Removal of oxytetracycline and ofloxacin in wastewater by microalgae-bacteria symbiosis for bioenergy production
研究背景
研究表明，引入Shinellasp.能够提高生物质生产力和去除TAN和TP的效率。微藻和细菌之间的共生相互作用包括代谢物交换、群体感应信号分子调节和细胞外物质形成，这些相互作用提高了废水净化效率。微藻-细菌共生被认为具有适应废水环境的特殊能力，但需要更多的研究来了解其工作原理。
微藻被视为理想的光合作用生物工厂，具有全球固定有机碳的重要作用。微藻净化废水具有强大的适应性，可以处理多种污染物，包括化学需氧量、总氨氮、总磷和抗生素。微藻修复技术具有多种优点，如无需化学添加剂、低能源需求、高生物生长速率和少量污泥产生。此外，收获的微藻可用于多种用途，包括肥料、生物燃料和生物材料的生产。副小球藻、普通小球藻和斜面小球藻等微藻物种已被证明在废水处理中非常有效。主要的污染物净化机制包括生物吸附、生物降解、光解和水解。
研究摘要
用于处理废水的微藻-细菌共生的发展正在蓬勃发展，因为它具有高生物质生产力和卓越的净化污染物的能力。使用自然选择的微藻-细菌共生，主要由Dictyosphaerium和假单胞菌组成，用于处理土霉素（OTC），氧氟沙星（OFLX）和含抗生素的猪废水。抗生素浓度的增加逐渐降低了生物量生产力，并错综复杂地改变了共生组成，而1 mg/L OTC加速了共生的生长。在含抗生素的猪废水中培养时，共生生物量生产力达到3.4-3.5 g/L（5.7-15.3%蛋白质，18.4-39.3%碳水化合物和2.1-3.9%叶绿素）。共生显示出出色的能力，可去除猪废水中76.3-83.4%的化学需氧量，53.5-62.4%的总氨氮量，97.5-100.0%的总磷量，96.3-100.0%的OTC和32.8-60.1%的OFLX。微生物群落分析表明，OTC/OFLX的存在增加了微藻的丰富度和均匀度，但减少了微藻细菌的种类，OFLX对细菌的毒性强于OTC。
图1表明在BG-11培养基中，MBS生长速度较快，生物量浓度达到9.4-2.10 g/L。添加低浓度的OTC（1 mg/L和10 mg/L）促进了MBS生长，但高浓度（超过50 mg/L）抑制了生长。相比之下，OFLX的添加在低浓度下（低于10 mg/L）促进了MBS生长，但在高浓度下显著抑制了生长，对铜绿假单胞菌的抑制作用更为明显。总的来说，低浓度的OTC/OFLX促进MBS的生长，而高浓度的OTC/OFLX抑制MBS的生长，且OTC的抑制作用比OFLX强。随着时间的推移，抑制作用逐渐加强，而促进作用减弱。
图1微藻-细菌共生浓度和抗生素抑制比例。（a）添加非处方药的生物量浓缩;（b）添加OFLX的生物量浓缩;（c）添加非处方药的生物量抑制率;（d）添加OFLX的生物量抑制率。
在研究中，当引入不同浓度的氧化废水处理中常用的抗生素（OTC或OFLX）时，发现微藻细菌（MBS）的蛋白质含量在低浓度下降，随后在中等浓度下上升，但在高浓度下再次下降。这种趋势可能是MBS对抗生素引起的氧化应激的生化响应。此外，低浓度抗生素促进了MBS的碳水化合物含量的增加，但随着抗生素浓度的增加，碳水化合物含量下降，可能是因为抗生素影响了MBS的代谢活动，抑制了细胞壁合成和能量储存。与蛋白质和碳水化合物不同，抗生素对MBS的脂质含量的影响较为复杂，没有明显规律性，可能涉及到光合作用和代谢过程的复杂调控。其他类似研究也观察到抗生素的加入可能增加微藻细菌中脂质含量，显示了抗生素对微藻细菌生物化学组成的影响。
图2 微藻-细菌共生的组成。（a） BG-11培养基中不同浓度的非处方药;（b） BG-11培养基中OFLX浓度不同;（c） 含有非处方药的猪废水;（d） 含有猪废水的OFLX。
研究发现，MBS培养后，超过95%的OTC和OFLX被成功去除（图3），表明所选共生对抗生素的治疗能力优异。更详细地说，当OTC浓度从1 mg / L升高到100mg / L时，OTC去除率略有下降（图3a）。尽管确认了略低的OTC去除率，但在较高的OTC浓度下可以去除较高的OTC量。此外，观察到一个非同寻常的现象，即OTC去除百分比在200 mg/L OTC时再次增加。这一发现可能归因于MBS通过改善酶系统和细胞结构增强了对高浓度OTC的抗性，从而导致MBS对OTC的降解能力更大。此外，当OFLX初始浓度从1 mg/L升高到200 mg/L时，OFLX去除率趋于增加（图3b），显示出MBS在适应不同量的OFLX以有效使用和去除OFLX方面的出色抵抗能力。
图3 BG-11培养基中抗生素的去除百分比。（a）场外交易;（b）OFLX。
研究内容四：
用抗生素培养猪废水中的微藻-细菌共生在微藻-细菌共生的生长过程中，研究发现当比较OTC和OFLX在废水中对MBS的影响时，OFLX比OTC更有效地抑制了MBS的生长。除了MBS具有高生物质生产力外，它还表现出出色的自絮凝能力，显著降低了后续分离和收获过程中的能量消耗。这种现象可能与微藻和细菌细胞之间的聚集相互作用有关，促使形成大颗粒结构。
研究还发现，从废水中获得的MBS在HCW培养条件下含有较少的蛋白质和碳水化合物，而叶绿素含量略高于从LCW收获的MBS。HCW的深色影响了培养液的透光性，进而影响了MBS的光合作用过程。研究结果表明，随着光照强度的降低，MBS中的碳水化合物含量下降，而脂质含量增加。因此，较暗的HCW导致获得的MBS中碳水化合物和脂质含量减少。
图4猪废水中微藻-细菌共生浓度和污染物去除百分比。（a）非处方药废水中的生物质浓度;（b）OFLX中含有废水的生物质浓度;（c）含有非处方药的废水中的污染物去除百分比;（d）OFLX所含废水的污染物去除百分比。
研究内容五：
微藻-细菌共生的微生物群落分析MBS-SW-OTC和MBS-SW-OFLX中的微藻OTU数量分别为10和9，而MBS和SW中微藻的OTU数量分别为7和65（表1）。结果表明，猪废水中OTC或OFLX的存在略微增加了收获的MBS中的微藻丰度。该结果与BG-11培养基培养过程中的发现相似，表明MBS中微藻对OTC，OFLX和猪废水具有很强的适应性。关于细菌OTU，SW的OUTs数量是MBS的10倍，因为SW中存在细菌群落的重要成员。MBS-SW-OTC和MBS-SW-OFLX的细菌输出数量高于MBS，尽管小于MBS和SW的OTU数量之和，证实了MBS在含抗生素废水中培养过程中细菌群落丰富度的增加。MBS-SW-OTC和MBS-SW-OFLX中微藻和细菌的Chao1、Shannon和Simpson指数高于MBS，表明其培养过程中微藻和细菌丰富度和均匀度都有所提高，同时表明生物质的生长代谢良好。
图5 猪废水培养微藻-细菌共生的微生物群落分析。（a）属一级的微藻群落;（b）属一级的细菌群落;（其他：相对丰度小于1%的微生物群落）。
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