项目文章 | 中科院&JCR双一区，高盐榨菜废水高效处理方法

中文标题: 通过牟氏角毛藻和原生细菌对高盐榨菜废水进行藻类修复与应用

英文标题: Phycoremediation and valorization of hypersaline pickled mustard wastewater via Chaetoceros muelleri and indigenous bacteria

期刊名称：Bioresource Technology

合作单位：重庆市农业科学院

影响因子：11.4

研究对象：高盐榨菜废水

研究方法：16s rRNA测序

百迈客生物在该研究中提供了16s rRNA测序服务。

研究背景

榨菜是以芥菜为原料，经多级酸洗、多次盐溶液浸泡、压出果皮而制成的腌菜。榨菜生产是中国三峡库区的支柱产业。榨菜生产第一阶段产生的废水占整个产量的50%以上。第一阶段的高盐榨菜废水(PMW)具有高盐、高营养物质(有机质、氨氮和磷)和低pH值的特点。高盐废水的直接排放会对环境造成严重的破坏。目前处理高盐废水的方法主要有物理化学方法，如电渗析膜法和过硫酸盐活化法，主要用于预处理阶段。虽然这些方法可以有效缓解高盐度对微生物的抑制，但这些方法具有成本高、效率低的特点。因此，寻找一种高效、环保、可持续的PMW处理方法具有重要意义。

本研究旨在探讨硅藻-细菌联合体处理原料PMW的可行性。本研究对微生物群落的生长、光合作用、抗氧化酶活性等变化进行了全面的研究。此外，还对硅藻-细菌联合去除营养物的可能机制进行了探讨。最后，在半连续模式下进行了室外中试栽培，以验证生物修复效果。本研究为硅藻-细菌联合体在PMW处理中的应用奠定了基础。

材料方法

采用16s rRNA测序技术检测了PMW、MMW0和MMW12的微生物多样性。（MMW0 、MMW1 2 ：10 % PMW中的微生物菌团，第0天和第12天）

营养分析（TN、TP、NH-N等）、抗氧化酶活性（MDA、SOD、CAT）

研究结果

1.营养物去除

PMW中的氮元素主要以NH₄⁺-N的形式存在。如图1A和1B所示，5% PMW组的联合体对NH₄⁺-N和TN的去除效果最好，其次是10% PMW组。与5% PMW组相比，10% PMW对TN和NH₄⁺-N的去除率分别下降了2%和4%。与10% PMW相比，20% PMW对TN和NH₄⁺-N的去除率分别下降了22%和27% (p < 0.05)。

磷主要用于合成蛋白质、核酸和磷脂。随着PMW浓度的增加，TP的去除率逐渐降低(图1C)， 5%、10%和20% PMW组的去除率分别达到99%、96%和79%。其中，5%和10% PMW对总磷的去除率差异不显著(p > 0.05)， 20% PMW对总磷的去除率显著低于10% PMW 。

不同组硅藻-细菌联合体对COD的去除效率如图1D所示。随着初始COD浓度的增加，联合体对COD的去除率逐渐降低。5% PMW和10% PMW组的COD去除率分别约为76%和82%，而20% PMW组的COD去除率仅为63%。高浓度的NH₄⁺-N(>100 mg/L)可能会阻碍微藻的生长，降低其生物修复活性，是导致COD去除率下降的主要原因。

结果显示，经过12天的处理，原生微生物在10%的PMW中分别去除了6%、11%、12%和18%的TN、NH₄⁺-N、总磷和COD(图1)。这表明，虽然PMW中存在的原生细菌促进了营养物质的去除，但硅藻在处理原料PMW中发挥了主要作用。根据上述结果和PMW的排放标准，确定了10%的PMW是通过C. muelleri和细菌培养对PMW进行生物修复的最适宜浓度。

2.光合色素分析、光合效率分析

微藻中的光合色素，如叶绿素a和类胡萝卜素，通过捕获光来指导光系统II中的电子传递，参与生理代谢的调节。不同PMW浓度各组叶绿素a含量变化如图2A所示。10% PMW的叶绿素a含量最高。5% PMW中叶绿素a含量降低可能与养分不足有关。在20%的PMW条件下，培养7天后，藻的颜色逐渐变白，说明C. muelleri不能耐受高于20%的PMW培养基。以上结果进一步证实了10%的PMW是被试组中穆勒梭菌生长的理想浓度。

Fv/Fm检测可以快速评价微藻对生长环境的适应性。随着PMW浓度的增加，在图2B中，在第12天，10% PMW的Fv/Fm最高(0.658)。与未添加PMW相比，5% PMW、10% PMW和20% PMW的Fv/Fm分别降低了8%、2%和46%。这表明藻类的能量转化率降低，对微藻的光合作用有一定的抑制作用。在20%的PMW中，Fv/Fm值恢复，表明C. muelleri对不利环境产生了特异性抗性。Fv/F0可用于确定植物的光合效率和生理状态。Fv/F0的下降(图2C)表明C. muelleri供体侧的水分裂复合物崩溃，导致电子传递能力下降。有效量子产率(ΦPSII)可以揭示微藻在不同环境条件下的生理状态和PSII的性能。5%、10%和20% PMW组C. muelleri的ΦPSII分别为0.16、0.24和0.06(图2D)。总体而言，10% PMW处理下C. muelleri的光合效率最好，这也有利于PMW处理。

3.抗氧化酶活性

在正常生长的微藻-细菌联合体中，活性氧(ROS)的产生和去除的动态平衡对维持机体功能起着重要作用。MDA是细胞脂质过氧化和损伤程度的常用指标，是膜脂过氧化的产物之一。抗氧化酶活性的变化如图3所示。在第12天5%、10%和20% PMW组SOD活性分别为为2.06、2.34和2.73 U/mgprot。CAT活性表现出与SOD活性相似的趋势。与SOD类似，CAT也是存在于大多数生物体中的一种抗氧化酶。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性升高20%，表明PMW组抗氧化酶活性升高。5%、10%和20% PMW中MDA含量分别为1.74、1.76和2.04 nmol/mgprot(图3)。MDA含量的持续增加表明高浓度PMW对微藻细胞造成了损伤。来自联合体的抗氧化酶活性增加，以应对氧化应激造成的损害

随着PMW浓度的增加，微藻-细菌联合体分泌的ROS和MDA也逐渐增加。这再次证明，与5%和20%的PMW相比，10%的PMW是废水处理和C. muelleri培养的最佳初始浓度。

4.胞外聚合物分析

菌藻共生系统的EPS是硅藻-细菌联合体在一定环境条件下分泌的聚合物，主要由蛋白质和多糖组成。图4显示了松散结合EPS (LB-EPS)和紧密结合EPS (TB-EPS)蛋白和多糖含量的变化。试验前2 d EPS中蛋白质和多糖含量呈上升趋势。随着处理的进行，LB-EPS中多糖和蛋白质含量在一定范围内波动(图4A和4B)，而TB-EPS中多糖和蛋白质含量在整个培养过程中保持增加的趋势(图4C和4D)。这表明硅藻-细菌联合体分泌的LB-EPS和TB-EPS在长时间暴露于PMW下的反应是不同的。

在整个培养过程中，EPS各组分的蛋白质含量始终低于多糖含量。TB-EPS的蛋白多糖比(PN/PS比)会影响EPS的疏水性或粘度。TB-EPS的PN/PS比值从第0天的0.47下降到第6天的0.39、0.34和0.31，分别为5%、10%和20% PMW组。处理结束时，20% PMW组的PN/PS比显著高于5%和10% PMW组(p < 0.05)。PN/PS比值的降低表明PMW不适合C. muelleri等细菌的聚集。20% PMW组蛋白质和多糖总浓度高于5%和10%组。这进一步证明，20% PMW组微藻-细菌联合体受到较高的应激时，其分泌的EPS更多。

5.微生物群落的组成

与PMW组和MMW0组相比，MMW12组的OTUs分别降低了13%和31%。这表明PMW中局部细菌与微藻的相互作用导致了物种总数的减少。这可能是由于微藻产生的有机物降低了细菌的活性，导致细菌丰度下降。Chao1和ACE的模式与OUTs相似，进一步证实了上述结论。Simpson指数可以用来估计样品中细菌的多样性，Simpson值越小，群落的多样性越丰富。细菌多样性最高的是MMW0组，其次是PMW组和MMW12组。由此可以推断，接种C. muelleri降低了PMW中微生物种类的多样性。

为了进一步明确细菌在系统中的作用，在门和属水平上的10个优势分类群如图5A和5B所示。Proteobacteria丰度在PMW中达到58%，与C. muelleri在MMW12共培养条件下增加到77%。变形杆菌中含有多种促进氮转化和有机物降解的功能菌株。此外，与PMW相比，MMW12组放线菌和蓝藻菌的丰度也有所增加。

在属水平上，PMW中最占优势的分类群是Halomonas、Malaciobacter和Marinobacter。MMW12培养体系中Marinobacter的丰度最高。Marinobacter是一种反硝化微生物，可以耐受高盐环境，促进PMW中NO3—N转化为N2排放而不产生N2O。在PMW中，Malaciobacter的丰度为10%，这可能是由于长期储存所致。MMW12体系中Malaciobacter的丰度降至0.024%，说明微藻对病原菌有一定的抑制作用。与PMW相比，PMW中Bradymonadale的丰度从1%增加到8%，而MMW12中Bacteroides的丰度明显下降。这可能是由于Bradymonadales可以以各种细菌为食，并对Bacteroides表现出高度偏好。据报道，Hoeflea能促进氮转化和有机物降解。因此，MMW12中Hoeflea丰度的增加可能有利于C. muelleri对养分的利用。C. muelleri增加了有机物降解菌和氮转化菌的相对丰度。这些细菌可以将大分子有机物降解成容易被C. muelleri利用的物质。

研究总结

在本研究中，通过C. muelleri和原生细菌的共同处理，成功地实现了高盐PMW的生物修复。在12 d内，COD、TN、NH₄⁺-N和总磷的去除率分别达到82%、94%、90%和96%。高浓度的PMW可以增加ROS和MDA的分泌，从而抵抗应激环境。在MMW12中，Halomonas和Marinobacter的相对丰度显著增加。同时，C. muelleri可以降低MMW12中潜在致病性Malaciobacter的相对丰度。中试规模验证也为通过微藻生物技术处理PMW的实际应用提供了参考。