CREST | 哈工大任南琪院士团队：藻菌体系在水体修复领域的近期研究进展

导 读

哈尔滨工业大学任南琪院士团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology (CREST，《环境科技评论》)期刊发表题为“藻菌体系在水体修复领域的近期研究进展（Recent advances of algae-bacteria consortia in aquatic remediation; Published online: 20 Mar 2022）”的重磅综述。

在水体修复领域，藻菌体系具有同步脱氮、高效除磷、温室气体排放量低、生物质可资源回收等优点，受到越来越多的研究人员重视。本研究着重从藻菌间交互作用、藻菌间化学信号、藻菌体系用于水体修复、及如何提高当前修复效果四个层面出发，总结梳理藻菌体系用于水体深度修复的机理，并分析比较其当前的研究，以期为生物修复领域的未来发展提供有价值的见解。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

藻菌之间的关系是复杂的，范围可以从互利共生到互相抑制（图2）。已被证实的是，藻体可以通过直接分泌营养物质（如溶解性有机物）或藻细胞破裂间接提供营养物质供菌体生长。除此之外，藻体可以为菌体提供次生栖息地，保护菌体抵御不利的环境条件。相应的，菌体可以产生促进藻体生长的物质（如细胞分裂素），但也可以产生抑制藻体活性的藻毒素（如甲藻生长抑制剂）。在特定的交互关系中，菌体可以为藻体提供维生素B作为辅助因子或提供铁载体用以结合铁，而藻体反过来可以为菌体提供溶解性有机碳。藻菌间的关系不是静态不变的，会随着外界环境（如氮磷比）变化而改变。

图2 藻菌间关系：互利共生、偏利共生、内共生、寄生、相互竞争、互相抑制

   明确藻菌间化学信号对于全面深入地了解自然环境中的营养循环非常重要（图3）。群体感应介导的交互作用对藻菌共生关系有显著影响，可以决定群落组成和种群结构，或改变生态系统功能。菌体分泌的代谢物可以促进藻体代谢，如维他命B12、植物激素（吲哚乙酸、脱落酸、细胞分裂素、乙烯、赤霉素）、硫胺素衍生物和铁载体。藻体可以向周围环境释放大量有机碳，不仅为菌体提供营养，还可以驱动菌体的趋化行为。在竞争状态下，藻体可以分泌代谢物作为群体感应抑制剂或类似物，扰乱菌群行为。此外，菌体也可以借助水平基因转移成为真核生物基因序列的主要来源。

图3 藻菌间化学信号：细菌分泌的微量元素、藻分泌的微量元素、基因序列

  根据污染水体和污染物的类型，运用不同的藻菌体系去除机制可提高修复效果，例如生物吸附、生物积累、生物降解、生物混凝和生物转化。藻体与菌体之间存有元素循环，在去除污染物的同时，实现C、N、P的固定，并将其转为生物质能。藻菌体系分泌的胞外物质（如涉及生物转化作用或氧化还原反应的酶）可与重金属发生络合，将重金属转化成毒性较小或可溶的形式，进而起到生物去除的功效。藻体对药物和个人护理用品降解过程的酶反应主要涉及：羟基化、羧化、氧化、氢化、糖基化、去甲基化、环裂解、脱羧、二羟基化和溴化。藻体被证实可直接生物转化或矿化一些难降解有机物，例如萘。此外，由于藻体的介入，藻菌体系的生物吸附能力、生物转化能力、胞外分泌物的分泌、膜的流动性、以及絮凝能力都有所提升，这对于染料废水的生物修复是有利的。

图4 藻菌体系用于水体修复：营养物质、重金属、药物和个人护理用品、酚类化合物、环烷酸、染料废水

   为提升藻菌体系的工业化、效能以及安全性，数学模型（Droop模型、Monod模型、Haldane/Andrews模型、Logistic模型、Eilers & Peeters模型）可以通过优化操作过程参数，使得藻菌体系性能更佳和可靠性更强。此外，藻菌体系在水体修复过程中是复杂的，机器学习的介入可以很好的预测一些处理过程中的不确定，也能在复杂环境中起到实时监测、系统优化、及故障诊断的作用。虽然微生物燃料电池技术目前处于工业化瓶颈阶段，但瓶颈期攻克之后，藻体与产电菌之间的协同作用，可以有望加速实现污水治理与产电结合双重优势。

图5 藻菌体系结合当前先进技术以提高水体修复能力：数学模型、机器学习、微生物燃料电池

总结与展望

本综述通过对现有知识的梳理与总结，明晰藻菌体系在水体修复领域的知识缺口。然而在该领域的研究还远远不够，我们为将来的研究提供一些建议，包括借助显微镜、流式细胞仪、多组学技术更深入地从互作关系层面关注藻菌体系，进一步在分子水平探究藻菌间的信号传递和物质交换，利用机器学习等技术优化设计价格低廉但性能强劲的藻菌体系应用于真实水体修复，更好地将藻菌体系与其他技术（膜生物反应器、光分解、生物炭）联合协作以在工业应用上实现环境可持续发展。

作者简介

第一作者简介：

李胜男，哈尔滨工业大学环境学院在读博士，2020年于南开大学获得理学硕士学位，同年在哈尔滨工业大学任南琪院士团队贺诗欣教授课题组攻读博士学位。共发表SCI论文25篇，其中以第一作者在Crit. Rev. Environ. Sci. Technol.、Environ. Sci. Ecotechnol.、J. Hazard. Mater.等国际期刊发表SCI论文14篇。

通讯作者简介：

贺诗欣（Shih-Hsin Ho），教授，博士生导师，哈尔滨工业大学环境学院，国家级国际合作基地副主任。2015年入选国家中组部高层次人才、2017年入选福建省闽江学者、2019年入选哈工大青年科学家工作室。近年来主持（参与）了包括国家重点专项、自然基金委国际合作等科研项目共10余项。长期致力于微藻生物能源与藻渣资源化利用、深度废水处理及环境功能材料开发等相关领域的研究。在Nature Biomed. Eng.、Trends Biotech.、Environ. Sci. Technol.、Water Res.、Biotechnol. Adv.、Appl. Catal. B-Environ.、Appl. Energ.等发表SCI论文200余篇。总引用12,000余次(Google)，H index为59(Google)，12篇高被引论文，包含2篇热点论文。拥有授权(申请)美国专利2项、日本专利2项、欧洲专利1项、中国发明专利12项，近年来有数个试范工程成功案例。现担任Environ. Sci. Ecotechnol.、J. Hazard. Mater.、Chin. Chem. Lett.、Bioresour. Bioprocess.、Energies (SCI), Ecological Eng.、Front. Biotechnol.等多本国际期刊副主编、编委或客座编委。联系邮箱：[e-mail].

|撰稿：哈尔滨工业大学任南琪院士团队

|编排：曾镜羽

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