優(yōu)化紅光與藍(lán)光的比例可以提高基于藻類的共生聯(lián)盟在水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理過程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和抗生素的去除效率
《Journal of Environmental Management》：Optimizing red-blue light ratio enhances nutrient and antibiotic removal by an algal-based symbiotic consortium in aquaculture wastewater
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紅藍(lán)光比例優(yōu)化增強(qiáng)藻菌真菌三聯(lián)共生體系對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的營(yíng)養(yǎng)及抗生素協(xié)同去除研究。通過構(gòu)建四株復(fù)合系統(tǒng)（單藻株、藻菌二元、藻菌真菌三元及對(duì)照），發(fā)現(xiàn)5:5紅藍(lán)光比例下三元體系（Strain 4）對(duì)COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分別達(dá)78.96%、82.37%、63.16%、84.51%，且對(duì)0.25 mg/L濃度下氧四環(huán)素（96.23%）、環(huán)丙沙星（79.62%）、磺胺甲噁唑（82.16%）去除效率顯著。密度泛函理論揭示氧四環(huán)素降解與疏水能（1.23 eV）、窄能隙（4.28 eV）及高反應(yīng)位點(diǎn)密度相關(guān)。
作者：盧蓓、趙春志、王正芳、趙永軍、張靜、袁學(xué)紅
上海工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，中國(guó)上海 201400
摘要
探索有效的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和抗生素污染物去除技術(shù)對(duì)于解決水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水污染問題至關(guān)重要。本研究采用了一種新方法，旨在優(yōu)化紅藍(lán)光比例，以增強(qiáng)由藻類、細(xì)菌和真菌組成的共生聯(lián)盟，從而高效去除污染物。評(píng)估了四種系統(tǒng)：普通小球藻 單培養(yǎng)（菌株1）、普通小球藻 + S395-2（菌株2）、普通小球藻 + 紅色克隆芽孢桿菌（菌株3）以及 普通小球藻 + S395-2 + 紅色克隆芽孢桿菌（菌株4）。結(jié)果表明，5:5的紅藍(lán)光比例提供了最佳生長(zhǎng)條件，在此條件下，菌株4成為一種穩(wěn)定且高效的優(yōu)勢(shì)共生聯(lián)盟。該系統(tǒng)對(duì)常規(guī)污染物的平均去除率最高，分別為COD（78.96 ± 3.21%）、TN（82.37 ± 5.31%）、NH4+-N（63.16 ± 4.17%）和TP（84.51 ± 3.71%）。此外，在0.25 mg L?1的抗生素濃度下，菌株4對(duì)土霉素（OTC，96.23 ± 2.01%）、環(huán)丙沙星（CPFX，79.62 ± 5.31%）和磺胺甲噁唑（SMZ，82.16 ± 4.76%）的去除效率更高。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，OTC的優(yōu)異降解性能歸因于其適度的兩親性（ω = 1.23 eV，N = 2.79 eV）、最窄的HOMO-LUMO間隙（4.28 eV）以及豐富的活性位點(diǎn)分布。這些發(fā)現(xiàn)為了解水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的污染物緩解機(jī)制提供了寶貴的科學(xué)見解。
引言
隨著全球?qū)λa(chǎn)品需求的激增，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正在快速增長(zhǎng)。受經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，養(yǎng)殖戶經(jīng)常過度投喂、過度施肥并使用富含營(yíng)養(yǎng)的飼料（Yang等人，2024年）。抗生素也經(jīng)常被添加到飼料或水中以控制疾病。然而，這種追求最大產(chǎn)量的方法帶來了嚴(yán)重的生態(tài)后果。飼料中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率很低，只有13.9%的氮和25.4%的磷被轉(zhuǎn)化為水產(chǎn)品，大部分積累在沉積物中或溶解在水中（Xiao等人，2024年），破壞了生態(tài)平衡（Lian等人，2024年）。雖然抗生素有益，但它們是一把雙刃劍；其殘留物會(huì)危害水生生物并促進(jìn)耐藥微生物的產(chǎn)生，使生態(tài)問題更加嚴(yán)重（Wen等人，2025年）。此外，抗生素還會(huì)破壞有益微生物，削弱水的自然凈化能力（Geetha，2025年）。耐藥細(xì)菌對(duì)人類健康和公共安全構(gòu)成威脅，并通過食物鏈傳播（Guo等人，2024年）。因此，平衡經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)對(duì)于可持續(xù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖至關(guān)重要。
目前，生物處理方法因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。這些方法主要依靠微生物分解和吸收水體中的污染物，如有機(jī)物、氮和磷，從而改善水質(zhì)（Wang等人，2023年）。細(xì)菌在生物處理方法中的應(yīng)用形式多種多樣，包括益生菌、生物絮體和固定化微生物（Liu等人，2025a）。在眾多生物處理方法中，藻類-細(xì)菌共生技術(shù)因其綠色、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)的特點(diǎn)而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)（Meher和Sharma，2022年）。與純微藻培養(yǎng)相比，藻類-細(xì)菌共生系統(tǒng)在廢水處理方面表現(xiàn)出更優(yōu)的性能（Xiao等人，2023年）。這主要是因?yàn)楣采到y(tǒng)中的細(xì)菌可以產(chǎn)生維生素、生長(zhǎng)激素和群體感應(yīng)分子等物質(zhì)，為微藻生長(zhǎng)提供有力支持，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的處理效率（Leng等人，2021年）。最近，將真菌整合到微生物聯(lián)盟中引起了人們的興趣，因?yàn)檫@有可能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能性。例如紅色克隆芽孢桿菌等真菌可以提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括為生物膜形成提供結(jié)構(gòu)支持、分泌胞外酶以降解頑固化合物，以及促進(jìn)代謝物交換，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定和高效的復(fù)雜廢水處理系統(tǒng)（Huang等人，2024年）。
在微藻生長(zhǎng)過程中，光照是影響光合系統(tǒng)性能的基本因素。雖然自然陽(yáng)光變化較大且通常不夠理想，但發(fā)光二極管（LED）可以精確調(diào)節(jié)光譜，以最大化光合作用效率（Mard Elijah等人，2020年）。為了最大化光合作用效率，微藻對(duì)光照有嚴(yán)格的要求，光照周期（包括平衡的光照時(shí)間和規(guī)律的光暗交替周期）是決定其生長(zhǎng)活性和代謝強(qiáng)度的關(guān)鍵因素（Wang等人，2024年）。盡管自然光具有完整的光譜范圍，但它受到不可控波動(dòng)的影響。例如，冬季或陰天光線太弱，而夏季或強(qiáng)光條件下光線過強(qiáng)。此外，光照周期受自然節(jié)律限制，無法根據(jù)微藻的生長(zhǎng)需求靈活調(diào)整（Li等人，2025年）。為了解決這個(gè)問題，研究提出了使用特定窄帶光頻率（如LED光源）的方法。這種方法不僅精確匹配了微藻的光合作用光譜，還允許靈活調(diào)節(jié)光照周期參數(shù)，是一種高效且經(jīng)濟(jì)的策略，以支持微藻的光合作用和生長(zhǎng)（Su等人，2025年）。
相關(guān)研究表明，在350 μmol m?2 s?1的光強(qiáng)度和14小時(shí)光照/10小時(shí)黑暗的周期條件下，普通小球藻可以實(shí)現(xiàn)最佳生長(zhǎng)和廢水凈化效率（Wang等人，2023年）。在藻類-細(xì)菌共生系統(tǒng)中，微藻主要通過光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為其生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)提供能量（Li等人，2025年）。因此，環(huán)境條件的變化（特別是光暗比例）在調(diào)節(jié)共生系統(tǒng)的光合作用中起著關(guān)鍵作用（Esteves等人，2025年）。進(jìn)一步的研究表明，光暗交替周期顯著影響微藻對(duì)CO2的吸收，從而改變光合作用效率和系統(tǒng)的整體性能（Akca等人，2024年）。此外，光暗周期的變化還可以改變微藻細(xì)胞內(nèi)的色素組成，從而調(diào)節(jié)其代謝活動(dòng)和廢水凈化能力（Sun等人，2023年）。值得注意的是，在基于微藻的共生系統(tǒng)中，18小時(shí)光照/6小時(shí)黑暗的周期可以實(shí)現(xiàn)更好的廢水凈化效果（Cao等人，2022年）。同時(shí)，在利用藻類-細(xì)菌共生技術(shù)處理沼氣和沼氣漿液時(shí)，藍(lán)光與紅光的強(qiáng)度比為1:1可以優(yōu)化CO2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除效率，這是該應(yīng)用場(chǎng)景的首選光照條件（Sobhi等人，2022年）。然而，關(guān)于定制LED光譜（特別是紅藍(lán)光比例）如何影響更復(fù)雜的藻類-細(xì)菌-真菌聯(lián)盟的協(xié)同作用和污染物去除能力的機(jī)制理解仍很大程度上尚未探索。
盡管在這一領(lǐng)域取得了顯著的研究進(jìn)展，但在將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于同時(shí)含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和抗生素的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中仍存在明顯的研究空白：首先，大多數(shù)當(dāng)前的研究分別研究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除或抗生素降解，而不是系統(tǒng)地評(píng)估藻類-細(xì)菌-真菌聯(lián)盟如何在定制的LED光照下同時(shí)去除常規(guī)污染物（如COD、N、P）和多種抗生素類別。其次，特定紅藍(lán)光比例與復(fù)雜共生系統(tǒng)性能之間的機(jī)制聯(lián)系尚不清楚。第三，對(duì)于這些系統(tǒng)如何響應(yīng)和去除結(jié)構(gòu)多樣的抗生素的理解有限，阻礙了處理過程的有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。
為了解決這些空白，本研究明確探討了優(yōu)化紅藍(lán)LED光比例以增強(qiáng)一種新型的三組分共生聯(lián)盟（普通小球藻、細(xì)菌菌株S395-2和真菌紅色克隆芽孢桿菌），從而同時(shí)去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和多種抗生素。本研究精心構(gòu)建了四種基于藻類的共生系統(tǒng)：普通小球藻單培養(yǎng)（菌株1）、普通小球藻 + S395-2（菌株2）、普通小球藻 + 紅色克隆芽孢桿菌（菌株3）以及 普通小球藻 + S395-2 + 紅色克隆芽孢桿菌（菌株4）。首先，分析了不同紅藍(lán)光比例（7:3、5:5和3:7）對(duì)形態(tài)特征、生長(zhǎng)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)凈化的影晌，以找到最佳光照條件。然后，在最佳光照條件下，研究了不同抗生素濃度對(duì)菌株生長(zhǎng)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)和模擬廢水中抗生素去除的影響，以確定促進(jìn)或抑制抗生素的濃度閾值。最后，在最佳光照條件下量化了最佳菌株（菌株4）的抗生素去除效率，并通過DFT探討了去除三種抗生素（OTC、CPFX、SMZ）的機(jī)制差異。這項(xiàng)工作不僅提供了一種有效的生物處理配置，還提供了關(guān)于光照優(yōu)化和聯(lián)盟工程在管理復(fù)合水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物方面的協(xié)同作用機(jī)制的更深入見解。
化學(xué)試劑
化學(xué)試劑詳見支持信息文本S1。
生物材料
普通小球藻（FACHB-8） 來自中國(guó)科學(xué)院水生生物學(xué)研究所的淡水藻類培養(yǎng)庫(kù)。在實(shí)驗(yàn)使用前，這些藻類在BG-11培養(yǎng)基中進(jìn)行了預(yù)培養(yǎng)和擴(kuò)增，培養(yǎng)過程在連續(xù)冷白光LED照明下進(jìn)行，光照強(qiáng)度為3000 Lux，溫度為25 ± 2 °C，光照周期為12小時(shí)光照/12小時(shí)黑暗
紅藍(lán)光比例對(duì)菌株4形態(tài)特征的影響
光的質(zhì)量，特別是紅光與藍(lán)光的比例，在控制藻類-細(xì)菌聚集體的形成和形態(tài)方面起著關(guān)鍵作用。在這項(xiàng)研究中，我們檢查了在不同紅藍(lán)光比例下普通小球藻 + S395-2 + 紅色克隆芽孢桿菌顆粒的形態(tài)特征（圖S2）。在單色藍(lán)光（0:10）下形成的顆粒較大（8-10毫米），但不均勻。在3:7的比例下，顆粒變得較小（3-4毫米），且更加均勻
結(jié)論
本研究表明，5:5的平衡紅藍(lán)光比例是最優(yōu)的光照策略，這與增強(qiáng)基于藻類的共生系統(tǒng)的生長(zhǎng)和污染物去除性能有關(guān)。在這種條件下，三組分聯(lián)盟（菌株4）表現(xiàn)出良好的效果，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較高的生長(zhǎng)和多種常規(guī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及多種抗生素的有效去除。機(jī)制研究表明，OTC的顯著去除可能是由于...
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
盧蓓：撰寫——原始草稿、方法論、數(shù)據(jù)分析。趙春志：撰寫——審稿與編輯、方法論、研究、數(shù)據(jù)分析。王正芳：撰寫——審稿與編輯、資源獲取、資金申請(qǐng)、數(shù)據(jù)分析。趙永軍：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、項(xiàng)目管理、概念化。張靜：撰寫——審稿與編輯、方法論、概念化。袁學(xué)紅：撰寫——審稿與編輯、資金申請(qǐng)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)收集
資助
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（資助編號(hào)：42507037、32571882）和蘇州市科技計(jì)劃（資助編號(hào)：2023ss04）的支持。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會(huì)影響本文所述工作的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
