畜禽沼液藻菌混合系统氮磷转化与微藻富集的调控机制研究

Cultivation of microalgae using livestock biogas slurry rich in nitrogen and phosphorus can reduce cultivation cost to promote price competitiveness of microalgal biofuels, and purify wastewater to realize resource recycling. However, due to the existence of organic matters, microalgae inevitably coexists with heterotrophic bacteria to form mixed systems. Therefore, it is vital for the successful application of microalgae culture in wastewater to make sure how to effectively control bacterial over-reproduction and meanwhile keep microalgal growth dominance, rendering a symbiotic relationship between microalgae and bacteria. However, at present, lack of insights into mechanisms of nitrogen and phosphorus transformation and microalgae enrichment in such mixed systems results in lack of theoretical guidance for practical application of microalgae culture in wastewater. This project will construct algal-bacterial consortia systems in livestock biogas slurry, analyze nitrogen and phosphorus transformation pathways and fates, growth activities of microalgae and bacteria, key enzyme genes expression involving nitrogen and phosphorus metabolisms, and structure and function of microbial communities under different key regulatory factors. The relationship between microalgae and bacteria will be resolved. Through the combination of macroscopic and microscopic analyses, regulation mechanisms of nitrogen and phosphorus transformation as well as microalgae enrichment in algal-bacterial consortia systems treating livestock biogas slurry will be elucidated. The implementation of this project will provide theoretical and scientific basis for the practical application of wastewater utilization integrated with low cost production of microalgal biomass.

利用富含氮磷的畜禽沼液培养微藻既能降低培养成本，提升微藻生物燃料的价格竞争力，同时又能净化污水实现资源的回收利用。然而由于有机物的存在，微藻不可避免的会与异养细菌共存形成藻菌混合系统，因此弄清如何有效控制细菌的过度繁殖同时保持微藻的生长优势，使藻菌形成一个良性的共生关系对污水培养微藻的成功应用至关重要。然而目前对混合系统中氮磷转化机制以及微藻富集机制等方面缺乏深入了解，导致对污水培养微藻的实际应用缺乏一定理论指导。本项目通过构建畜禽沼液藻菌混合系统，分析主要调控因子影响下的氮磷转化途径和归趋、藻菌生长活性、氮磷代谢关键酶基因表达、以及微生物群落结构与功能等，解析藻菌的相关关系，通过宏观和微观相结合的方式阐明畜禽沼液藻菌混合系统的氮磷转化与微藻富集培养的调控机制。本项目的开展和顺利实施将为污水资源化利用耦合低成本微藻生物质生产的实际应用提供理论基础和科学依据。

利用富含氮磷的畜禽沼液培养微藻的过程中不可避免地会形成藻菌混合系统，因此弄清如何有效控制细菌的过度繁殖同时保持微藻的生长优势，使藻菌形成一个良性的共生关系对污水培养微藻的成功应用至关重要。本项目通过构建沼液藻菌混合系统，分析混合系统中影响微藻富集培养和氮磷去除的主要调控因子，并深入探究主要调控因子下的沼液氮磷转化机制与微藻富集培养的调控机制。通过本项目的研究，发现沼液藻菌混合系统中影响微藻富集的关键调控因子有两种，一种是操控条件，最重要的是合适的CO2浓度；一种是水质，最关键的是COD和氨氮两个指标。其中高氨氮对微藻的抑制主要受浓度和pH影响，实际的主控因子是游离氨浓度。有机物对微藻的抑制主要涉及到有机物的组成和结构，减少沼液中的发色团对微藻的生长至关重要。当CO2、COD和氨氮在适宜的范围内，藻菌可以形成一个良性的共生关系并保持微藻的生长优势。此时，氮的去除路径有吹脱、硝化、生物吸收，其中最主要的是生物吸收；而磷的去除几乎完全是生物吸收；COD主要由共生细菌去除。此外，微藻在快速生长过程中会分泌胞外有机物，也会贡献部分COD。经过适当驯化，微藻可以和土著细菌、活性污泥逐渐形成藻菌共生，菌群结构朝着富集功能化、有利于与微藻共生、代谢微藻胞外有机物的方向发展，细菌群落多样性降低。由于沼液有机物的可利用性较低，细菌的繁殖保持在低水平，不会对微藻的生长造成较大影响。基于氨氮抑制的问题，我们构建了硝化细菌耦合微藻同化资源化沼液的处理体系，通过改变氮的赋存形式的策略可以有效提高微藻在沼液中的生长。基于有机物的抑制问题，我们提出臭氧氧化的预处理方法，并集成臭氧+氨吹脱+微藻培养的技术体系，可实现微藻在不经稀释的沼液中富集培养和氮磷的高效回收。本项目研究结果为污水资源化利用耦合低成本微藻生物质生产的实际应用提供了理论基础和科学依据。