在当前碳中和背景下，以能源消耗和污染物转移为代价的传统污水处理工艺不能满足“减污降碳”战略要求。目前国内污水处理厂每年用电量占全国总量0.3%，释放约1.14亿吨二氧化碳当量(CO2e)。微藻作为水体中常见单细胞生物，因其快速同化污水中氮磷污染物、高效固碳、低能耗和资源化利用优势（如微藻肥料、饲料添加剂和生物能源等）而得到广泛研究。污水微藻处理技术有效推动污水处理从“高碳排放处理工艺”转型为“低碳绿色生产工艺”。
然而，微藻处理过程中仍面临处理效率低，生物量积累慢，并且适配光生物反应器缺乏等问题，导致目前相关研究多局限在实验室水平，缺乏实际应用研究。为此，中国科学院成都生物研究所谭周亮研究员课题组利用国家大科学装置-兰州重离子研究装置（HIRFL），选育优良突变藻株Chlorella sp.（HM-3#），并与海天水务集团股份公司合作，在西南某市政污水处理厂分别建立微藻处理小试和中试开展研究，并取得如下进展。
1.生活污水藻菌处理过程中MGPM研究
围绕实际污水处理过程中单一微藻体系不稳定难题，研究发现添加活性污泥(Activated sludge,AS)可明显提高微藻促生菌(Microalgal growth-promoting microorganisms,MGPM)比例，并通过共演化过程形成稳定藻菌体系(Microalgae consortium,MC)，进而提升藻体生物量。R2实验组(AS 20%)藻菌生物量和总光合色素分别比单藻组（R1）高出57.41%和22.90%，R3实验组(AS 50%)则分别高出68.59%和28.17%。当HRT为24 h时，R2和R3实验组出水水质均达到《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002) I级A类。进一步探索启动阶段MC共生模式、菌群动态、潜在MGPM和微生物代谢功能。由于HM-3#快速同化污染物并积累藻体，MC中微生物丰富度和多样性显著降低，并且微生物种群生态位的变化，导致系统中其他微生物重新暴露，竞争并取代原有代谢功能；同时细菌和真菌之间相互作用分别呈现出抑制-重建和重建-抑制的相反趋势，且细菌相互作用的减弱也对应出水水质的失稳阶段。此外，通过LEfSe分析和线性判别分析(LDA)表征潜在MGPM，对比11个细菌和6个真菌生物标志物基础上，细菌Ahniella、FukuN57和Fimbriimonadaceae更适合作为MGPM在生活污水处理中促进微藻生长。同时微生物代谢功能预测结果表明，细菌通过互补代谢过程与藻体形成密切的互利共生关系。虽然真菌代谢水平低于细菌，其通过分泌细胞外酶分解有机物，可有效利用微藻碳源补充碳源消耗。
图1 生活污水藻菌处理小试研究与藻菌体系微生物种群共现网络分析
2.管道式光生物反应器（TPBR）低温启动研究
在相同污水处理厂构建TPBR藻菌处理体系，进行低温MC启动研究。面向实际动态水质，在环境温度5.7℃~13.1 ℃条件下，TPBR中藻菌启动阶段为4~8 d，突变藻株HM-3#在其中可有效同化污染物积累生物量，光合色素最大值可以达到22.85 mg·L-1。在低温环境下，HRT为24 h时TPBR单藻启动处理出水也可达标排放(GB 18918-2002 I级A类)，且MC对氨氮和TN去除率分别达到86.84%和79.95%，TP和COD去除率分别达到79.95%和69.78%，延长HRT可明显提高处理系统稳定性。微生物群落分析表明，虽然低温下接种AS仍能促进细菌种间相互作用，但受TPBR均相循环抑制微生物多样性影响，除固氮作用(K02588)、亚硝化作用(K10944、K10945和K10946)、同化性硝酸盐还原作用(K00366)和氨化作用(K01915和K05601)以外，低温下MC中微生物氮循环功能均低于曝气反应器体系。此外，还发现处理过程中耐低温MGPM主要为Delftia、Romboutsia、Rhizobiales和Bacillus等，而冷胁迫相关基因则主要有防御信号分子(K03671和K00384)、冷休克蛋白基因(K03704)和细胞保护基因(K01784)等。
图2 管道式光生物反应器运行及藻体积累与环境因子相关性分析
3.连续流藻菌膜光生物反应器（MPBR）处理技术
针对农村生活污水水量水质不稳定，低C/N水质小微处理站点电耗药耗高、操作难、资源化利用低等问题，集成污泥强化处理和膜反应器处理优势，研制新型连续流藻菌MPBR处理技术，并探索低功耗运行模式（静置模式和内循环模式）处理效果。与序批式处理模式不同，低C/N生活污水连续流入MPBR，静置处理模式在低流速(375 mL/h)下能有效去除污染物，而内循环模式在750 mL/h流速下去污效果则优于静置模式。结果表明，藻菌相主要发挥氮磷去除功能，出水中COD和氨氮在低流速下可达到排放标准(GB 18918-2002) I级A类要求，TP浓度甚至达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002) III类标准。低DO污泥相可富集异养细菌(如Bacteroidetes vadinHA17,Spirochaeta and Ahniella)和氮循环微生物(如Mycobacterium,Bacillus和Ellin6067)，并有效提升连续出水中COD和NO3--N去除效果。同时分析藻菌相和污泥相共现网络，发现HM-3#与异养菌协同去除有机物。此外，功能基因预测结果说明内循环模式明显增强MPBR中微生物氮代谢功能，在处理过程中藻菌相的硝化作用和反硝化作用相关基因丰度较高，而污泥相的硝化、异化硝酸盐还原和反硝化作用基因丰度较高。
图3 连续流处理过程中MPBR体系中微生物种群组成
上述研究成果分别发表于期刊Bioresource Technology (原文链接),Chemosphere (原文链接)和Journal of Environmental Chemical Engineering (原文链接)。李欣副研究员、硕士研究生田健松和李盼，以及李俊杰博士分别为第一作者，谭周亮研究员和陈杨武博士分别为通讯作者。该研究得到四川省科技厅重点研发项目（2022YFS0452）、四川省“天府峨眉计划”青年人才项目、中国科学院战略生物资源服务网络计划生物资源衍生库（KFJ-BRP-009-004）、中国科学院“西部之光”人才培养计划项目（2021XBZG-XBQNXZ-A-004）和中国博士后科学基金（2022M710143）的联合资助。