菌藻生物膜反應(yīng)器處理養(yǎng)殖污水的應(yīng)用

文│翁波 尹艷飛 冉茂良 何俊 鐘元春（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院）

畜牧業(yè)作為我國的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供了重要支撐。近年來，現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)正朝著規(guī)模化、集約化方向發(fā)展，在滿足人們對(duì)畜產(chǎn)品需求的同時(shí)，造成了大量畜禽養(yǎng)殖廢水的排放。當(dāng)前，我國每年的畜禽糞污排放量大約為38億噸，其中豬、牛、家禽每年產(chǎn)生的糞污量分別為18億噸、14億噸、6億噸，分別占總量的47%、37%、16%。畜禽養(yǎng)殖的污水主要由動(dòng)物排泄物和養(yǎng)殖場(chǎng)地清潔廢水組成，具有化學(xué)需氧量和重金屬含量高、且處理難度大等特點(diǎn)，給環(huán)境帶來了一系列的污染問題。為實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性和友好型發(fā)展，生物處理廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖污水中。由于傳統(tǒng)的生物技術(shù)在處理養(yǎng)殖污水時(shí)存在效果不佳、耐受負(fù)荷沖擊能力差、處理時(shí)間長等問題。因此，一種新型的綠色處理技術(shù)－藻菌共生系統(tǒng)，因其在提高有機(jī)碳、氮和磷的去除效能和減少廢水處理過程中能源成本等方面存在較大潛力，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。相繼開展了懸浮菌藻系統(tǒng)、固定化菌藻系統(tǒng)及菌藻生物膜系統(tǒng)等方面的研究，其中菌藻生物膜系統(tǒng)能夠保持優(yōu)勢(shì)菌種和藻種不易流失，而且占地面積小、成本低、節(jié)省能耗，較前兩種菌藻共生系統(tǒng)的處理效果更具優(yōu)勢(shì)。本文綜述了菌藻生物膜反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖污水的研究進(jìn)展，通過闡述菌藻生物膜附著生長的菌藻種類及載體選擇、菌藻生物膜組成和形成、菌藻之間相互作用機(jī)理等內(nèi)容，結(jié)合菌藻生物膜反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖污水的應(yīng)用成果，為菌藻生物膜反應(yīng)器在畜禽養(yǎng)殖污水中的應(yīng)用與推廣提供參考。

一、菌藻生物膜反應(yīng)器

1.菌藻生物膜反應(yīng)器中菌藻種類。首先，生物膜反應(yīng)器菌類。細(xì)菌是菌藻生物膜上的主要微生物，包含硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌、光合細(xì)菌等。硝化細(xì)菌包含氨氧化細(xì)菌（NH4+-oxidizing bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NO2-oxidizing bacteria，NOB）。常見的AOB有亞硝化單胞菌屬和亞硝化螺菌屬，屬于β-變形菌綱，以上菌屬能夠在短程硝化過程中將NH4+-N基于好氧條件下通過單加氧酶和羥胺氧化還原酶催化作用轉(zhuǎn)換為NO2--N。NOB將NH4+-N氧化為NO3--N終產(chǎn)物，這個(gè)過程簡(jiǎn)稱為全硝化過程，主要屬于α-變形菌綱、δ-變形菌綱、γ-變形菌綱以及硝化螺菌綱。反硝化細(xì)菌大多為革蘭氏陰性細(xì)菌，如假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、副球菌屬和硫桿菌屬，還有一些革蘭氏陽性菌如芽孢桿菌屬和嗜鹽古細(xì)菌如反硝化鹽富饒菌。反硝化細(xì)菌利用NO2--N作為電子受體和有機(jī)物作為碳源將氮氧化物（NO2--N和NO3--N）轉(zhuǎn)化為N2，從而實(shí)現(xiàn)污水中氮的去除。光合細(xì)菌根據(jù)細(xì)菌內(nèi)所含電子和色素的不同分為產(chǎn)氧光合細(xì)菌和不產(chǎn)氧光合細(xì)菌，如：藍(lán)細(xì)菌、原呂菌為產(chǎn)氧光合細(xì)菌；紫色細(xì)菌和綠色細(xì)菌為不產(chǎn)氧光合細(xì)菌。

其次，菌藻生物膜反應(yīng)器中藻類。藻類是一類多為單細(xì)胞、群體或多細(xì)胞的葉狀體且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含有葉綠體，能夠進(jìn)行光合作用的自養(yǎng)型生物。在自然界中藻類分布廣泛，且種類繁多。據(jù)報(bào)告，目前藻類在地球上大概存有3萬余種，其中發(fā)現(xiàn)微藻有2萬株左右。目前研究表明綠藻門在菌藻生物膜上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，其中以小球藻和柵藻因具有適應(yīng)能力強(qiáng)、易于培養(yǎng)、對(duì)富含氮磷的污水凈化效果明顯等特點(diǎn)，被國內(nèi)外學(xué)者常用作為生物膜上研究最多的兩個(gè)綠藻屬。彭苑媛等通過在同等的操作條件下，采用小球藻構(gòu)建的微藻生物膜-膜光生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行長期穩(wěn)定的培養(yǎng)，結(jié)果表明小球藻生長周期是普通膜光生物反應(yīng)器的3倍，從而縮短了對(duì)微藻進(jìn)行的收獲頻率，減少了收獲成本。Garcia等將綠藻、藍(lán)藻、硅藻和硝化細(xì)菌一起培養(yǎng)形成了穩(wěn)定的菌藻生物膜，對(duì)養(yǎng)殖污水中的氨氮和硝氮的去除率高達(dá)97%和95%。張文藝和張正紅等研究發(fā)現(xiàn)小球藻屬和柵藻屬是菌藻生物膜反應(yīng)器中附著生長的主要優(yōu)勢(shì)藻屬，而且藻類數(shù)量較多，計(jì)數(shù)有1.01x104CFU/毫升，同時(shí)研究還表明該生物膜反應(yīng)器能有效地去除沼液中的污染物和維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.菌藻生物膜反應(yīng)器載體。菌藻生物膜形成及代謝活動(dòng)離不開載體，目前，已有針對(duì)不同載體在菌藻生物膜上進(jìn)行研究，并將載體材料歸納為兩類：天然載體和合成載體。天然載體分為有機(jī)天然載體和無機(jī)天然載體。有機(jī)天然載體包括人工水草、菖蒲、圓幣草、聚草等，無機(jī)天然載體包括珊瑚石、礦粘土、高嶺土、長石粉、珪藻土、海藻酸鈣等。合成載體包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、尼龍等。載體與菌藻生物膜形成息息相關(guān)，載體的親疏水性、粗糙度、孔隙結(jié)構(gòu)、生物相容性等性質(zhì)是影響菌藻生物膜形成的重要因素。

載體的親疏水性對(duì)菌藻生物膜的形成，是通過微生物的靜電力作用黏附在載體界面，縮短與載體界面的距離，然后載體界面上的疏水基團(tuán)代替界面上附著的水分子吸附微生物，從而促進(jìn)生物膜的形成。Sekar等對(duì)比不同的疏水材料和親水材料以及有一定生物毒性的材料對(duì)微藻吸附培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)疏水材料表面的吸附效果均優(yōu)于親水材料。此外，微生物既可以黏附于疏水性的載體界面，也可黏附于親水性的載體界面。Huang等證明了聚偏二氟乙烯/聚四氟乙烯復(fù)合膜具有高強(qiáng)度，良好的生物相容性和永久親水性的特點(diǎn)，并能有效的吸附微藻細(xì)胞。Ista等研究發(fā)現(xiàn)葡萄球菌更易黏附于表面能較高的親水載體界面上。因此，載體界面的親疏水性不能用來判斷載體界面是否有利于生物膜的形成及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。載體界面的粗糙度通過增加與菌藻細(xì)胞的接觸面積，增強(qiáng)了細(xì)胞的初始黏附力，而且表面粗糙度的增加可減少液體流動(dòng)相生物膜中細(xì)菌細(xì)胞所承受的外部水剪切力，有利于生物膜的穩(wěn)定。

材料的孔隙結(jié)構(gòu)和大小不僅直接影響生物膜上菌藻營養(yǎng)物質(zhì)的傳送，還為菌藻細(xì)胞附著和生長提供了安全生存環(huán)境，同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)還可以縮短緊密堆積的細(xì)胞之間的擴(kuò)散距離。段丹如等將高孔隙低密度的多孔金屬泡沫鎳為吸附載體，利用SiO2顆粒改變載體表面，使其表面形成許多均勻的微孔，并增加泡沫鎳表面的生物相容性和粗糙度，以提供相對(duì)靜態(tài)的流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境，結(jié)果證明了在泡沫鎳改性表面上微藻生物膜附著的可行性和有效性。

3.菌藻生物膜組成與形成。菌藻生物膜是由細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物等微生物及其分泌的胞外高分子聚合物組成，胞外高分子聚合物也稱為胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances，EPS）。EPS具有復(fù)雜的化學(xué)組成，含有多聚糖、蛋白質(zhì)、磷脂和核酸等化學(xué)物質(zhì)，其中多聚糖在EPS中占40%～95%，是最主要的成分。EPS表面含有的多個(gè)親/疏水性官能團(tuán)以及正電/負(fù)電結(jié)合位點(diǎn)在菌藻生物膜形成中發(fā)揮著重要的作用。

微生物附著在載體上形成菌藻生物膜的過程可分為遷移、黏附、生長成熟和老化等四個(gè)階段。第一，遷移階段，水體中游離的微生物在受到擴(kuò)散作用和水力動(dòng)力等定向力為主導(dǎo)力量下逐漸地向載體表面趨近，然后再在布朗運(yùn)動(dòng)、重力、靜電力、黏附力及沉降作用等非定向力的主要作用力下，微生物不斷地接近載體表面。第二，黏附階段，微生物在初步接觸到載體表面后，處于可逆的附著狀態(tài)，由于水體中存在各種外力、載體表面的粗糙度在初始附著的微生物與載體表面之間起著重要的主導(dǎo)力量，由于微生物自身的作用力不強(qiáng)，使其再次脫落到水體環(huán)境中，因此，不斷地處于附著和脫離的狀態(tài)。隨著微生物與載體表面充分接觸的時(shí)間不斷延長，當(dāng)微生物確定附著位點(diǎn)后通過自身會(huì)分泌出黏性的胞外物質(zhì)，如：分泌蛋白、多糖等物質(zhì)穩(wěn)固地附著在載體表面，此時(shí)的微生物化學(xué)作用力增強(qiáng)，遠(yuǎn)大于水力剪切力，使其不易被沖刷掉，進(jìn)而形成不可逆的狀態(tài)。因此，可逆附著為不可逆附著奠定基礎(chǔ)，而不可逆附著的過程是微生物附著和生長的關(guān)鍵。第三，生長成熟階段，載體表面的微生物在深度附著后，可獲得長期穩(wěn)定的生存環(huán)境，形成微生物群落，微生物群落中藻類的生長速度慢于細(xì)菌，細(xì)菌通過群體感應(yīng)的分子通信系統(tǒng)調(diào)節(jié)胞外聚合物分泌并黏附在載體表面形成聚集體。然后藻類中的優(yōu)勢(shì)藻群黏附在胞外聚合物上，獲取其中的碳源和氮磷無機(jī)鹽代謝增殖并促使更多微藻附著在載體上，當(dāng)細(xì)菌和藻類的比例達(dá)到生長穩(wěn)定狀態(tài)后，并發(fā)展為成熟的菌藻生物膜。第四，老化階段，隨著水體中的底物和O2不斷消耗，以及環(huán)境中機(jī)械力的作用下，導(dǎo)致微生物附著力降低，最后脫落，菌藻生物膜由穩(wěn)定狀態(tài)逐步走向衰老階段。

4.菌藻生物膜的影響因素。對(duì)于菌藻生物膜的影響因素研究，大多數(shù)集中在影響藻類生長活性、細(xì)菌群落數(shù)量和結(jié)構(gòu)、EPS的形成及沉降等方面單一因素的研究。有研究報(bào)道，菌藻生物膜中的細(xì)菌群落總體數(shù)量隨著光照強(qiáng)度不斷增加而增加，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)菌群中的硝化螺菌屬和假單胞菌屬的相對(duì)豐度平均值在光照強(qiáng)度4750勒克斯下顯著高于7580勒克斯組，紅桿菌屬相對(duì)豐度隨著光照強(qiáng)度的增大而逐漸升高。張晗等通過比較曝氣頭曝氣和膜曝氣兩種曝氣方式對(duì)菌藻生物膜反應(yīng)器的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以膜曝氣為基礎(chǔ)的生物膜反應(yīng)器相對(duì)于以曝氣頭曝氣為基礎(chǔ)的生物膜反應(yīng)器，無需吹脫以及其強(qiáng)大的有機(jī)碳碳化能力為藻類的生長提供了更多的無機(jī)碳，也為細(xì)菌提供了生存環(huán)境，同時(shí)膜曝氣光生物膜反應(yīng)器能更好地適應(yīng)外來沖擊，從而表明，膜曝氣提高了菌藻的生存環(huán)境促使藻類的積累而加速生物膜的形成，并提高污染物的去除效率。目前，其影響因素主要分為物理因素、化學(xué)因素、生物因素及工藝運(yùn)行條件等四類，分別包括光照和溫度、營養(yǎng)物可利用性、CO2、pH、物種間的競(jìng)爭(zhēng)、藻類捕食者、載體性質(zhì)及反應(yīng)器參數(shù)設(shè)計(jì)等。實(shí)際上養(yǎng)殖污水環(huán)境復(fù)雜多變，菌藻生物膜反應(yīng)器是由各種因素綜合影響，而不是受某一種因素單獨(dú)地作用，從整體上來研究菌藻生物膜的影響因素還未有報(bào)道。

二、菌藻生物膜反應(yīng)器中菌藻相互作用

1.營養(yǎng)交換。營養(yǎng)交換是影響菌藻之間相互作用的一種方式，在物質(zhì)傳遞當(dāng)中，既存在著對(duì)彼此的代謝物的相互利用，在營養(yǎng)物質(zhì)方面菌藻之間又存在相互競(jìng)爭(zhēng)抑制。菌藻的物質(zhì)循環(huán)利用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是微藻以光作為能源，通過光合作用利用污水中的CO2釋放供好氧菌吸收的O2，為細(xì)菌呼吸中提供電子受體，產(chǎn)生CO2可供微藻的生命活動(dòng)；二是微藻利用光合作用將污水中含有的CO2、HPO42--P、NH4+-N等無機(jī)物，合成自身物質(zhì)并產(chǎn)生溶解性的有機(jī)物，這些有機(jī)物被細(xì)菌吸收、轉(zhuǎn)化，然后分解為可被微藻繼續(xù)利用的無機(jī)物原料。此外，細(xì)菌和微藻共同生長過程中，產(chǎn)生的碳水化合物、蛋白、腐植酸及多種生長因子等活性物質(zhì)可作為彼此的營養(yǎng)，有研究發(fā)現(xiàn)，藻類生長所必需的微量元素中的維生素B12由共生菌提供。菌藻之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制主要體現(xiàn)在同種藻類和細(xì)菌、菌藻之間對(duì)污水中營養(yǎng)物質(zhì)爭(zhēng)奪以及菌藻之間分泌具有拮抗作用的活性物質(zhì)。Jansson研究發(fā)現(xiàn)污水環(huán)境中的磷酸鹽更優(yōu)先于被細(xì)菌吸收，然后才是微藻。當(dāng)環(huán)境黑暗條件時(shí)，微藻進(jìn)行呼吸作用，與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)O2。細(xì)菌分泌溶藻性活性物質(zhì)抑制小球藻的生長，而且有些藻類產(chǎn)生的活性物質(zhì)抑制細(xì)菌的生長繁殖，還有研究發(fā)現(xiàn)小球藻對(duì)革蘭氏陽性菌和革蘭陰性菌有良好的抗菌作用。總之，營養(yǎng)交換有利于菌藻生物膜對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整，并能有效去除養(yǎng)殖污水中的污染物。

2.信號(hào)調(diào)控。微生物膜上的細(xì)菌和微藻之前存在復(fù)雜而精密的“交流”，主要表現(xiàn)在通過分泌信號(hào)分子調(diào)控胞內(nèi)特定基因的表達(dá)，進(jìn)而影響菌、藻的生理活動(dòng)。菌藻生物膜中的細(xì)菌和微藻的信號(hào)作用是相互的，一方面，細(xì)菌分泌N-基-高絲氨酸內(nèi)酯（N-3-acyl-homoserine lactones，AHLs）感應(yīng)信號(hào)分子以及特殊化學(xué)物質(zhì)促進(jìn)和抑制微藻的生理活動(dòng)；另一方面，微藻能產(chǎn)生一種AHLs類似物信號(hào)分子通過與細(xì)菌表面的受體蛋白競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合，從而降解受體蛋白分子，抑制生物膜的形成；此外，研究發(fā)現(xiàn)植物激素，包括生長素、脫落酸、細(xì)胞分裂素、乙烯和赤霉素等廣泛存在于藻細(xì)胞內(nèi)，作為一種信號(hào)分子能調(diào)節(jié)細(xì)菌的生理，還能作為微藻的胞外信號(hào)物質(zhì)介導(dǎo)微藻間的通訊進(jìn)而影響微藻生長、胞內(nèi)生物質(zhì)合成和抗氧化機(jī)制等功能。有研究表明，藻類在老化過程中通過釋放出衰老信號(hào)來誘導(dǎo)細(xì)菌分泌芥子酸、阿魏酸和肉桂酸等化學(xué)物質(zhì)促使藻類溶解。

目前，關(guān)于藻-菌之間信號(hào)分子作用機(jī)理的研究主要集中在革蘭氏陰性菌分泌的AHLs對(duì)微藻路徑基因表達(dá)調(diào)控，微藻對(duì)AHLs信號(hào)分子的感知和響應(yīng)主要通過3種潛在機(jī)制：第一種，細(xì)菌分泌的AHLs以自由擴(kuò)散和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的方式進(jìn)入微藻細(xì)胞內(nèi)部，與胞內(nèi)特異性受體結(jié)合，啟動(dòng)特異性功能基因的表達(dá)；第二種，AHLs作為一種胞外信號(hào)分子，與微藻細(xì)胞膜表面偶聯(lián)的受體蛋白結(jié)合，將信號(hào)傳導(dǎo)為胞內(nèi)第二信使分子，調(diào)控下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)；第三種，胞內(nèi)AHLs及轉(zhuǎn)導(dǎo)后的第二信使分子通過調(diào)控胞內(nèi)酶活性、三羧酸循環(huán)、氨基酸合成或糖酵解等代謝路徑，從而促使藻-菌聚集體的形成。除此之外，研究者對(duì)于微藻內(nèi)源植物激素的研究大都是基于對(duì)高等植物激素的認(rèn)知，而關(guān)于植物激素的介導(dǎo)微藻間的通訊與機(jī)制的研究尚不清楚，還需進(jìn)一步研究。

三、菌藻生物膜反應(yīng)器在畜禽養(yǎng)殖污水的應(yīng)用效果

1.菌藻生物膜反應(yīng)器去除養(yǎng)殖污水中營養(yǎng)物質(zhì)的應(yīng)用。根據(jù)《第二次全國污染源普查公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，2017年我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染物排放量化學(xué)需氧量1000.53萬噸，氨氮11.09萬噸，總氮59.63萬噸和總磷11.97萬噸，分別占全國水污染物排放總量的46.67%、11.51%、19.61%和37.95%。其中氮磷物質(zhì)在養(yǎng)殖污水中主要以氨氮和各類磷酸根離子的形式存在。當(dāng)水中氨氮濃度過高時(shí)，對(duì)微藻的生長產(chǎn)生抑制，此時(shí)，細(xì)菌能將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮等無機(jī)氮形式，以降低高氨氮環(huán)境對(duì)微藻的抑制。養(yǎng)殖污水中的氨氮優(yōu)先被藻類同化吸收為一種無機(jī)氮，接著被轉(zhuǎn)化為氨基酸，釋放出O2并且藻細(xì)胞直接吸收廢水中磷酸鹽在有氧條件下通過磷酸化途徑轉(zhuǎn)化為ATP，磷脂等。同時(shí)，在有氧條件下，好氧細(xì)菌將COD氧化分解為CO2，NH4+-N被硝化細(xì)菌吸收入細(xì)胞體內(nèi)被電子受體氧化，聚磷菌以糖酵解途徑超量吸收污水中無機(jī)磷合成聚-β-羥丁酸。污水中磷酸鹽形成在無氧條件下以沉淀的方式去除污水中的氮磷元素。

近年來，利用菌藻生物膜系統(tǒng)去除畜禽養(yǎng)殖污水污染物的研究引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注，并在畜禽養(yǎng)殖污水中營養(yǎng)物質(zhì)去除方面取得了一些成效。de Godos等將菌藻共生系統(tǒng)形成固定化生物膜后，處理含有656毫克/升氨氮和117毫克/升總磷的生豬污水，發(fā)現(xiàn)可進(jìn)一步提高氮、磷的去除率至90%以上。Gong等對(duì)牛糞厭氧發(fā)酵液利用膜曝氣生物膜反應(yīng)器進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)COD的去除效率最高能達(dá)到90%以上。González等、Godos等由小球藻活性污泥形成的菌藻共生生物膜反應(yīng)器對(duì)對(duì)豬場(chǎng)廢水的TN、TP去除效果分別可達(dá)94%以上及70%～90%。張正紅等利用一種由活性污泥、光合細(xì)菌和小球藻組成的菌藻共生序批式生物膜反應(yīng)器處理具有高濃度污染物的養(yǎng)豬場(chǎng)沼液。張正紅等采用活性污泥、光合細(xì)菌和小球藻組成的菌藻共生序批式生物膜反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)沼液中的COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分別為92.16%±0.82%、97.98%±0.53%、87.95%±0.55%和84.25%±0.45%。Sun等采用菌藻膜生物反應(yīng)器處理畜禽污水后發(fā)現(xiàn)，微藻能改善微生物活性和污泥特性，且共生系統(tǒng)的污染物去除效率要優(yōu)于對(duì)活性污泥和微藻的單獨(dú)固定化處理。最新研究發(fā)現(xiàn)，采用植物與菌藻生物膜形成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能有效去除污水的營養(yǎng)物質(zhì)。

2.菌藻生物膜反應(yīng)器在畜禽養(yǎng)殖污水中降解重金屬應(yīng)用。畜禽養(yǎng)殖飼養(yǎng)中添加的銅、鋅等重金屬含量往往超過畜禽的吸收能力，大部分隨著糞便被排出體外，因此，畜禽養(yǎng)殖污水中殘留著大量的Pb2+、Cu2+、Cr6+、Zn2+等重金屬離子。菌藻生物膜主要利用菌藻的吸附、沉淀、胞內(nèi)富集方式來去除污水中的重金屬離子。污水中的重金屬離子與細(xì)菌細(xì)胞壁以及EPS上含有的官能團(tuán)通過離子交換和相互吸附結(jié)合而被去除。細(xì)胞在重金屬離子的刺激下，會(huì)增加EPS的分泌，從而促使EPS與重金屬離子的作用。菌藻生物膜系統(tǒng)中部分微生物產(chǎn)生能與重金屬結(jié)合的硫化和磷酸鹽代謝物，以沉淀的形式去除環(huán)境中的重金屬。菌藻生物膜的胞內(nèi)富集是將吸附在微生物表面的重金屬離子通過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和胞吞作用轉(zhuǎn)入到細(xì)胞體內(nèi)，在微藻和細(xì)菌體內(nèi)發(fā)生生物富集。

聶國朝等利用藻菌生物膜工藝去除污染水體的重金屬，研究表明，藻菌生物膜在一定程度上收到Cd抑制，且絲藻所分泌的EPS為共生菌類和藻類提供一個(gè)緩沖Cd毒性的微環(huán)境，使得藻菌生物膜能在毒性的環(huán)境中保持一定的活性進(jìn)而能持續(xù)有效地去除污染水體中的Cd。Jaafari等利用小球藻和細(xì)菌光生物膜反應(yīng)器處理稀釋10倍后豬場(chǎng)廢水，其中Zn的去除率達(dá)到83.2%。高敏等研究發(fā)現(xiàn)污水中重金屬離子在低濃度下，生物膜分泌的多聚糖與水中鎘離子去除率呈正相關(guān)，重金屬去除率高。目前，菌藻生物膜反應(yīng)器主要集中在菌藻對(duì)重金屬機(jī)理的研究，而對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水中重金屬去除應(yīng)用研究方面比較少，其原因可能有以下兩方面：一是養(yǎng)殖場(chǎng)沿用傳統(tǒng)的設(shè)備，更換設(shè)備困難；二是菌藻生物膜反應(yīng)器起步晚，尤其在畜禽養(yǎng)殖污水重金屬離子去除方面還不夠成熟。

3.菌藻生物膜反應(yīng)器去除養(yǎng)殖污水中抗生素的應(yīng)用。獸用抗生素因其具有促進(jìn)動(dòng)物生長和預(yù)防動(dòng)物疾病等作用在畜禽養(yǎng)殖中廣泛使用。我國每年約8萬噸抗生素被應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖，占全國總抗生素用量的52%。其中四環(huán)素類抗生素是畜禽養(yǎng)殖業(yè)中使用量最大的抗菌藥物，約占獸用抗生素總用量的57%。養(yǎng)殖中使用的大多數(shù)抗生素很難被機(jī)體完全代謝吸收，約有40%～90%的獸用抗生素以原體或代謝物形式隨糞尿排出。因此，有效處理養(yǎng)殖糞便對(duì)降低抗生素的排放至關(guān)重要。近年來，將具有降解抗生素的能力的藻類與細(xì)菌結(jié)合對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的抗生素耐受性有所提高。López-Serna等研究了由微藻-細(xì)菌和紫色光合細(xì)菌組成的開放式光生物反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水中19種獸藥的去除效果，發(fā)現(xiàn)菌-藻光生物反應(yīng)器對(duì)土霉素、馬波沙星、多西環(huán)素、磺胺二甲嘧啶等大多數(shù)抗生素的去除效率都高于光合細(xì)菌系統(tǒng)。García等利用菌藻光生物反應(yīng)器對(duì)養(yǎng)殖污水中的多西環(huán)素和土霉素的去除效率分為95.3%和93.3%。除此之外，Xiong等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)四環(huán)素濃度上升至20毫克/升時(shí)，微藻-細(xì)菌光生物反應(yīng)器對(duì)磷的去除率和部分菌藻生物量的積累量減弱，這表明，高濃度的抗生素影響菌藻系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)以及對(duì)污染物的去除效率。由此可見，菌藻系統(tǒng)對(duì)污水中抗生素處理受一定濃度的影響，對(duì)于菌藻聯(lián)合處理污水中抗生素的機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。而污水中的抗生素能夠抑制菌藻生物膜中的細(xì)菌生長繁殖代謝，因此菌藻生物膜中進(jìn)行耐藥菌株篩選應(yīng)用于處理畜禽養(yǎng)殖污水也是亟待解決的問題。

四、總結(jié)與展望

菌藻生物膜作為一種綠色的養(yǎng)殖污水處理技術(shù)，能夠去除畜禽養(yǎng)殖污水中的化學(xué)需氧量、氮磷、重金素和抗生素等污染物。雖然菌藻生物膜被國內(nèi)外學(xué)者在畜禽養(yǎng)殖污水中進(jìn)行了一定的研究，但是將菌藻生物膜在畜禽養(yǎng)殖污水中進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用還需進(jìn)一步提升。首先，菌藻生物膜受多重因素作用機(jī)制的研究尚不清楚，還需借助現(xiàn)代技術(shù)手段進(jìn)行深入研究，以提高菌藻生物膜在實(shí)際養(yǎng)殖污水中的形成速度，減少環(huán)境中不利因素對(duì)其的阻礙；其次，畜禽污染物成分不同，應(yīng)篩選不同的菌藻進(jìn)行培育和優(yōu)化，穩(wěn)定而高效的處理極端環(huán)境中的有毒養(yǎng)殖污水；最后，菌藻之間信號(hào)調(diào)控路徑研究還需利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)等手段進(jìn)一步研究。