摘要
随着经济的发展和医疗的进步，富含氮磷和微量PPCPs的废水被不断排入污水处理厂。传统的二级处理工艺对这类污水处理效果不佳，通常需要深度处理，而这提高了污水处理的成本。近年来，很多研究表明藻类对氮磷等有机物有较好的去除效果，对抗生素等PPCPs也有较好的耐受性，将其与细菌联合构建共生系统应用于污水处理领域潜力巨大。然而，目前的研究更多关注污染物的去除效果，对于整个污水处理过程中菌藻关系的变化、影响因素等理论方面研究尚很缺乏，同时菌藻系统对抗生素等新型污染物的处理效果及作用机理也少有研究。 本文通过藻种筛选，构建了由普通小球藻(Chlorella vulgaris)和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)组成的单菌单藻共生系统，对自配污水进行处理。考察了系统菌藻比、菌藻量、固定化等因素改变对污水处理效果的影响，研究了氯霉素等PPCPs对菌藻系统稳定性的影响，并从藻类光合活性响应，抗氧化酶变化以及群体感应信号等角度对菌藻关系机制进行探究，得出以下主要结论： (1)在菌藻共生系统中，菌藻比例和接种量是保证系统稳定性与污染物去除的关键参数。当菌藻比由1∶1逐步提升至4∶1时，枯草芽孢杆菌与普通小球藻的生长均得到了促进，细菌增长率由-1%提高到了50.5%，小球藻增长率由173%提高到了266%；系统对污染物的去除效果也得到了加强，COD、氨氮和总磷的去除率分别由38.7%、54.8%和25.6%提高到了56.9%、69.9%和35.8%。菌藻接种量与菌藻的生长与污染物的去除呈负相关，在菌藻比为4：1的条件下，将细菌接种量由0.12g/L逐步提升至0.72g/L时，系统对COD、氨氮和总磷的去除率降至37.5%，47.34%和-3.74%。过高的菌藻量会导致水体浊度升高，透光率降低，影响藻类光合效率，变共生关系为竞争关系，因此降低了污染物去除效果。由此确定，菌藻系统最优菌藻比例为4∶1，最佳接种量为枯草芽孢杆菌0.12g/L，普通小球藻0.03g/L。 (2)经海藻酸钠固定化后的菌藻共生系统，能够更好的适应污水水质，缩短适应期，提高生物密度。在初始接种量为枯草芽孢杆菌0.12g/L，普通小球藻为0.03g/L的条件下，5天时细菌数量和藻数量分别是悬浮状态的5.77倍和15.31倍，对COD、氨氮和TP的去除率达到91.25%，87.7%和67.6%，较悬浮状态提升60.4%、41.6%和74.7%。对污染物的降解满足一级动力学方程。通过电镜扫描可以观察到藻类和细菌在海藻酸钠胶球内呈较好的分布状态，且越接近小球藻，细菌数量越多，二者呈现较好的共生效果。 (3)氯霉素、四环素、卡那霉素对普通小球藻的生长有促进效果，具体表现为小球藻叶绿素a增加，对光能利用效能和电子传递速率提高，增强了对氮磷的吸收效果。在氯霉素含量为10mg/L时，系统对污水氨氮和总磷的去除效果分别提升了33%和64%，对氯霉素也有近30%的去除效果。但研究中也发现氯霉素对小球藻也有一定的胁迫性，期间小球藻抗氧化酶活性升高，积极修复应激损伤，但也产生了不可逆的氧化损伤，对强光耐受能力下降。在氯霉素的作用下，枯草芽孢杆菌的生长受到了抑制，这在一定程度上破坏了菌藻共生系统，对COD的去除效果降低。但对比可以发现，菌藻系统中的枯草芽孢杆菌数量是纯菌系统的两倍，小球藻的存在降低了氯霉素对细菌的抑制效果，对细菌有一定的保护效果。这些研究表明菌藻共生系统可作为一个有效的替代方案来去除废水中的PPCPs。 (4)菌藻的接种次序也会影响菌藻初期对污水的适应性，只有同时接种菌藻，才能使系统达到最优的共生效果。在小球藻的培养期间添加葡萄糖能提高藻细胞的生理和代谢能力，帮助其更好的适应污水水质，5天时藻数量相比提高40%，也强化了系统对污染物的去除效果，对氨氮和COD的去除效果提高近30%。 (5)在菌藻共生系统中，小球藻能够刺激枯草芽孢杆菌SOD和CAT酶的活性，使细菌积极修复氧化损伤，并提高对污水的适应性；枯草芽孢杆菌能够显著提高小球藻的叶绿素含量、电子传递速率、光能利用效率以及强光耐受性，二者互惠互利。CSF信号分子作为枯草芽孢杆菌和普通小球藻之间的跨膜信号，可以激活小球藻相关基因，提高叶绿素a含量以及光合速率，提高了系统对氮磷13.2%和90%的去除效果。从群体感应信号语言这一微观层面对菌藻关系进行探究，是一个全新的思路。 综上所述，由枯草芽孢杆菌和普通小球藻构建的菌藻共生系统有着较好的共生关系，在应对传统污染物和新型污染物冲击方面也呈现了较强的适应性，可以考虑将其进一步开发应用于污水深度处理。
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