废水中的磷是全球水体中有害藻类大量繁殖的主要原因，有可能危害野生动物、牲畜甚至人类。为了防止这种情况，废水处理厂通常依靠化学和能源密集型技术来去除磷，以免其影响下游水体。

美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员寻求开发从废水中去除磷的新技术，方法是最大限度地提高藻类利用太阳能的能力，有效地积累和去除水中的磷，并将其以多磷酸盐的形式储存在细胞内。

Gross-WenTechnologies的旋转藻类生物膜(RAB)系统是一项新兴技术，可以实现这一目标。在RAB系统中，富含磷的藻类在附在旋转带上的废水中培养。然后可以从带上收获生长的藻类生物质并干燥以用作农业肥料或用作制造生物燃料和生物产品的原料。该过程可以通过回收和再利用废水中的磷来帮助关闭磷循环回路，从而减少对有限的可开采磷资源的需求。

现在，来自NREL、Gross-WenTechnologies和大芝加哥都会水回收区的研究人员在美国能源部(DOE)的技术商业化基金(TCF)资助下开展合作，进一步开发RAB系统。TCF赠款旨在通过应用能源部资金以及国家实验室专业知识和基础设施，将新能源技术推向市场。

研究小组研究了RAB系统中藻类菌株吸收磷的独特特性。在《微生物学前沿》杂志上发表的一项研究中，研究小组详细介绍了特定藻类物种如何优于系统中更广泛的藻类种群。这些发现可能为提高RAB绩效提供见解，同时增加农作物肥料或生物能源原料的收入来源。

NREL研究员、该研究的主要作者EricSc​​haedig表示：“我们很好奇生活在这些系统中的哪些藻类在去除废水中的磷方面发挥了最大作用。”“从生物学的角度来看，如果我们能够用这些勤劳的藻类物种来分离和丰富RAB系统，它将提高整个系统的效率，并帮助我们关闭磷循环的循环。”

为什么优化藻类生物膜系统可以提高效率

藻类的一个有趣行为是它们吸收磷的能力超出了其直接的营养需求。这个过程被称为“奢侈吸收”，是使用藻类处理废水和回收营养物质的好处之一，特别是对于RAB系统。

在RAB系统中，藻类群落作为生物膜粘附在部分浸没在废水中的垂直旋转带上。随着藻类的生长，它们在水下吸收废水中的磷和其他污染物，在水面上吸收二氧化碳和阳光。这种独特的环境支持许多藻类，NREL团队试图分离和表征这些生物体。

Schaedig表示，分离和表征RAB系统原生藻类菌株的过程是优化这些系统的一种方法。一旦在实验室中分离和鉴定出磷超富集藻株，就可以将它们重新引入其他RAB系统并繁殖，从而提高RAB系统对磷的吸收。

在研究过程中使用光学显微镜分离并表征了藻类物种。图片来源：EricSc​​haedig，NREL

在已鉴定的101种藻类中，有7种具有高水平的多磷酸盐

研究人员从爱荷华州和伊利诺伊州八个活跃RAB系统收集的生物膜样本中分离出近770种藻类菌株。“其中许多是同一藻类物种的重复品，我们通过显微镜将这个数字减少到101个独特菌株，”Schaedig说。使用DNA测序鉴定了这101种独特菌株，并使用先进的筛选技术测定了每种菌株的多磷酸盐含量。

结果是有希望的。与基线RAB系统藻群落相比，七种分离的藻类按细胞干重(CDW)计算的多磷酸盐含量至少高出50%，而基线RAB系统藻群落的多磷酸盐含量为5.1%。顶级磷超积累菌株CraticulamolestiformisTCF-8d通过CDW积累了14.0%的多磷酸盐。

研究人员还发现，RAB系统藻类群落在不同的样本地点和时间点上存在差异，这表明RAB群落可能由于光照、温度或废水成分的季节性变化而发生变化。

研究小组进行了后续实验，以确认顶级超积累藻类菌株是否能够在现实世界的RAB系统中生存和生长。其中一种菌株Chlamydomonaspulvinata显示出强大的性能，在系统中蓬勃发展，将改性系统的磷去除率提高到70%，是未改性RAB生物膜群落去除率的两倍。

磷以外资源回收的前景

磷是地球上所有生命的重要营养素，我们的日常生活中充满了磷。我们吃的食物以及我们涂抹和擦洗身体的产品都富含磷，这些磷最终会随着我们产生的废水被冲出我们的家。这种富含磷的废水将流向溪流、小溪和湖泊，在那里它会刺激有害藻华，使这些水生生态系统缺乏维持生命的氧气。

这项研究表明，磷超积累藻类有潜力帮助我们捕获和再利用我们排放到环境中的磷，以免其对水生生态系统造成损害。这不仅有助于防止水生生态系统中有害藻类的繁殖，还可以为我们所依赖的磷创造一个闭环循环。除了磷回收之外，这项研究的结果还可能对废水中损失的其他有价值资源的回收和再利用产生额外的好处。

“这项针对磷超积累藻类的研究的美妙之处在于它的意义不仅仅是磷回收，”NREL首席研究员兼该研究的资深作者于建平说。“众所周知，多磷酸盐会与藻类结合并积累金属。因此，本研究中分离出的菌株可能有望用于其他藻类废物修复应用，例如从工业过程和废水中去除或回收有害或有价值的金属。”

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