科学通报 | 从“难处理”到“资源化”：小球藻—细菌共生跑道池助力高盐榨菜废水绿色处理

近日，中国科学院成都生物研究所谭周亮研究员团队在《科学通报》亚热带农业高质量发展专题(辑)发表了题为“榨菜废水小球藻-菌共生体系中试运行特性与协同机制”的研究论文，在选育12C6+重离子突变优良藻株基础上，系统评估了小球藻-细菌共生系统在曝气光生物反应器（aerated photobioreactor, APBR）与跑道光生物反应器（raceway pond photobioreactor, RPBR）中处理高盐榨菜废水的效果，并优化了RPBR的关键运行参数。研究从污染物去除、微藻生长及微生物群落三个维度进行比较，明确了RPBR综合性能更优，30 r/min为优选转速。该条件下，氨氮(NH4+-N)和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率均超93%，总磷(total phosphorus, TP)去除率达78.40%，微藻生长旺盛，形成了以拟杆菌门为主导、富集脱氮功能菌属的稳定功能群落结构。该研究为高盐有机废水的绿色高效资源化处理提供了新技术方案与理论依据。

榨菜是我国传统特色发酵食品，其加工过程产生的高盐废水具有高盐度、高氮磷、高有机物等特征。高盐环境对普通微生物产生强烈的渗透压胁迫，导致细胞失水、代谢酶活性下降，甚至细胞裂解。传统厌氧/好氧及其组合工艺处理此类废水时，仍面临微生物活性受抑、脱氮除磷不彻底及运行稳定性不足等挑战。若未经妥善处理直接排放，将对受纳水体生态环境造成严重威胁。

微藻-细菌共生体系是一种新兴的废水处理技术，其核心在于利用微藻与细菌之间的协同代谢过程，通过微藻光合作用供氧，并分泌可溶性有机物和胞外聚合物，为细菌降解有机污染物提供氧源、碳源；同时细菌则通过有机物矿化释放二氧化碳、无机氮磷等营养物质，反向促进微藻生长与营养盐同化。由此形成“藻供氧供碳-菌降解矿化-藻吸收利用”的循环耦合协同机制，在降低曝气能耗的同时实现氮、磷及有机物的高效去除。相比传统活性污泥法，微藻-细菌共生体系通过耦合光合固碳与异养代谢过程，在实现污染物高效去除的同时促进生物质资源化，被视为一种具有显著环境与资源协同效益的前沿水体修复技术。

本研究首先对比了APBR和RPBR对高盐榨菜废水的处理效果（图1）。结果表明，RPBR在整体性能上表现优于APBR：RPBR中藻体光合色素积累量约为APBR的2倍，在榨菜废水条件下保持稳定且高效的光合调节能力。较高的藻体生物量与光合活性有效强化了藻菌协同作用，使RPBR的NH4+-N和总氮(total nitrogen, TN)去除率分别达到93.85%和90.57%，明显高于APBR的28.72%和47.92%。进一步通过桨轮转速的优化实验（20、30、40 r/min），确定30 r/min是综合性能最佳的条件，系统在该转速下实现了高效污染物去除。

图1两种光生物反应器中微藻的生长情况及污染物去除效果

(a,c) RPBR中微藻光合色素随运行时间的变化情况及各种污染物去除效果；(b,d) APBR中微藻光合色素随运行时间的变化情况及各种污染物去除效果。Chl a, 叶绿素a; Chl b, 叶绿素b。

为揭示30 r/min条件下内在微生物种群演替过程，研究采用高通量16S rRNA基因测序技术系统分析了PBR运行过程中细菌群落组成及优势类群变化，并结合PICRUSt2功能预测，推测氮代谢相关的功能基因的潜在丰度变化，为阐释系统脱氮过程中的微生物驱动机制提供依据。测序结果显示，30 r/min条件下藻菌体系微生物群落结构相对稳定，且潜在功能呈现出向氮转化和有机物降解方向集中的特征。群落组成上，拟杆菌门成为主要优势菌门，其许多成员具有降解复杂有机物的能力，有助于高盐榨菜废水中有机污染物的转化利用。同时，norank_f__Cryomorphaceae、Oceanimonas等与有机物降解和氮素转化相关的优势类群得到富集，而部分厌氧菌或不适应当前水力与盐度环境的类群相对丰度降低，表明适宜搅拌条件对群落结构具有选择作用。功能预测进一步显示，30 r/min条件下与硝酸盐还原等氮代谢相关的酶功能基因潜在丰度提高，提示该水力条件可能促进系统氮转化功能的强化。综上，30 r/min的水力条件不仅宏观上改善反应器混合与传质过程，也在微观上通过塑造更加稳定且功能适配的细菌群落结构，增强了藻菌共生系统对高盐废水中氮素和有机物协同去除的能力。

图2优选搅拌速度下微生物生物信息学分析

(a)共现网络分析；(b) α多样性分析；(c) 细菌门水平微生物群落组成；(d) 细菌属水平微生物群落组成。

尽管本研究明确了反应器规格与运行条件，但反应器内水力环境对藻菌体系稳定运行的影响仍有待进一步解析。后续研究可结合流场模拟或示踪实验，完善对混合与传质过程的认识，为藻菌共生体系的工艺优化和工程放大提供支撑。

中国科学院成都生物研究所谭周亮研究员团队副研究员李欣为本文的通讯作者，在读硕士生龚思丽为一作者，重庆市农业科学院提供相应技术支持。本研究得到了重庆市技术创新与应用发展川渝科技创新合作计划项目（CSTB2024TIAD-CYKJCXX0015）、重庆市市级财政项目（KYLX20250600066）、中国科学院青年创新促进会项目（2023387）和四川省重点研发项目（26SYSX0072）资助；研究所用小球藻突变株由兰州重离子加速器（HIRFL）提供诱变技术支撑，PBR系统运行维护及过程指导由重庆市农业科学院农业工程研究所提供。

文章信息

龚思丽，张进，高立洪，等.榨菜废水小球藻-菌共生体系中试运行特性与协同机制. 科学通报, 2026.

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