利用混合营养型藻类-细菌联盟协同降解3,5-二甲苯酚并从含酚废水中回收资源：性能评估及生物炭的增值利用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic 3,5-xylenol degradation and resource recovery from phenolic wastewater using a mixotrophic algal-bacterial consortium: Performance and biochar valorization

藻菌耦合系统对3,5-二甲苯酚的高效降解及生物炭资源化研究。连续两年实验表明，该系统在0.74-25.8 g/m3·d负荷下保持约60%稳定去除效率，但超负荷（36.8 g/m3·d）时因溶解氧下降、碱度波动及异养生物摄食导致效率降至47.4%。藻类（绿藻、硅藻）通过光合作用产氧并分泌保护性胞外聚合物，细菌（芽孢杆菌等）主导芳香环水解。热解生物炭含43.58%硅，构建闭环生物炼厂。

　　

Nawaf S. Alhajeri | Ahmed Tawfik

环境科学系，生命科学学院，科威特大学，Sabah Al Salem大学城，邮政信箱5969，Safat 13060，Shadadiya，科威特

摘要

本研究利用耦合的真核藻类/细菌系统，探讨了3,5-二甲苯酚（一种复杂的酚类化合物）降解过程中的关键知识空白。通过为期两年的对比性批次实验和长期连续实验表明，该耦合系统在广泛的3,5-二甲苯酚负荷率（0.74至25.8克/立方米·天）范围内，始终实现了约60%的稳定去除效率。在高负荷条件（36.8 ± 2.4克/立方米·天）下，系统韧性受到测试，这导致负荷过载，去除效率降至47.4 ± 5.8%。这种下降归因于溶解氧水平、碱度、细胞外聚合物分泌以及食藻后生动物的影响。光合初级生产者（包括绿藻门（4.1%）、链霉菌门（12.8%）和硅藻门（1.4%）提供了缓解酚类压力的所需溶解氧和抗氧化酶。这种光合系统与特定细菌（尤其是Bacillus、Caldicoprobacter和Hydrogenispora）协同作用，启动了3,5-二甲苯酚的分解，促进了快速矿化，并通过保护性生物聚合物基质增强了系统的韧性。对所得生物质的热解产生了14.3 ± 3.9克/升的生物炭，从而建立了一个循环生物精炼模型，将富含酚类的生物质升级为稳定的、富含二氧化硅的增值产品（含43.58%的二氧化硅）。这些发现表明，藻类-细菌联盟是一个高效去除有毒酚类物质和有效回收资源的稳健且可持续的平台。

引言

大多数有机化学、石油、石化和煤炭碳化行业都会产生大量的酚类化合物。特别是炼焦和煤气化厂产生的废水中含有大量问题酚类污染物，如3,5-二甲苯酚。酚类废水的生物降解已被广泛研究，主要集中在使用微生物上，包括好氧细菌[1]和真核微藻[2]。早期研究表明，真核藻类Ochromonas danica（CCAP 933/2B）在存在酚类作为共底物的情况下，具有显著的降解多种酚类（2,5-、2,6-和3,5-二甲苯酚）的能力[3]。不同异构体的去除率有所不同：培养6.0小时后，该藻类去除了90%的2,5-异构体和65%的3,5-异构体，但仅去除了25%的2,6-异构体。相比之下，3,4-二甲苯酚在3.0小时内被完全降解[3]。Ochromonas利用酚单加氧酶[4]将酚类底物氧化为烷基儿茶酚。这种氧化的速度主要取决于芳香环上甲基的数量和位置[5]。进一步对Chlorella的研究表明，它能有效去除高浓度的2,4-二甲基酚（1000毫克/升），并成功脱氯2-氯酚[6]。同样，Scenedesmus在短暂适应期后能降解190毫克/升的2,4-二硝基酚（2,4-DNP）[7],[8]。这些代谢活动主要归因于细胞内的活性酶，尤其是多酚氧化酶和漆酶，它们在替代酚类的藻类代谢中起重要作用[9],[10]。藻类采用的主要去除机制包括吸附/生物吸附、细胞摄取和生物降解[11],[12]。虽然单一培养物有效，但结合细菌和微藻可以提高效率。例如，纯培养的Pseudomonas putida仅实现了43.6%的酚类降解，而将其与细菌-微藻系统结合后，去除效率提高到了90.2%[13]。然而，当光照强度显著增加时，联盟的去除效率降至64.6%，这表明高光照水平可能会抑制细菌活性。

混合营养（光异养）微藻培养物同时利用光和有机碳源，相比孤立的光养或异养生物，对酚类污染物的毒性冲击具有更强的韧性[14],[15]。在混合营养条件下，这两种微生物组的结合能力通常更有利于复杂有机污染物的完全矿化[16],[17]。将藻类和细菌结合到单一废水处理系统中，建立了基于氧气和二氧化碳高效交换的协同共生关系[18]。细菌起着关键作用，通常通过水解的细胞外和细胞内酶进行初始芳香环断裂[19],[20]。微藻随后可以利用这些细菌的代谢副产物作为生长所需的碳源。这一耦合过程的成功取决于多种操作条件，包括水力停留时间（HRT）、特定的酚类负荷率和整体藻类生长动力学[16]。

传统废水处理厂能耗很高，大约60%的总能耗用于曝气过程[21]。这种巨大的能源需求显著增加了它们的环境足迹，约占全球温室气体（GHG）排放总量的1.3%[22]。一种有前景的可持续替代方案是在高速率藻类絮凝系统中使用微藻/细菌联盟。这种方法大大减少了运营能耗，因为微藻通过光合作用产生好氧细菌所需的氧气，从而消除了强烈的机械曝气需求[21]。此外，该系统通过微藻在光合作用过程中高效固定CO₂并随后产生O₂，进一步降低了温室气体排放[23]。

尽管对好氧细菌和纯藻类培养物降解酚类化合物已有大量研究，但在耦合的真核藻类/细菌系统中，特别是连续高速率藻类池（HRAP）操作条件下，关于复杂芳香化合物（如3,5-二甲苯酚）的具体氧化分解机制仍存在显著的知识空白。已知芳香环的甲基化通常会降低细菌的降解速率[1]，而细菌的分解通常通过芳香环本身的羟基化进行[24]。然而，在结合的细菌-微藻系统中，3,5-二甲苯酚的具体代谢途径似乎有所不同，可能涉及甲基（-CH₃）首先被羟基化为羟甲基（-CH₂OH），这可能是由细菌酶活性促进的。这种修饰使得随后可以通过正交和间位氧化途径断裂苯环，形成中间醛和羧酸[25]。这些代谢产物随后被微藻通过三羧酸（TCA）循环利用，最终产生CO₂和H₂O作为副产品。

尽管先前的研究[26],[27]证明了微藻-细菌联盟在3,5-二甲苯酚降解方面的协同潜力，但它们的发现仅限于短期批次配置。本研究通过为期两年的综合研究，探讨了长期运行稳定性和社区韧性，填补了这一空白。通过比较耦合联盟与独立的细菌和微藻系统，我们阐明了每种微生物组的独特作用，并表征了负责持续降解3,5-二甲苯酚及其代谢副产物的不断演变的社区结构。

部分摘录

厌氧出水组成

厌氧出水中的3,5-二甲苯酚浓度表现出显著的随机变化，介于1.4 ± 0.8至70.6毫克/升之间。这种不稳定性主要归因于在高酚类负荷率下前序厌氧阶段的去除效率降低。为了解释这些周期性波动并评估系统的运行韧性，实验浓度与现有文献进行了对比。

3,5-二甲苯酚负荷率对去除效率的影响

HRFAP通过生物吸附、光降解和酶促矿化的协同作用，展示了强大的3,5-二甲苯酚修复能力。在0.74至25.8克/立方米·天的负荷率范围内，去除效率保持稳定（约57.5%至62.1%），尽管底物应用量增加了35倍（图2a）。这种稳定性表明，在此负荷范围内，系统的操作符合近零级动力学（R²=0.957），表明

环境影响及与可持续发展目标（SDGs）的一致性

光异养HRFAP用于3,5-二甲苯酚修复标志着从传统的“末端处理”向循环生物精炼框架的根本转变。这种综合方法通过同步污染物矿化和高价值资源回收，直接实现了多个可持续发展目标（SDGs）。通过实现62.1±10.4%的3,5-二甲苯酚去除效率，HRFAP防止了顽固污染物的渗透

结论

本研究验证了光异养高速率藻类池（HRFAP）作为一种高效、基于自然的3,5-二甲苯酚修复平台的有效性，实现了62.1±10.4%的稳定去除效率。阐明了不同的代谢分工：细菌群体启动芳香环断裂，而微藻通过光合作用产生的氧气和混合营养吸收促进了下游中间体的矿化。然而，确定了一个明确的代谢临界点

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了AI来改进英语编辑。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。没有任何AI系统参与了研究的概念化、实验设计、数据收集、数据解释或科学内容的初步起草。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究未获得任何组织的财务支持。作者感谢科威特大学（KU）的NURAS实验室对样品的分析。