光合細菌汙水資源化研究進展

光合細菌汙水資源化研究進展

北極星水處理網訊:光合細菌汙水資源化是一種新興的有機廢水處理及生物資源轉化技術。光合細菌能夠高效處理汙水，同時把碳氮磷轉化為有用的菌體細胞，可用於水產、畜禽養殖和農作物培育。從光合細菌汙水資源化技術對營養型廢水的資源化、對高氨氮廢水的高效氮去除、對其他類型廢水的處理、光合細菌汙水處理重要影響因素、主要促進方法5個方面進行了綜述。最後對未來的研究進行了展望。

全球面臨的水資源短缺、水汙染嚴重和能源危機，推動著汙水處理從簡單的汙染物去除向資源轉化發展。國際水協在2018年全球水與廢水前沿技術大會上提出，近幾年汙水處理的主題就是資源回收。光合細菌汙水資源化作為一種新興技術，其發展受到了廣泛關注。

光合細菌（PSB）是一類具有原始光能合成體系的原核微生物，屬革蘭氏陰性菌，形態有杆狀、球狀、半環狀和螺旋狀，直徑為0.3~2.6 μm。既能以光作為能源生長，也能在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機物、硫化物、氨等作為供氫體進行生長。光合細菌菌體蛋白質質量分數達到40%~60%，營養價值高，可用於水產、畜禽養殖和農作物培育。光合細菌懸浮液的市場價格是12~30元/L，細胞中還含有一些高價值的物質如聚羥基烷酸酯（PHA）、輔酶Q10、類胡蘿蔔素和5-氨基乙醯丙酸（5 -ALA）。

從1960年起光合細菌被用於汙水處理，最適宜的廢水類型是營養豐富同時沒有有害成分的廢水，這些廢水被統稱為營養型廢水。光合細菌汙水處理可達到較高的碳、氮和磷的去除率，同時生產菌體併合成高價值物質。近幾年，發現光合細菌對高濃度的氨氮廢水也有突出的處理效果，還可用於生活汙水、染料廢水、製藥廢水等多種廢水的處理。

光合細菌汙水資源化技術的相關研究快速增長，但是綜述很少，中文綜述匱乏，近5年沒有相關綜述。筆者從光合細菌對營養型廢水的資源化、處理高氨氮廢水、處理其他廢水、影響因素和促進方法5個方面對光合細菌汙水資源化技術的研究進展進行了綜述。

1 光合細菌對營養型廢水的資源化

大豆、糖類、澱粉等食品加工廢水，味精、檸檬酸等調味品生產廢水和釀酒製造廢水等含有豐富的碳、氮、磷，沒有毒害成分，可以成為微生物生長的培養基，這些廢水被統稱為營養型廢水。光合細菌資源化技術最重要和最廣泛的應用就是營養型廢水的資源化，也是研究最多的。01

汙染物去除

光合細菌汙水資源化技術的最大優勢是將廢水中的碳、氮、磷轉化為有經濟價值的菌體資源，從而實現去除汙染物和資源生產的雙重效益。表1列舉了該技術對多種廢水的處理效果。

表1光合細菌汙水資源化技術對營養型廢水的COD去除效果

如表1所示，光合細菌可以處理初始COD為300~26 000 mg/L的廢水，COD去除率可達到70%~97%，說明該技術對多種類型、不同濃度的營養型廢水都有良好處理效果。光合細菌對大豆和製糖廢水的COD去除率最高，其原因可能是這些廢水中的可溶性蛋白、低聚糖和蘋果酸等成分適宜於光合細菌的生長，光合細菌的生長又促進了其對COD的去除。在廢水處理過程中，光合細菌除了有將有機物分解代謝的過程，還有光合代謝的過程，這些過程共同保證了光合細菌對廢水的資源化。

02光合細菌生物量、高價值物質產量

光合細菌汙水處理的資源化價值在於光合細菌細胞生物量和其細胞產生的高價值物質。表2匯總了光合細菌處理多種廢水時的菌體生物量和產率（微生物去除COD產生的生物量與COD的比）。

光合細菌在正常條件下的生物量和產率分別是1 500~5 000 mg/L和0.4~0.5。在環境條件不佳或者碳氮比異常的條件下，生物量可能會低於1 000 mg/L。產率受水質條件和操作條件影響很大，氧氣濃度過高或者碳氮比異常均會導致產率低至0.2；經馴化的菌株、蘋果酸和酵母膏等成分的添加均能促進產率的提高，使其達到1.0以上。

表2不同營養型廢水中光合細菌的生物量和產率

表3報告了光合細菌中的高價值物質含量。

表3光合細菌細胞中的蛋白質、輔酶Q10、5-ALA、PHA和色素含量

光合細菌細胞的蛋白質含量很高，達到細胞乾重的30%~80%，是一種優質的微生物蛋白資源。除了蛋白質，光合細菌細胞還含有輔酶Q10、5-ALA、類胡蘿蔔素、細菌葉綠素和PHA等成分。輔酶Q10是呼吸鏈中重要的氫細胞，是一種抗氧化劑，市場價格為800~2 800元/kg；5-ALA能在各種癌症的治療過程中為腫瘤定位和光動力學療法起到作用，也可以作為一種良好的、對農作物及人類和動物無害的、可生物降解的除草劑和殺蟲劑；色素具有抗氧化、免疫調節、抗癌、延緩衰老等功效。

如表3所示，光合細菌中輔酶Q10質量濃度達到88.8 mg/g，遠高於其他微生物。光合細菌中5-ALA和色素含量在不同條件下差異較大，可能是這兩種物質容易受環境條件影響。03

經濟性分析

光合細菌汙水資源化技術適用的營養型廢水在我國種類多、產量大，表4列出了中國典型高濃度營養型廢水的種類和年產量。

這些廢水採用傳統方法處理的成本高達3~8元/t，同時還會產生大量的剩餘汙泥。根據光合細菌的市場價值和生物量產率（0.4~0.5），若表4中的廢水全部用光合細菌生物轉化技術，價值可達到150億元人民幣/a。

表4中國典型高濃度營養型廢水的種類和年產量

注:原始數據來自中國統計年鑑和行業報告。

2光合細菌對高氨氮廢水的處理

光合細菌可以耐受並且處理很難被傳統生物方法處理的高氨氮廢水，表5報告了光合細菌處理不同高氨氮廢水的效果，表明其對高濃度氨氮廢水有良好處理效果，但不利條件下也可能低至20%。

光合細菌對高氨氮廢水的突出處理效果可能與其特殊的氮去除機制有關。光合細菌能有效地利用氨氮、硝態氮和亞硝態氮，同時光合細菌中三種形態的氮之間基本沒有相互轉化，這與其他生物技術不同。光合細菌氮代謝可能存在一條新的直接氮轉化途徑，即氨氮直接氧化為氮氣與一氧化二氮的路徑。

表5光合細菌處理高氨氮廢水的效果

光合細菌對其他類型廢水的處理

除了營養型廢水和高氨氮廢水，光合細菌也能處理多種其他廢水，如製藥、染料、畜禽養殖、明膠、皮革、皂素、海產品、橡膠廢水和生活汙水。表6是光合細菌對其他廢水的處理效果。

表6光合細菌對其他廢水的處理效果

由表6可見，不同廢水汙染物去除率差異較大，原因是各種廢水的成分差別很大。T. Hülsen等研究得出光合細菌可以在連續流條件下處理生活汙水至達標。光合細菌對製藥廢水的COD去除率均低於80%，可能是廢水中的抗生素對微生物有抑制作用。對於染料廢水，光合細菌能夠有效脫色。

4光合細菌汙水資源化的主要影響因素

01菌種

根據《伯傑細菌手冊》（9版），光合細菌分布在變形菌門和綠菌門，有紅桿菌屬、紅假單胞菌屬和綠硫菌屬7個菌屬，球形紅細菌、莢膜紅細胞、綠色紅假單胞菌、膠狀紅長命菌、沼澤紅假單胞菌等十幾種菌種。

研究發現，球形紅細菌（Rhodobacter）用於大豆、製糖、海產品、酒糟、生活、製藥、檸檬酸和皮革廢水處理中；紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）用於染料、澱粉、生活、皮革和橡膠廢水處理中；紅長命菌（Rubrivivax）用於海產品、畜禽、澱粉和橡膠廢水處理中；紅螺菌（Rhodospirillum）用於皮革廢水處理中；紅微菌（Rhodomicrobium）和綠硫菌（Chlorobium）用於染料廢水處理中。應用最廣泛的菌株是球形紅細菌和紅假單胞菌，原因是這兩種細菌有良好的移動性和環境適應性。02光氧條件

光氧條件是光合細菌汙水資源化最重要的影響條件。光合細菌代謝機制獨特：具備光合作用、有氧呼吸和生物發酵的代謝途徑，有光的條件會促進光合作用途徑，有氧氣的條件會促進有氧呼吸途徑，所以在不同的光氧條件下的代謝途徑是不同的。

光照厭氧、黑暗好氧和自然光微氧是3種典型的光氧條件。研究發現光照厭氧有利於光合細菌生物量的增殖，黑暗好氧有利於汙染物的降解。進一步，研究者系統探討了光配方和溶解氧的影響。在光配方的研究中，發現光強度、光源、光周期和光暗周期對光合細菌生物量和COD去除均有影響，最佳光照強度是2 000 lux，最佳光源是紅色LED，最佳光周期是光照/黑暗時間對應2 h/1 h。在溶解氧的研究中，發現溶解氧濃度對汙染物去除和生物量增長均有明顯的影響，溶解氧質量濃度在4~8 mg/L時汙染物去除率和生物量最高，COD去除率為93%，氨氮去除率為83%，光合細菌生物量為1 645 mg/L。微生物群落中佔優勢的是光合細菌中的假單胞菌，且隨著溶解氧濃度的升高，假單胞菌的濃度也越來越高。03

水質條件

pH、溫度、進水COD、氮濃度和碳氮比等水質條件也會影響光合細菌汙水資源化的效果。光合細菌通常可以在中性至鹼性的條件下生存。光合細菌可以在10~40 ℃的溫度範圍內生長，在低溫下也能保持一定的活性和進行有效的汙染物的降解。光合細菌的可利用碳源、氮源質量濃度範圍分別為500~40 000、3~8 000 mg/L，可耐受C/N為0.1~400。

5光合細菌汙水資源化的促進方法

01添加劑

投加某些添加劑可有效促進廢水處理效果和光合細菌生長，其中微量元素是最常用的。多種元素對光合細菌汙水資源化技術都有明顯的促進，但是促進的對象與效果不同。研究發現，Fe2+可以縮短反應時間、提升生物量；Fe3+可以保證菌體穩定生長；Mg2+可以提高生物量產量、細菌葉綠素含量和COD去除率；Cu2+、Mn2+和Co2+能夠影響PSB的代謝，是多種酶的組成和刺激因子；Zn2+可以提升生物量。促進作用大小順序為：鐵＞錳＞鋅＞鈷＞鎂＞銅。

02生物刺激和超聲刺激

其他微生物也會對光合細菌汙水資源化產生影響。研究者發現混合菌群的汙水處理效果比單獨光合細菌更好。生物刺激的微生物可以是酵母、放線菌和芽孢桿菌等。加入6.4×105mL-1的蘇雲金桿菌對光合細菌汙水處理的COD去除率、生物量、類胡蘿蔔素產量分別提高178%、67%、70%，是因為光合細菌與其產生了協同效應。

超聲刺激也能促進光合細菌汙水資源化，因為超聲可以促進酶活性、細胞增殖和細胞內生物合成。超聲強度、頻率和時間都會影響促進效果。超聲照射0.3 W/cm2使光合細菌細胞產量增加110%。

6結論與展望

從光合細菌營養型廢水、高氨氮廢水、其他廢水的應用、影響因素和促進方法5個方面對光合細菌汙水資源化技術進行了綜述。

（1）光合細菌能夠高效資源化處理多種營養型廢水，尤其是大豆、製糖、澱粉、釀酒、味精和檸檬酸、果膠、蛋白粉、味精和乳品等廢水，COD去除率高，正常條件下的生物量和產率分別是1 500~5 000 mg/L和0.4~0.5。

（2）光合細菌能高效去除高氨氮廢水中的氨氮，其脫氮機理不同於傳統脫氮技術。此外，光合細菌還能夠處理製藥、染料、養殖、明膠、皮革、皂素、海產品、橡膠廢水和生活汙水。

（3）光合細菌菌種類型、光氧條件、水質條件、添加劑、生物刺激和超聲都能夠影響光合細菌資源化技術的效果。

光合細菌汙水資源化技術處理效果好、資源化潛力大，但尚未進入產業化階段，針對實際廢水研究有限，因此以下方面的研究可以進一步促進該技術的發展：

（1）光合細菌優勢菌種的選取。菌種是影響光合細菌資源化效果的重要因素，高效菌種具有實現最大的資源轉化效率的天然優勢。

（2）新型高效反應器的應用。反應器的構造影響光合細菌對氧氣和光照的利用從而影響資源轉化效率。

（3）光合細菌對於低濃度廢水的達標處理，目前這方面的研究欠缺。

（4）光合細菌菌體的分離和回收、利用廢水生長的菌體安全性問題、高價值物質的提取和純化。光合細菌資源化價值很高，但是這些步驟是該技術發揮資源化價值的關鍵。

（5）該技術放大運行的穩定性，擴大處理規模是該新興技術發展成熟的必要步驟。

原標題:光合細菌汙水資源化研究進展

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