 30%[3]。因此，微藻的高效培养及低成本采收是微藻高值化产品应用的关键。

微藻液体悬浮培养常用的装置包括有跑道池和各种 PBRs 反应器（Photobioreactors）。这些培养方式或因占地面积大，或装置设计及运行成本高等原因制约着微藻的经济化生产与应用[4]。不同的是，微藻生物膜贴壁培养是指在一定光照强度与碳源浓度下，将藻细胞与培养基相分离，固定在特定生物膜材料上，并由培养基液体通过附着材料的背面或内部滴入以使藻细胞处于半干半湿润状态的培养方式。而且，在微藻生物膜贴壁培养过程中，藻细胞只需简单地“刮取”便可实现低成本采收，在采收能耗、培养装置成本等方面均有一定优势[5]。但是，在这一独特的培养体系中，微藻是如何在生物膜贴壁装置上附着或生长的，贴壁培养装置的结构特性对藻细胞的生长影响如何，对于藻类生物膜及贴壁培养过程的特征认识还知之甚少。

                         不仅如此，藻类培养耦合废水处理是降低培养（基）成本，提升微藻应用经济性，改善水生态环境的绿色生态技术。具体来说，废水中的氮、磷及微量元素等可为微藻光合生长提供良好的营养条件，而微藻的生长过程又为水体环境的净化提供有效解决方案[6]。微藻生物膜贴壁培养利用培养体系的优越性或许可在废水净化方面发挥作用。基于此，本研究主要阐释微藻生物膜贴壁培养的结构特征，剖析贴壁培养过程微藻-生物膜形成的机制，并阐述生物膜贴壁培养微藻在各类废水中的可行性应用，旨为生物膜贴壁培养装置特征及其废水处理的应用，以及进一步降低微藻生产成本与水体净化提供新的理论基础。

                       1 微藻生物膜贴壁培养

                        1.1 生物膜贴壁培养的结构特征

                       微藻生物膜贴壁培养是一种藻类新型培养方式，是指将藻细胞固定或附着在相应合适膜材料上，与培养液相分离，可在一定营养盐条件下兼多种营养模式生长的方式[7]。微藻生物膜贴壁培养过程中，藻细胞与膜材料间的生物膜形成、相互作用是核心关键。目前，普遍应用的跑道池、各式 PBRs 反应器等在内的传统液体悬浮培养，都是将藻细胞沉浸或悬浮于液体培养基中。但由于大量营养液水系的存在，液体悬浮培养过程的能耗及培养后的采收成本都较高。

                    不同的是，生物膜贴壁培养可通过一系列技术手段，如喷洒、抽滤、吸附等将微藻细胞附着于不同载体材质上，而后通过藻细胞与膜材料间的不同作用形成生物膜。微藻细胞生长与代谢过程所需的光照、营养盐、碳源等营养条件[8]，同样也是生物膜贴壁培养应考虑的重要因素。当前，常用的生物膜贴壁培养装置包括卧式、立式、流式、旋转及摇床式生物膜反应器（图 1），不同类型的生物膜反应器在生产力及废水处理效率上有很大差异（表 1）。但利用生物膜贴壁技术培养微藻过程中，依据藻细胞的生产效率及实际应用目的，选择贴壁装置的体系也有所不同，而微藻生物膜贴壁培养技术应用过程的生命周期评估或经济性评价是十分必要的。

 

                         1.2 贴壁培养生物膜形成的机制

                         微藻生物膜的形成主要是由微藻细胞黏附在膜基质表面（如 pp 膜等），细胞由培养液中氮、磷等营养物质作用进行分裂生长的过程。而在生长过程中，细胞分泌胞外多糖（EPSs）等物质是微藻细胞附着于膜材料上形成固定膜的主要机制[9]。

                        微藻生物膜的形成一般要经过以下几个阶段：①通过物理方法将液体培养基中的微藻固定在载体基质上，或利用微藻细胞和载体基质间的不同作用力（如疏水作用、静电吸引作用等）使微藻在载体基质上成膜[10]；②经初步固定后的微藻细胞在生长过程中会分泌胞外多聚物（EPS）等，影响藻类表面的电荷、黏度、絮凝结构及附着特性，在生物膜基质中形成覆盖物，进而形成吸附力较强的固定膜[11]；③最后微藻细胞通过在膜基质上生长与繁殖，形成具有一定复杂结构的稳定生物膜（图 2）。

 

                       简而言之，生物膜的形成包括了一系列复杂的物理化学过程，并受到培养条件如温度、pH、光照、营养浓度及剪切力等的影响[12]。此外，生物膜机制的特性（亲疏水性）、体系的结构也会影响藻-膜的形成。一般而言，微藻生物膜贴壁培养可以改善传统悬浮培养下微藻细胞光利用不足等缺陷，减少微藻细胞重叠聚集现象[13]，高效利用光能进行细胞分裂与生长，有利于色素、多糖、蛋白、脂类等功能性物质积累，而采收过程只需轻轻刮取，无需高能耗离心，大大降低了成本。同时，微藻形成生物膜的过程中，不同的载体基质材料因为表面极限能、藻细胞与基质材料的疏水性、酸碱作用等性质不同而对生物膜形成、细胞生长都有重要影响[12]。因而，载体基质材料的选择至关重要。

                     2 微藻生物膜贴壁培养处理废水的应用

                        利用微藻生物膜处理废水已得到应用，大多数废水含有的高浓度氮、磷及其他微量元素，使得微藻在净化水体营养物质的同时还可产生高价值的功能活性物质[14]。然而，不同的废水因组成来源、成分等不同，营养成分对微藻生长、藻细胞营养代谢及水体净化效率等都有不同影响。微藻生物膜贴壁培养处理不同种类废水情况如表 2 所示。

 

                         2.1 生活污水

                         随着城市化进程的加快，生活污水的处理越来越受到重视。生活污水中富含氮、磷等污染物质是微藻生长所需的营养盐来源[16]。利用微藻进行生活污水处理具有吸收快、成本低等优点[17]，且处理后的微藻生物质通过热解或液化将生物质转化为生物燃料，可再循环利用。有研究报道，Sukaova 等[18]采用微藻生物膜系统处理城市废水，从微藻中捕获磷，进而回收磷，达到资源循环利用的效果。Zhao 等[19]在中试水平下使用旋转藻类生物膜装置处理市政污水，培养第 7 天，总磷（TP）和总凯氏氮（TKN）的去除率分别可达 80%和 87%。因此，微藻生物膜贴壁培养可为生活污水的净化提供技术参考。

                        2.2 农业废水

                        农业废水主要是指农牧业生产过程排出或是灌溉水流过农田渗漏排出的污水[20]。与生活污水相比，农业废水中氮、磷和有机质含量较高，并以可溶性或固态形式存在于废水中。同时，农业废水中的畜禽废水因污染物浓度过高导致的高浊度也是藻类处理应用的难点。在农业废水处理中，藻坪净水系统(ATS)作为一种经济有效的生物反应器，在高效处理废水的同时，还可生产藻类生物量，已被广泛研究应用[21]。Cheng 等[6]采用微藻生物膜对猪场废水进行处理，氨氮、总磷和化学需氧量的去除率分别为 75.9%、68.4%和 74.8%。简言之，利用微藻生物膜贴壁培养及其他相关反应器处理农业废水值得进一步深入研究。

                      2.3 工业废水

                       工业废水是指工业生产过程中产生的废水或废液。例如啤酒厂废水、豆制品厂废水和乳品废水中含有较多的氮、磷等营养物，电镀厂、金属冶炼厂等废水中含有较多的金属离子，制药废水和印染废水等污水中含有较多的有毒物质。传统处理含金属工业废水的方法主要包括沉淀法、电解法、离子交换法、溶剂萃取法、活性炭吸附法等[22]。沉淀法处理工业废水过程会产生大量难以处理的淤泥，而其他方法价格昂贵或处理效率较低，难以广泛推广应用。因此，寻求能耗低、效率高且环境友好的处理方法显得十分重要。微藻细胞由于表面与内部功能基团的多样性，以及不同重金属元素的特异性，藻类吸附或富集重金属是一个较为复杂的过程[23]：①微藻细胞表面的功能基团如羧基、羟基等通过共价双键结合、物理吸附、离子交换及微沉淀等作用中和 1 种或几种金属并附着在细胞表面；②通过吸附或富集到藻细胞表面的金属离子，经细胞代谢进一步转运到细胞内部，并显示藻细胞对不同金属元素的耐受程度。Zhou 等[24]使用 RBW 系统处理含硫酸盐采矿废水，以 0.56 g/(L·d)的去除速率，可去除废水中 46%的硫酸盐。因此，微藻生物膜技术可为金属废水处理提供新的技术参考。

                       3 微藻贴壁培养处理废水的优势

                      微藻生物膜贴壁培养与废水处理相结合不仅可以降低微藻培养与废水处理的成本，还可生产高值藻类产品，提高经济性。相比于藻类液体悬浮培养处理废水，微藻生物膜贴壁培养有以下优势：①采收成本低，悬浮培养需要经过离心等高能耗手段从生长基质中收获，而生物膜培养方式只需简单“刮取”等即可获得；②生物产量高，在一定生长密度下，生物膜贴壁培养下单位藻细胞的光能利用率相对较高[25]；③稳定性强，由于藻类生物膜基质与培养液（废水）相分离，废水中的浊度等因素不会直接影响藻细胞光合作用，且净化处理后的废水可省去藻液分离的高能耗过程。

                         在众多微藻中，丝状藻是一类废水处理效果较好的微藻。相比于其他藻类，丝状藻是一类藻体纤细，藻细胞呈长圆柱形或桶形，分支多且交织排列的微藻。丝状藻可以 CO2 或 CO32-为碳源，吸收各种含氮营养盐，如铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐及简单有机氮等，自身生长过程中合成高值化产品氨基酸、蛋白质等必需营养物[27]，从而净化水体生态环境。利用丝状藻生物膜贴壁培养处理废水可能有以下几个优势：①丝状藻基于自身的特征，更易于与各类生物膜材料附着，贴壁生长效果更好；②某些丝状藻体适应酸碱范围较广，可应用于不同来源的废水[28]；③丝状藻体细胞体积较大，经培养处理废水后易于采收，可大大降低能耗成本[29]。尽管如此，在微藻生物膜贴壁培养的实际应用中，各类生物膜反应装置的复杂性，藻-膜材料的特异选择性，以及高价值、易附着微藻的筛选等都是利用微藻生物膜贴壁培养处理废水值得考虑的重要因素。

                          4 微藻贴壁培养处理废水存在的问题

                          微藻生物膜贴壁培养技术处理废水虽然在净化效率、处理成本等方面具有一定优越性，但在实际应用中仍然存在一些问题。通常而言，各类废水，包括农业废水、工业废水，以及生活污水，都不是由单一污染物构成，而往往由多种复合污染物如氮、磷、重金属、抗生素等同时存在[30]。不同藻类对于不同污染物有不同的去除效率，而单一藻类处理废水过程无法一次性达到深度净化效果，借助多种藻类耦合或菌藻共生等方式进行废水处理，从而有望缓解微藻生物膜贴壁处理废水过程存在的一些难题。同时，生物膜贴壁培养体系自身还有可进一步优化的空间，如处理废水的连续性等是微藻生物膜贴壁培养技术应用有待改进的方面。采用混合营养方法如藻菌或藻藻共培养，以及与生物膜贴壁培养结合也是微藻废水处理值得尝试的方向。微藻生物膜贴壁培养处理废水是一个新型的技术手段，一些影响微藻-生物膜形成及调控的因素还没有被完全阐晰。目前，大多数微藻生物膜贴壁培养装置的应用大多停留在实验室阶段、中试水平，如何将微藻生物膜贴壁培养装置应用到产业化生产仍然需要不断探索。现阶段研究还未明确揭示适合藻细胞自身附着基质材料的参数公式。因此，寻找适合不同藻细胞附着的生物膜材料是该技术研究应用的难点。微藻吸附废水中的氮、磷等物质能够促进自身细胞分裂、生长，有助于自身脂质、蛋白质等物质的合成，但微藻吸附重金属后自身代谢吸收的调控机制还需进一步研究，对于微藻生物膜贴壁培养过程营养传质的特殊机制，微藻胞外多糖分泌以及贴壁生物膜微环境下藻-膜形成特征及相应调控机制进行深入研究，可期望为微藻生物膜贴壁培养处理废水的应用提供理论支持。

                    5 结论

                    微藻贴壁培养是一种较于传统液体悬浮培养更具高生物产率、占地面积小的培养方式。微藻生物膜贴壁培养与废水处理相结合，既可降低藻类采收能耗，减少微藻培养成本，又能高效净化水质，保护水生态环境。同时，生物膜贴壁培养处理废水后的微藻生物质产生的多糖、脂类、蛋白等高值产物可为微藻培养与废水处理提供额外经济价值。在微藻生物膜贴壁培养过程中，藻-膜形成机制，以及生物膜微环境下的分子理论研究可为深入探究微藻生物膜贴壁培养处理废水的应用提供理论支持。

                     原标题：微藻生物膜贴壁培养及其在废水处理中的应用

                     原作者：刘晓刚， 崔玉玮，王月华， 李素珍，李建萍