华中农业大学周云团队ACS ES&T Engg.:微藻+细菌——高效净化灰水,揭秘协同去污机制

微藻与细菌的共生关系显著提高了有机污染物的去除效率，并同时丰富了微生物群落结构，这种互利关系进一步增强了系统对环境波动和有毒物质的抵抗力。直链烷基苯磺酸盐（LAS）是灰水中主要的阴离子表面活性剂，是生物处理系统中极具挑战性的污染物。LAS通过其疏水性和化学毒性对微藻造成细胞损伤，破坏细胞膜的完整性，抑制光合作用活动和生长，并降低持续的生物吸附能力。在高污染胁迫下，微藻-细菌共生生物膜通过分泌EPS，增加表面吸附或细菌介导的屏蔽来减弱LAS对微藻的毒性，并启动了对LAS生物毒性具有抵抗性的强大抗氧化防御机制。在这个系统中，微藻通过快速吸附启动沉淀过程，而细菌主要促进连续且高效的生物降解。然而，目前关于利用藻菌系统去除LAS的研究存在严重的知识空白。因此，量化和深入理解微藻和细菌在整体LAS矿化途径中的具体作用具有现实意义。

为了揭示上述问题，华中农业大学资源与环境学院周云教授团队通过在混合培养体系中通过选择性灭活混合培养液中微藻和细菌，确立了吸附和生物降解途径的定量区分。他们阐明了LAS的去除动力学，并明确了微藻和细菌在其中吸附和生物降解的具体贡献；通过对生物质形态和结构性质的全面表征，以及对官能基动力学基础的定量分析，揭示了微藻和细菌在灰水处理过程中LAS去除中独特定量贡献的机制。这些发现为微藻-细菌协同作用在难治污染物去除中的机制提供了新的见解，为优化微藻-细菌生物膜对灰水的处理奠定了坚实的理论基础。

图1. LAS的分布和去除动力学。

细菌和微藻由于其EPS中存在多种官能基，能够快速捕获LAS。细菌表现出比微藻更高的LAS结合亲和力，主导连续的LAS生物降解。值得注意的是，在活体和死亡微藻组中，EPS附着的LAS最初增加后保持稳定，表明微藻仅参与LAS生物吸附，而非LAS生物降解，这与LAS对微藻具有显著的生物毒性是一致的。

图2. 微藻和细菌在LAS去除中的分化与贡献。

在活体微藻-细菌共培养中，微藻和细菌生物吸收分别占LAS去除的42.4%和39.5%，而细菌生物降解贡献18.1%。24小时后，生物降解成为单一和混合培养中的主要去除机制。值得注意的是，实际生物降解贡献（2小时18.1%；24小时75.3%）显著高于理论预测（2小时10.9%；24小时42.7%）。这种增强表明微藻促进细菌的LAS生物降解，可能通过光合作用产氧并作为细菌LAS矿化的电子受体。

图3. 吸附前后生物质表面分子结构的变化。

LAS吸附后失活细胞聚集很可能归因于分子间相互作用，其中微藻表现出特别明显的聚集现象。LAS暴露期间微藻与细菌之间官能团的响应顺序为CO–NH₂> C–H > C–O。藻菌共生系统策略性分泌的CO–NH₂，主要是作为EPS中蛋白质成分的生物合成部分，通过分子封存来减轻LAS的毒性。表面蛋白在LAS吸附前后保持稳定的二级结构，能够通过暴露基层轻松介导与LAS的静电相互作用。

图4. 微藻和细菌共生系统去除LAS的机制。

综上所述，细菌和微藻在连续高效去除LAS中发挥着不同且协同的作用。最初，液相的LAS被微藻和细菌迅速捕获，微藻的LAS摄取能力高于细菌，而细菌在LAS的生物降解过程中发挥主导作用，使LAS能够持续矿化。与单一细菌系统相比，微藻在混合培养中提高了细菌生物降解LAS的效率。本研究为微藻与细菌在LAS去除中的复杂相互作用提供了新颖见解，从而为优化和实施富含LAS灰水处理中的微藻-细菌生物膜反应器奠定了坚实的理论基础。

相关论文发表在ACS EST Engineering上，华中农业大学博士研究生伍贝贝为文章的第一作者，华中农业大学周云教授为通讯作者。