環(huán)境污染與資源短缺是當今世界亟需解決的兩大難題。傳統(tǒng)的活性污泥法在廢水處理過程中不僅會產生大量的剩余污泥，而且曝氣所帶來的高能耗問題也限制了該工藝的進一步發(fā)展。一些新興的廢水處理工藝，如短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、全程自養(yǎng)脫氮工藝等，雖然可以節(jié)省曝氣量、減少碳源投加量，實現(xiàn)廢水的高效低耗處理，但仍無法有效回收廢水中的資源性物質，造成了資源的浪費。
自1960年，光合細菌首次被應用于處理高濃度有機廢水后，這一新型廢水處理技術在幾十年間得到了迅猛發(fā)展，目前已經(jīng)在食品加工廢水、淀粉發(fā)酵廢水、合成蛋白胨廢水等多種工業(yè)廢水中取得了較好的處理效果。相較于其他廢水處理微生物（氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化菌、反硝化細菌、聚磷菌等），光合細菌在處理廢水時不僅可以實現(xiàn)碳、氮、磷的同步去除，而且可以通過自身代謝合成類胡蘿卜素、菌綠素、蛋白質、5-氨基乙酰丙酸等高價值資源物質，從而實現(xiàn)廢水的高效處理和物質資源化再生的雙重目的。但目前有關利用光合細菌對廢水進行資源化處理的研究綜述較少，限制了該技術的進一步推廣應用，因此有必要總結相關研究進展，以期為該技術的發(fā)展應用提供借鑒。
1、光合細菌的分類及其廢水資源化再利用
光合細菌是一類以光作為能源，在光照厭氧或黑暗好氧條件下利用有機物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進行光合作用的微生物。其分布廣泛，不僅存在于自然界的土壤、湖泊、海洋中，而且在人工污水處理系統(tǒng)中也有分布。根據(jù)自身的生存環(huán)境及代謝特點，可將光合細菌分為紫色硫細菌、紫色非硫細菌、綠色硫細菌和綠色非硫細菌四類，具體如圖1所示。其中，紫色非硫細菌因其對污染物具有較好的降解效果，是目前廢水處理中應用最廣泛的光合細菌。
隨著廢水排放量的增加及經(jīng)濟發(fā)展的需要，通過合適的處理方法將廢水中的資源、能源回收后再利用的想法逐漸受到青睞。相較于其他廢水處理微生物，光合細菌自身含有極高的類胡蘿卜素、菌綠素、蛋白質、5-氨基乙酰丙酸等高價值物質。這些物質在食品加工、醫(yī)療保健、日用化妝、農藥殺蟲等方面具有極高的需求量。
基于光合細菌的這一特點，人們提出了利用光合細菌替代傳統(tǒng)污水處理廠的生化處理部分，將廢水達標化處理轉變?yōu)閺U水資源化處理（見圖2）。如圖2所示，廢水經(jīng)光合細菌處理后達標排放，通過合適的分離技術將光合細菌進行收集獲得菌體，之后通過不同的提純技術分別回收類胡蘿卜素、菌綠素和5-氨基乙酰丙酸等高價值資源物質，并將其分別應用于醫(yī)療保健、畜禽飼料、食品加工等不同產品中，最終實現(xiàn)廢水合理處置和物質循環(huán)利用的雙重目的。
2、光合細菌廢水資源化處理特點及調控因素
2.1 光合細菌廢水資源化處理特點
光合細菌廢水處理技術作為一種新型廢水資源化再生技術，目前已有較多案例研究（見表1），菌種大多為沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）、球形紅假單胞菌（Rhodobactersphaeroides）、外硫紅螺菌（Ectothiorhodospira），這幾種光合細菌的底物利用范圍較廣，可利用乙醇、低級脂肪酸、分子氫等作為光合作用的電子供體，對外界不良環(huán)境具有較好的抵抗能力，且自身富含多糖類、聚-β-羧基丁酸鹽等物質，因而可以進行后續(xù)資源物質的提取回收。光合細菌處理的廢水大多為有機無毒廢水，如大豆廢水、食品加工廢水、制糖廢水等，這些廢水中含有大量的碳、氮、磷等營養(yǎng)性元素，有利于光合細菌的生長代謝。廢水的COD去除率和高價值資源物質產量因廢水種類、光合細菌種類及環(huán)境條件的差異而有所不同，但普遍表現(xiàn)為大豆廢水和制糖廢水的物質轉化效率較高，其原因可能是由于這兩種廢水的營養(yǎng)物質含量比較充足，適合光合細菌的生長。
光合細菌廢水資源化技術從本質上講，屬于生物轉化技術。這一技術將有機無毒廢水作為生長培養(yǎng)基，在不同光氧條件下借助光合細菌的代謝將廢水中的營養(yǎng)物質轉變?yōu)楦邇r值資源物質，實現(xiàn)廢水的資源化再生。光合細菌在不同光氧條件下的物質能量代謝途徑如圖3所示。
如圖3所示，在黑暗好氧條件下，光合細菌通過底物水平磷酸化和氧化磷酸化獲得能量，有機物通過糖酵解途徑和ED途徑被分解為中間代謝產物，并進入三羧酸循環(huán)，以氧氣作為最終電子受體，有機物被轉變?yōu)樽陨砑毎镔|和CO2。在光照厭氧條件下，光合細菌通過光合磷酸化和底物水平磷酸化獲得能量，利用廢水中的硫化物、H2或小分子有機物作為電子供體，以中間代謝產物為最終電子受體，合成自身細胞中的高價值資源物質。在光照好氧條件下，光合細菌同時發(fā)生光合磷酸化和氧化磷酸化兩種代謝模式，兩種代謝途徑共用輔酶Q、細胞色素bc1復合物和細胞色素c2。
相較于傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝，光合細菌廢水資源化技術不僅可以避免大量剩余污泥的產生，而且可以回收得到類胡蘿卜素、菌綠素、5-氨基乙酰丙酸等高價值資源物質，實現(xiàn)了物質的循環(huán)利用。考慮到實際操作中廢水處理效率和物質回收率的需要，許多研究人員根據(jù)光合細菌獨特的生理代謝模式，通過改變環(huán)境因素來調控光合細菌在廢水處理過程中的物質和能量代謝途徑，從而使其消耗更多的污染物和產生更多的特定目標產物，以獲得較高的經(jīng)濟價值。
2.2 調控因素
2.2.1 光照
光照作為光合細菌最為重要的能量來源，在光合細菌的生長、繁殖、代謝等方面發(fā)揮著重要的作用。不同的光照參數(shù)（如光源、光暗比、光照度等）通過影響光合細菌的光合磷酸化過程，對廢水的去除率和高價值資源物質的產量產生影響。光合細菌體內含有多種光合色素，不同種類的光合色素對光的吸收波長各不一致。Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，當光源為紅光（650nm）時，光合細菌具有最高的生物量（2580mg/L）和COD去除率（88.6%）。但也有研究發(fā)現(xiàn)，當光源為藍光（470nm）時，光合細菌具有最高的生物量（2.5g/L），并且在此條件下類胡蘿卜素的產量也達到最高（1782μg/g）。更進一步的研究發(fā)現(xiàn)，無論在何種波長下，類胡蘿卜素的含量都明顯高于菌綠素。這可能是由于類胡蘿卜素吸收波長較寬，不僅可以吸收波長為450~550nm的光，還可以吸收部分可見光；而菌綠素的吸收波長較短，僅為715~1050nm。
光照度作為另一個重要的產能代謝調控參數(shù)，也影響著光合細菌廢水資源化的效率。
光合細菌主要通過菌綠素、類胡蘿卜素等光合色素來捕獲光能，并將其轉化為電子進行光合磷酸化作用，從而利用廢水中的碳、氮、磷等元素合成高價值資源物質。而光照度可以調控光合基因（bchF、bchC、bchE、crtA、pufB、puc1B）的表達，進而影響菌綠素、類胡蘿卜素、細胞色素f等光合色素的合成，最終對光合細菌生理代謝活動速率產生干擾。當光照度在一定范圍（1668~8340lx）時，光合基因的表達量隨光照度的增加而增大，生物量和類蘿卜素產量也隨之增加。當光照度達到8340lx時，生物量和類胡蘿卜素的產量達到最高值，分別為2.68g/L和1.70mg/g。但當光照度過高（10008lx）時，光照會抑制光合基因的表達，甚至破壞光合基因的結構，導致光合細菌的生理代謝活動受到抑制，進而抑制生物量和類胡蘿卜素的合成。Zhou等研究發(fā)現(xiàn)，不同的光照度會對物質資源化效果產生很大影響，2000lx是光合細菌生物量回收和COD去除的最佳光強，相應值分別為2645mg/L和94.7%，光合細菌在8000lx下具有類胡蘿卜素的最高產量（1.455mg/L）。
除光源和光照度外，光照周期對光合細菌廢水資源化過程也具有重要影響。一般的研究大多采用連續(xù)光照策略，但Zhi等研究發(fā)現(xiàn)，當光照周期控制為24h光照/24h黑暗時，光合細菌廢水處理獲得了最高的氨氮去除率和生物量濃度，而在3h光照/3h黑暗的循環(huán)下獲得了最高濃度的蛋白質（826.73mg/g）和輔酶Q10（88.8mg/g），但光照周期不會對COD和TP的去除率產生影響。
2.2.2 溶解氧
溶解氧作為廢水處理中的重要參數(shù)，可以調控光合基因的表達和某些產能代謝關鍵酶的活性，進而對廢水處理效果和光合細菌資源化產率產生重要影響。光合細菌以氧氣作為電子受體，通過氧化磷酸化作用將廢水中的有機物一部分分解轉變?yōu)?/span>CO2排放到大氣中，另一部分用于合成自身細胞物質。研究表明，在一定范圍內增大溶解氧的濃度，丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶等光合細菌產能代謝關鍵酶的活性隨之增加，其對廢水處理的效率和資源化產率也隨之增加，但過高的溶解氧濃度會抑制核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶的活性，進而使光合細菌的生理代謝活動受到抑制。Meng等研究發(fā)現(xiàn)，當光合細菌以氧氣作為電子供體并通過氧化磷酸化獲取能量時，其最佳DO為4~8mg/L，在此條件下COD和氨氮的去除率可分別達到93%和83%，其生物量可達到1645mg/L。考慮到實際運營中曝氣成本會占污水處理廠運營成本的45%~75%，因而建議DO濃度保持在1~2mg/L。
2.2.3 化學促進劑
研究發(fā)現(xiàn)，除直接通過調控外界光氧環(huán)境以調控物質代謝流和能量流外，還可通過添加某些外源促進劑以增強光合細菌代謝和增殖速率。Wu等研究發(fā)現(xiàn)，Fe2+可以構成脫氫酶的活性中心，因此適當添加Fe2+可以通過上調脫氫酶的活性來提高能量的產生，當添加量為20mg/L時，光合細菌的生物量產量和COD去除率均可以達到最高值，分別為4800.9mg/L和93.4%。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，添加Fe2+可以提高光合細菌nif基因的表達，促進ATP的產生，進而提高細胞生長和5-氨基乙酰丙酸的合成。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，添加Mg2+離子可以促進某些關鍵酶（脫氫酶、固氮酶）的活性，進而提高光合細菌對廢水的處理效果及資源回收率。除微量元素外，添加植物激素也會刺激光合細菌的生長，提高其代謝活性。琥珀酸、三十烷醇、赤霉素等植物激素可以提高光合細菌產能代謝過程中菌綠素、類胡蘿卜素及ATP的產量，進而提高菌體產量和有機物去除率。此外，Tian等研究發(fā)現(xiàn)，當向光合細菌培養(yǎng)液中添加20%的煙草水解質進行產物水解時，輔酶Q10的產率提高了108.2%。
2.2.4 其他方法
除以上幾種方法外，研究發(fā)現(xiàn)，低強度短時間的超聲也可以促進光合細菌的生長，這一現(xiàn)象可能是由于超聲刺激提高了光合細菌脫氫酶的活性，使得細胞代謝活動加快而引發(fā)細胞產率提高。但同時應注意的是，超聲刺激的強度和時間不應過長，否則會對細胞造成破壞。此外，Wang等研究發(fā)現(xiàn)，高鹽分條件也會刺激光合細菌脫氫酶活性的增強，提高細胞代謝活性，同時也會刺激光合細菌產生更多的菌綠素和類胡蘿卜素。
3、光合細菌廢水生物處理反應器
3.1 光合序批式反應器
光合序批式反應器操作模式靈活、可以設置多相厭氧和好氧狀態(tài)，能夠滿足廢水處理的不同要求，因而在光合微生物的廢水處理中具有廣泛的應用。Chitapornpan等利用光合序批式反應器處理食品加工廢水，COD去除率達到73%，生物量可達到0.53gSS/gBOD，并且通過回收得到了較高產量的菌綠素和類胡蘿卜素。光合序批式反應器由于構造簡單、操作靈活，因而目前廣泛應用于多種研究。但由于光合細菌沉淀性較差，難以與水分離，因此容易發(fā)生流失問題，需在光合序批式反應器后接入分離裝置，以截留光合細菌。此外，為了保證光合細菌正常生長的需要，反應器多采用聚乙烯透明材料制成，使其具有良好的透光性。但考慮到在實際操作中存在的光路過長、內部光照不夠的問題，目前也有學者提出在內部增加光纖以照亮反應器、優(yōu)化光分布的策略。
3.2 平板型光生物反應器
平板型光生物反應器易于設計，通過改變厚度可以解決序批式反應器中存在的內部光照度不足的問題。Hülsen等利用浸沒式平板反應器培養(yǎng)光合細菌，并用來處理畜禽廢水，COD去除率達到90%，回收得到190kg/m3的蛋白質。Prachanurak等利用平板型反應器處理淀粉廢水，COD去除率達到88%，菌綠素和類胡蘿卜素含量分別為1.13μmol/gVSS、0.60mg/gVSS。與其他光生物反應器相比，平板光生物反應器被認為更經(jīng)濟。平板型光生物反應器難以按比例放大至幾升的體積，但可通過改變布局，使其呈階梯狀分布，以提高廢水的處理效率和高價值資源物質的產率。
3.3 光合細菌-膜生物反應器
由于光合細菌自身體積較小、細胞表面帶負電荷、分泌的胞外聚合物較少，導致其難以自我絮凝分離。與之相對應的是，膜生物反應器由于具有良好的固液分離性能，因而特別適用于光合細菌從廢水中分離和回收。此外，與其他方法相比，光合細菌-膜生物反應器具有操作簡便、生物量回收率高和出水性能優(yōu)異的優(yōu)點。Lu等利用光合細菌膜生物反應器處理啤酒廢水，COD去除率超過97%，生物量產率可達到483.5mg/（L·d），并且成功從廢水中回收分離出蛋白質、多糖、類胡蘿卜素等高價值資源物質。光合細菌-膜生物反應器作為一種具有廣闊應用前景的反應器，目前正在逐漸成為光合細菌廢水生物處理反應器的主流。然而，實際運行中卻發(fā)現(xiàn)，該反應器在運行較長時間后容易出現(xiàn)膜污染阻塞問題。因此，尋找有效的方法來消除膜污染問題，同時提高生物量的回收率，仍然是這一技術大規(guī)模應用亟需解決的問題。
4、光合細菌回收并提取高價值資源物質
4.1 類胡蘿卜素和菌綠素的提取
目前，類胡蘿卜素和菌綠素的提取多采用有機溶劑提取法，如單純的丙酮、甲醇、氯仿、己烷、乙醚等，也有將多種溶劑組合起來使用。Liu等利用HCl和丙酮從光合細菌菌體中成功提取出了類胡蘿卜素。Zhou等采用甲醇和丙酮從光合細菌菌體中提取出類胡蘿卜素。Lu等采用甲醇和乙醚混合溶液從光合細菌菌體中提取得到菌綠素。研究表明，不同溶劑的適當組合可以大幅增加光合色素的提取效率。
在提取方式上，傳統(tǒng)的光合色素大多在常壓下直接浸漬提取，提取效率主要取決于細胞壁的破壞程度，細胞壁的有效破壞可以促使溶劑進入細胞溶解其中的類胡蘿卜素，從而使其產量提高8～10倍。為了提高提取效率，在直接浸漬提取方法的基礎上，出現(xiàn)了索氏提取、微波輔助萃取、超聲輔助提取、加速溶劑萃取、超臨界流體萃取等改進方法，但是在使用這些方法時，需要對提取效率、使用成本及環(huán)境安全進行綜合評估，以尋找最合適的方法。
4.2 5-氨基乙酰丙酸的提取
目前，有關利用光合細菌生產5-氨基乙酰丙酸的研究已趨于成熟，但相關分離方法則較少有報道，且大多集中于溶劑萃取法。Saikeur等利用乙酰丙酮溶劑成功從光合細菌菌體破碎液中萃取得到5-氨基乙酰丙酸。Nunkaew等采用乙酰丙酮/乙醇/水溶液成功從光合細菌菌體破碎液中萃取得到5-氨基乙酰丙酸。Zhi等采用乙酰丙酮和乙酸鈉混合溶液從光合細菌菌體破碎液中萃取得到了5-氨基乙酰丙酸。考慮到5-氨基乙酰丙酸的較高價值和廣泛用途，因此有必要加強對其分離方法的研究。
4.3 單細胞蛋白和多糖的提取
目前，有關單細胞蛋白的提取方法主要有膜分離方法和化學沉淀法兩種。Lo等通過使用截留分子質量為30000u的聚砜膜，幾乎保留了廢水中的所有粗蛋白。Avula等采用超濾技術成功分離得到蛋白質。通過膜分離方法得到的蛋白質純度較高，但該方法由于膜易污染而導致處理費用較高。此外，也有研究人員采用鹽析法獲得蛋白質混合物之后再進行分離。Zhi等將硫酸銨溶液與蛋白質溶液進行混合，攪拌過夜后成功分離得到蛋白質，但鹽析法的純度較低，需后續(xù)進行提純處理。
在多糖提取方面，目前應用最廣泛的方法是熱水法，即通過60℃以上的熱水提取數(shù)小時，大多數(shù)多糖可以穩(wěn)定地溶解于熱水中，因而可以獲得較完整的多糖物質。考慮到一些酸性多糖或高分子多糖不易溶于熱水，它們在稀堿溶液中的溶解度通常比在熱水中大，有研究者在熱水法后采用NaOH溶液或Na2CO3溶液來進一步提取多糖。此外，也有研究者將一定量的酶添加到提取系統(tǒng)，先使用熱水提取，然后使用酶提取，從而大大提高多糖產率。由于不同種類的多糖性質差異較大，因此需根據(jù)目標多糖的特性，選擇合適的提取方法。
5、結論與展望
近年來，廢水排放量持續(xù)增加，循環(huán)經(jīng)濟的概念日益深入人心，光合細菌作為一種獨特的微生物，以其獨特的廢水資源化再生的特點，逐漸受到廣泛的關注。但在實際大規(guī)模應用中，仍存在以下不足有待解決：①光合細菌的資源化物質轉化效率較低。與通過合成生物學構建的人工菌株相比，大多數(shù)的光合細菌對污染物的降解能力和高價值資源物質的產量較差。②反應器處理能力有限，運行成本較高。目前光合細菌廢水資源化的研究仍限于采用人工光源、封閉式小型室內反應器，導致其僅能在小范圍內處理廢水，且電力成本較高。③缺乏合適的分離提取技術，相較于其他傳統(tǒng)廢水處理技術，光合細菌廢水資源化技術最大的優(yōu)勢在于可以獲得某些高價值資源物質，從而實現(xiàn)廢水資源化和物質再利用。但是目前尚未有合適的分離提取技術以獲得高純度的產物。
針對以上幾個問題，應加強以下幾個方面的研究：①高效菌株的篩選和獲得。為提高資源化物質轉化效率，有必要篩選可以高效降解污染物和資源物質產率高的光合細菌，以提高廢水資源化處理效率。②新型光生物反應器的設計。為實現(xiàn)大規(guī)模戶外廢水處理，應設計采用太陽光源的新型戶外開放式光生物反應器，在強化處理能力的同時降低能耗。③高價值內含物提取分離技術的研發(fā)。為實現(xiàn)廢水資源化和物質再利用，有必要研發(fā)相應的提取分離技術，以推動高價值資源物質的回收利用。（來源：南開大學環(huán)境科學與工程學院中加水與環(huán)境安全聯(lián)合研發(fā)中心，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所天津市工業(yè)生物系統(tǒng)與過程工程重點實驗室）
