為了降低溫室氣體的排放量，污水處理技術開始向低碳和碳回用技術等方向發展。藻菌共生工藝是指含有葉綠體或葉綠素的藻類在光照下進行光合作用，吸收CO2并釋放O2，同時去除水中的營養物質，而活性污泥含有的豐富細菌、真菌和原生生物利用藻類釋放的O2降解有機物，從而實現對污水的處理。作為一種新型的水處理技術，該工藝不但解決了單獨培養微藻產生的絮體較小、沉降性較差的問題，還通過生物匯碳、原位產氧等方式抵消CO2的排放，提高溶解氧的利用率，有望實現碳“零”排放。
目前，藻菌共生工藝受到越來越多的關注，但還存在一些需要解決的問題。例如，如何維持系統中藻類和細菌數量的合理比例，以實現協同生長；在脫離實驗室理想條件下，系統是否可以長期穩定運行；出水中攜帶的藻細胞對水環境會造成影響等。因此，為了實現藻菌共生系統高效穩定的運行，有必要深入了解污水處理過程中藻類和細菌之間相互作用的機理。
1、藻菌共生系統原理及其影響因素
1.1 藻菌共生系統原理
藻類和細菌在自然環境下存在著互利共生、共棲和寄生關系。藻-菌間的共生關系是藻類和細菌對彼此產物的利用，主要體現在CO2和O2在藻-菌間的循環流動。藻菌共生系統原理如圖1所示。
藻菌共生系統中微藻對細菌的促進作用主要體現在以下幾個方面：①光合作用碳固定產生的碳水化合物、脂質，以及微藻細胞分解產生的有機碳、氮磷營養物質均會促進細菌生長；②光合作用產生的O2可促進細菌分解有機物；③微藻可少量吸收水體中的重金屬、抗生素等，減小對細菌的毒害作用；④微藻群是細菌的次生棲息地，細菌可附著在藻細胞外鞘表面生長而形成生物膜，在一定程度上保護細菌使其免受有害環境因素的影響。
細菌生長代謝對微藻的促進作用體現在：①細菌代謝分泌酶、糖肽類物質，利于蛋白質、多糖等大分子物質水解，加快系統內營養物質的循環，促進微藻生長；②細菌分解死亡的微藻細胞，產生的氮、磷等營養物可被微藻利用；③細菌代謝產生的生長素、B族維生素為微藻提供營養物質。藻類和細菌間的物質循環與能量流動加強了對污染物的吸附和降解作用，提高了污水處理的效率。
目前，對藻菌共生系統原理的闡述主要集中在宏觀的物質交換層面，對于微觀狀態下共生系統對藻、菌的影響還不明確，如藻菌間結合的界面作用力及結合條件、微藻與細菌間代謝碳/氮/磷的通路、藻菌間相互作用的調控因子等。
1.2 藻菌共生系統的影響因素
1.2.1 化學因素
污水中存在著銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）和亞硝態氮（NO2--N）等多種形式的氮，而藻類會優先吸收NH4+-N進行新陳代謝，當水體中NH4+-N被消耗完時，NO3--N和NO2--N會在硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的作用下被還原為NH4+-N，繼續被藻類利用。
CO2是藻類光合作用的必需物質，會改變系統的pH從而影響藻菌的生長：當輸入CO2時，系統pH降低，過低的pH會阻礙藻類生物量的增長，影響污染物的去除；隨著光合作用的進行，CO2被消耗并釋放出O2，pH升高，PO43--P在堿性條件下（pH為9~11）易生成沉淀，但過高的pH會導致系統內細菌含量下降，影響脫氮效果。此外，CO2還可以促進藻菌顆粒分泌胞外多糖（PS），使其結構更加緊密，有利于藻菌顆粒污泥的穩定和長期運行。胞外蛋白（PN）是藻類和細菌在造粒過程中增加的主要胞外聚合物（EPS），但添加CO2對分泌PN并無顯著影響，并且經過CO2強化的藻菌顆粒污泥對COD和磷的去除率明顯升高，對COD的去除率從81.2%提高至91.7%，對磷的去除率從50.1%提高至72.3%。當EPS分泌量增加時，PN和PS含量也逐步增加。PN、PS含量的改變，對真核生物的影響不顯著，如其主要屬小球藻的豐度可達99%，而原核生物中α-變形菌綱的相對豐度增加，此類細菌多為異養細菌，可以氧化有機物產生CO2，供給微藻使用。綜上，PN、PS對藻菌顆粒的最終形成及維持菌群結構穩定具有重要作用。
1.2.2 物理因素
大多數藻類為自養生物，光照是其生長和繁殖的必要條件。光照周期和光照強度是重要的影響參數：光照周期影響藻細胞的分裂模式和生物活性，只有在適當的光/暗周期下，藻細胞才能完成物質代謝與光合產物的合成。根據藻類對光照強度的適應性，可將光照強度分為光限制區、光過渡區、光飽和區和光抑制區。在光限制區，藻類的生長速率隨光照強度的增加而增快，當光強到達光飽和區時，強光會抑制光合色素的分解并使光合結構受到損壞，使藻類生長受到抑制。通常在較弱光，污泥易形成顆粒，促進生物質增長。
1.2.3 生物因素
藻菌間的信號是一種實現群體行為、調控代謝功能的通信語言，目前在藻類和細菌間主要存在3種信號物質：①溶解性較差的脂質分子，能夠在不依靠能量的情況下自由穿過生物膜，如細菌中的磷脂、磷脂酰乙醇胺、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺等，以及藻類中的甾醇、脂肪酸等。②某些結構保守的分子，如農桿菌自誘導劑（AAI）可作為一種信號將膜結合的TraR蛋白釋放到細胞質中，從而誘導TraR蛋白的二聚化。③細菌產生的信號分子和藻類產生的化感物質。細菌間通過分泌并感知信號分子從而進行交流的現象被稱作群體感應（Quorumsensing，QS）。研究表明，藻菌顆粒污泥也受QS的調控，藻類和細菌都可以接收信號分子并開始自聚集，從而發生相應的變化（見圖2）。藻菌顆粒污泥系統中主要存在C6-HSL和3-oxo-C8-HSL兩種信號分子，向藻菌顆粒系統內添加AHLs上清液會誘導內源AHLs釋放，使顆粒污泥結構更緊密，呈現出較好的抗沖擊能力，維持顆粒長期運行中的結構穩定。QS對藻類的影響主要包括構建生態位、調控孢子的成熟與釋放、營養物質的加工與轉化、藻細胞的裂解，但加入信號分子后對藻菌共生系統具體的影響機制還不明確，還需要進一步研究。
藻-菌間的基因轉移是指基因在相鄰微生物之間的水平轉移。原核生物間的基因轉移主要存在轉化、接合、轉導三種形式，轉化是指受體直接接受供體的DNA片段；接合是指以細菌菌毛為介質，將受體DNA片段傳導給受體；轉導是以噬菌體為載體完成基因轉移。而真核生物間的基因轉移機制更加復雜，此類研究較少。藻類中含有多個與細菌高度相似的基因，如硅藻的葉綠體基因、鞭毛藻ycf16和ycf24基因，從而推測細菌基因水平轉移到藻中，細菌中也含有藻類特有基因，說明基因轉移是藻類和細菌共同進化的結果（見圖2）。基因轉移使藻菌間進行信號交流并促進藻菌的協同發展，提高藻菌共生系統的穩定性。
藻菌共生系統的影響因素眾多，但研究主要集中在如何提高藻菌共生系統的處理效果上，而對藻菌共生系統快速形成及穩定運行的影響因素研究較少。因此，需確定影響藻菌共生系統形成的關鍵因素，使藻菌共生系統能夠高效穩定運行。
1.3 藻菌結合方式
目前，藻菌共生系統主要有三種應用形式：懸浮態藻菌共生系統、固定化藻菌共生系統和藻菌生物膜系統。
懸浮態藻菌共生系統中細菌附著在藻細胞表面自由生長，主要包括高效藻類塘和藻菌顆粒污泥兩種形式，目前的研究多集中在藻菌顆粒污泥上。當藻類與顆粒污泥自動結合時，系統中會形成沉降性能較好的藻菌顆粒污泥。細菌有助于保護藻細胞免受浮游動物等捕食者的侵害，而藻細胞的裂解會為細菌生長提供更多的營養，有助于加速造粒過程。由于懸浮態藻菌顆粒體積較小且密度接近于水，易隨出水流出，造成藻細胞的流失，影響系統的處理效果。未處理的藻細胞直接排放會影響當地水體水質，甚至造成二次污染，可選用過濾法或增添膜組件進行處理，但這會增加運行成本；此外，在藻菌顆粒污泥系統長期運行過程中，藻類易附著在反應器上生長，造成光遮擋，使藻類競爭力下降，數量減少。而微藻EPS的主要成分為PS，當微藻數量減少時系統內PS相對含量會減少，PN相對含量則會增加。并且，系統內對藻類生長有益的細菌種類有限，長期運行時可能導致系統內非目標菌種數增加，當有害細菌成為優勢菌時就會導致系統崩潰。這時可能會出現主要功能菌群缺失，造成顆粒污泥的結構不穩定。這些都是藻菌顆粒污泥系統長期運行亟待解決的問題。
固定化藻菌共生系統是在懸浮態藻菌共生系統的基礎上投加載體，使藻類和細菌固定在載體表面，提高單位面積的生物量，減少系統中懸浮態藻的數量。它能有效解決藻細胞易流失的問題，有利于微藻的收集，還能有效延緩藻類的分解、衰老和死亡。然而，直接投加載體時藻類的附著率較低，為了提高藻類的附著率需要對載體進行改性，如將發光材料涂在載體表面，使藻類向載體方向生長，以利于藻類的附著，還能在黑暗環境中補充光照，從而提高污染物的去除率。但是，現階段固定化技術并不成熟，改性載體成本較高，并且載體的存在對藻菌代謝的影響還不明確，可能會阻礙藻類的光合作用，限制其大規模使用。
藻菌生物膜系統是將惰性載體引入污水處理體系，利用藻菌定向吸附特性，在載體表面自動形成結構穩定的藻菌生物膜，最終達到凈化污水的目的。藻菌生物膜可以緩解藻類隨出水大量流失的問題，而且不需要復雜的固定化技術，成本較低。生物膜的正常老化脫落會促進新的生物膜形成，提高污水處理效率。但是生物膜的非自然脫落（如水體剪切力變大導致的脫落等），會使出水水質變差。因此，當生物膜進入老化期時需要進行反沖洗，以增強生物膜的穩定性。
2、藻菌共生系統的應用
2.1 藻菌共生系統對污染物的去除
2.1.1 對氮、磷的去除
藻菌顆粒污泥具有較好的脫氮除磷能力，其去除方法主要包括微生物的同化作用、藻類的吸收和外界環境變化引起的去除3種。在藻菌共生系統中，微生物同化是藻菌顆粒污泥脫氮除磷的主要途徑。藻類光合作用產生O2，好氧細菌利用O2分解有機物產生CO2，并將含氮有機物轉化成NH4+-N，將含磷有機物轉化成PO43--P，藻類利用好氧細菌產物進行光合作用。外界環境變化去除氮、磷主要通過藻菌系統引起pH變化達到，由于藻類、細菌的代謝CO2被利用，系統內pH會升高至9左右，此時PO43--P開始沉淀。
藻菌共生系統對污水中氮、磷的去除效果見表1。
通過對比不同運行方式，發現曝氣對藻菌共生系統脫氮除磷的影響較大，尤其是磷的去除效果變化顯著，添加曝氣過程的反應器對磷的去除率可達80%以上。但是藻菌共生系統受環境因素影響較大，對污染物的去除效果不穩定，需要合理設計。例如，模擬輻流式二沉池設計藻菌共生生物膜反應器，在進水水質波動較大時仍能保持穩定的脫氮除磷效果，出水TN、NH4+-N、PO43--P和COD均能達到國標一級A標準，有望應用到污水處理廠中。
藻菌共生系統可應用于沼液和水產養殖廢水的處理，研究發現藻菌共生系統可有效減少沼液中的碳、氮、磷等污染物，提高凈化效率，并且藻菌共同培養比單獨培養對COD和總磷的去除效果更好。此外，藻菌共生系統處理高濃度的沼液造價較低。
藻類系統去除污染物所需的水力停留時間較長，藻菌生物膜系統在24h水力停留時間內對人工養殖廢水中NH4+-N的去除率為69%。而藻菌顆粒污泥工藝在水力停留時間8h內，對水產養殖廢水中PO43--P和COD的平均去除率分別為84.2%和64.8%，對NH4+-N、NO3--N、NO2--N的去除率分別為84.9%、70.8%和50.0%，大大縮短了反應時間，提高了污染物的去除效率。
2.1.2 對重金屬的去除
當前，去除重金屬離子的方法主要包括化學沉淀法、離子交換法、電解法和吸附法。由于重金屬離子對微生物具有持續的毒害作用，因此生物法在重金屬去除方面應用較少。藻菌共生系統為了抵御重金屬離子的毒害作用，會產生一種特有的“解毒”方式，為生物法去除重金屬離子的應用提供了新的研究方向。
藻菌共生系統可通過吸附和富集作用去除水體中的重金屬（見表2）。吸附作用是細菌和藻類分泌的EPS將重金屬離子吸附在表面，并與氮、氧等離子形成絡合物，最終將重金屬離子去除。富集作用是指重金屬離子進入藻細胞中與細胞器結合，使金屬離子富集到藻類體內。重金屬對藻菌共生系統也具有持續的毒害作用，但重金屬進入藻細胞后會使藻細胞產生相應的抵御措施，如藻類自身會產生重金屬配體（如草酸鹽、磷酸衍生物等），將重金屬轉變成結合蛋白并存儲在液泡中，以降低細胞內重金屬的濃度，減少毒害作用。重金屬還會刺激藻菌共生系統中EPS的分泌，保持系統中的生物活性，緩沖重金屬帶來的影響。此外，由于藻類吸收水中的CO2并釋放O2，使水環境中的pH升高，而重金屬離子在堿性水體中易形成沉淀，從而以沉淀的形式被去除。與好氧顆粒污泥相比，藻菌顆粒污泥對重金屬的吸附效果更好。但是，高濃度的重金屬會抑制酶的活性，從而抑制EPS的生成和微生物的生長，還會誘導產生活性氧物種而損傷細胞膜，進而造成EPS破裂并釋放胞內成分。以Cd為例，低濃度（0.1、1mg/gVSS）時會與溶解性微生物產物（SMP）結合形成保護屏障，促進SMP與松散結合EPS（looselyboundEPS，LB-EPS）的分泌，對緊密結合EPS（tightlyboundEPS，TB-EPS）無明顯影響；但高濃度（10mg/gVSS）時會導致SMP、LB-EPS、TBEPS含量出現不同程度的下降。因此，高濃度的重金屬會抑制細胞代謝，進而影響菌群活性。
值得注意的是，不同藻類對重金屬的耐受值不同。例如，當Cr6+>12mg/L時，黑藻細胞生長受到抑制；當Cr6+達到10mg/L時，螺旋藻細胞就會死亡。因此，利用藻菌共生系統去除重金屬時，需根據重金屬濃度選擇合適的藻類進行處理。
2.1.3 對難降解有機物的去除
降解有機物成分復雜、去除難度大，主要包括有機染料、抗生素等，常用的污水生物處理方法很難去除難降解有機物。藻菌共生系統由于藻類的加入，可通過靜電力、分子力將難降解有機物吸附、沉積在藻類表面，然后在酶促反應的驅動下進行生物轉化和生物積累。并且藻類會先對難降解有機物進行初級降解，隨后被細菌繼續利用；此外，還可以利用藻內含有的錳過氧化物酶、木質素過氧化物酶等，直接降解有機染料。
抗生素對藻類生長的影響與其濃度有關，在低濃度條件下，抗生素調節及誘導基因的表達可激活蛋白酶，促進藻類的生長；而在高濃度條件下，抗生素作為毒物會抑制微藻的生長。例如，慶大霉素濃度為50~100mg/L時，對鞭金藻細胞的生長具有促進作用，當慶大霉素濃度為1000mg/L時，對藻細胞生長具有明顯的抑制作用。研究表明，藻類對抗生素的耐受濃度遠高于細菌，并且微藻群是細菌的次生棲息地，可在一定程度上保護細菌免受抗生素的影響。藻菌之間的共生關系還可以增強細菌的活性，提高系統對抗生素的耐受能力。目前，隨著科技的進步，許多難降解的新污染物出現在污水中。鑒于藻菌共生系統對難降解有機物的去除機制，其在去除新污染物方面也具有較大潛力。
2.2 藻菌共生系統與多種反應器的聯合
2.2.1 藻菌生物燃料電池
生物燃料電池產生的是可再生清潔能源。藻類是制作生物燃料電池具有發展前景的原材料之一，預先馴化的微生物可用于藻菌生物燃料電池。藻類衍生的生物燃料電池只需要陽光、CO2和水，就可以產生多種可再生能源產品。藻類在陰極室光照條件下進行光合作用產生O2，與H+結合生成水。細菌在陽極室遮光狀態下氧化底物產生CO2和H+，并通過陽離子交換膜到達陰極室。藻菌生物燃料電池的功率輸出與外部電路中的電阻和離子交換膜的滲透性有關。藻菌生物燃料電池作為預處理工藝，可為污水的凈化提供能量，并將陽極室產生的CO2引入陰極室，降低碳排放量。目前，藻菌生物燃料電池已被證明可以同時凈化污水和發電，最高產能可達到（0.157±0.001）kJ/d，但是藻菌生物燃料電池在大規模商業化方面還是存在很多問題，如藻菌生物燃料電池受季節變化影響、電池穩定性易受藻類生長周期影響等。
2.2.2 藻菌生物轉盤
藻菌生物轉盤可視為一種光生物反應器，需要提供適宜的光環境，利用生物轉盤轉動為藻菌共生系統提供O2和動力來源。該工藝無需曝氣裝置和混合裝置，選用高脂藻作為藻種，既可以達到凈化污水的效果，又可以通過回收高脂藻中的油脂達到資源回收的目的。然而，由于藻類的加入，需要選擇透光性好的材料，減少光能損失，在一定程度上增加了材料成本。并且出水中懸浮的藻細胞很難在二沉池中去除，需選用過濾法或增添膜組件進行處理，增加運行成本。
2.2.3 藻菌膜生物反應器
膜生物反應器（MBR）是膜分離技術與生物處理技術相結合的污水處理工藝，以膜組件代替二沉池，保持系統內高濃度的活性污泥，提高處理效率。將藻菌共生系統與MBR工藝耦合，一方面由于MBR工藝的加入，解決了藻菌共生系統出水攜帶懸浮態藻細胞的問題，減少了藻細胞流失，還可回收藻類生物能源；另一方面，由于藻菌共生系統的加入，可進一步提高MBR工藝對氮、磷的去除率，減少曝氣能耗。與傳統MBR相比，適當的藻類比例將提高MBR的性能，接種比（藻類/活性污泥）為1∶1的MBR系統對NH4+-N的去除率為97.7%，而不添加藻類的MBR系統對NH4+-N的去除率為90.8%。然而，運行過程中，由于大顆粒物質的吸附使膜孔徑變小甚至堵塞而產生膜污染，影響膜的分離特性，需要對膜組件定期清洗，限制了MBR工藝的大規模應用。一般認為藻細胞會加速膜污染，但研究發現，投加適當比例的藻細胞不但會提高污水處理效率還會緩解膜污染程度。膜污染可能是絲狀菌過度生長所致，絲狀菌會阻止絮狀物顆粒的團聚，導致絮狀物尺寸增加使微生物絮體形狀和結構變得不規則，傾向于沉積在膜表面。藻細胞投加比例的不同會影響系統內溶解氧的變化，較高的溶解氧會抑制絲狀菌的過度生長，從而起到緩解膜污染的效果。
3、結語
藻菌共生系統在去除污染物的前提下，可實現約77%的溫室氣體減排，已逐漸發展成結合生物學、環境保護和能源節約的綜合技術。然而，藻菌共生系統依然存在一些問題需要解決：①部分藻菌共生系統出水會攜帶一定量脫落的藻類，對出水水質造成影響；②系統中會滋生一些有害細菌，破壞藻細胞的細胞壁，最終導致藻細胞的死亡，影響系統穩定；③藻菌共生系統在大規模實際應用時，受光照、溫度等環境因素的影響，如何在多變的自然條件下實現藻菌共生系統的穩定運行是亟需解決的問題。
針對出水攜帶藻細胞的問題，通過與膜工藝結合，對出水進行處理，收集流失的藻細胞，保持生物質濃度；針對系統內有害細菌的滋生，在培養初期對加入細菌進行篩選，投加有益菌，避免有害菌的過度繁殖；要實現藻菌共生系統在多變環境下的穩定運行，一方面需通過多次試驗提高系統穩定性來抵抗環境因素的不利影響，另一方面應盡量避免環境的突然改變，影響系統處理效果。
目前，關于藻菌共生系統的影響因素及處理效果等研究較多，而藻-菌間的作用機理、維持藻菌結構長期穩定和藻菌共生系統如何快速啟動還需進一步研究。藻-菌在環境影響下具有多變的作用關系，導致藻-菌間廣泛存在多種信息交流機制，并在藻菌各種生理特性中發揮重要作用。因此，在未來的研究中，有必要分析多種信號間的響應機制，探究不同信號機制間是否具有協同或抑制機制，有望進一步深化藻菌共生系統的形成機理。此外，還需明確外源添加信號分子的調控策略對藻菌及有害微生物的影響，能否通過信號傳遞確保優勢藻與優勢菌的地位，優化藻菌共生系統，提高污水處理效率。藻類是一種具有高回收價值的生物質資源，在去除污染物的同時進行生物質資源回收的研究，有望實現經濟價值和實用價值的雙達標。在疫情影響下，污水中個人醫藥護理品等新型難降解有機物濃度增加，藻菌共生系統對難降解有機物的高耐受度，也為此類廢水的去除提供了新的方向。（來源：湖北大學資源環境學院，廣州市自來水有限公司，區域開發與環境響應湖北省重點實驗室）
