外源植物激素的协同使用可增强聚丙烯酰胺的去除效果，并促进旋转式藻类生物膜反应器中微藻与细菌的生物膜形成

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Exogenous phytohormone co-application enhances polyacrylamide removal and microalgal-bacterial biofilm development in a revolving algal biofilm reactor

微藻生物膜技术联合植物激素调控实现聚丙烯酰胺高效降解，IAA+SA协同作用使PAM去除率达68%并持续稳定，富集的 Chloroflexi 等微生物增强芳香族化合物降解途径。

　　

钟义安|任润邦 李|田浩武|胡朝朝 张|景文 徐|青斌 赵|东润 翟|丹 李

中国烟台大学土木工程学院，烟台 264000

摘要

在聚合物驱油过程中，聚丙烯酰胺（PAM）及其降解产物广泛存在于产出水中，对生物体和生态系统具有毒性作用，因此需要高效处理。本研究使用Chlorella sorokiniana来评估吲哚-3-乙酸（IAA）、水杨酸（SA）和6-苄氨基嘌呤（BAP）对藻类生长和PAM去除的单独及联合效应。通过L9(3⁴)正交实验确定了最佳激素组合，并在旋转藻类生物膜（RAB）反应器中进行了五轮验证。结果表明，所有植物激素均以剂量依赖的方式促进了生长和PAM的去除，其中IAA的效果最佳。IAA+SA和IAA+BAP的组合优于单一激素的应用，最佳条件为15 mg/L IAA + 2 mg/L SA，500 mg/L PAM，pH 6。在RAB反应器中，第二轮时PAM去除率达到68%，之后一直保持在60%以上；生物量和叶绿素a分别达到9.12 g/m²和7.41 mg/m²。值得注意的是，在停止添加激素后，高PAM去除效果仍然持续。16S rRNA测序和功能预测显示，IAA+SA显著富集了与PAM去除正相关的功能微生物（Chloroflexi、Planctomycetota、Armatimonadota、Gemmaatimonadota），并增强了碳/氮代谢和芳香化合物降解途径（r > 0.9）。总体而言，IAA+SA组合有效促进了微藻-细菌生物膜的形成和PAM的去除，在停止添加激素后仍表现出稳定的性能，显示出在处理含PAM废水方面的应用潜力。

引言

石油开采技术不断发展，三级回收技术逐渐成为原油生产的主流策略[1]。在聚合物驱油过程中，聚丙烯酰胺（PAM）因其高剪切阻力、有效的絮凝作用、分散性和降低阻力而被广泛使用[2]。尽管产出水中PAM的浓度通常较低，但其表面活性会促进原油乳化，增加废水的油含量和化学需氧量（COD）。此外，在特定温度或光照条件下，PAM会降解为神经毒性和生殖毒性的丙烯酰胺单体（AM）[3]，[4]，这使得含PAM的废水处理变得至关重要。

PAM去除方法分为物理、化学和生物方法[5]。生物处理方法能耗低、具有资源回收潜力且不会产生有毒的AM，能够减少二次污染，越来越被认为是传统方法的可行替代方案[6]。在生物处理方法中，微藻由于其优异的环境适应性、快速生长和短生命周期而在废水处理中具有前景。它们通过分泌尿素酶（水解PAM侧链酰胺基团，尿素酶活性与PAM去除效率直接相关[7]）来降解PAM，其带负电荷的细胞有助于PAM酰胺基团的静电吸附[8]，从而促进后续的生物降解。收获的微藻生物质可以转化为高价值产品（化妆品、膳食补充剂、生物燃料）。然而，微藻的生长和代谢常常受到环境压力的限制[9]，在保持细胞活力的同时提高PAM耐受性仍然是实际微藻生物修复的关键瓶颈。

植物激素是调节植物生长、生理和应激反应的微量有机分子，可诱导特定基因的表达并协调细胞活动[10]，[11]。微藻也可以合成植物激素以在非生物压力下调节代谢[12]。最近的研究表明，植物激素（吲哚-3-乙酸（IAA）、水杨酸（SA）、细胞分裂素（如6-苄氨基嘌呤，BAP）可以促进微藻生长、污染物去除和耐受性[13]，[14]，[15]。然而，大多数研究集中在传统污染物上[16]，关于植物激素增强难降解PAM去除的研究较少。

细菌可以去除PAM的酰胺基团并破坏其碳骨架[6]。将微藻的碳固定与细菌的PAM降解结合在一个联合体中，可以实现高效的PAM去除并减少碳足迹[7]。旋转藻类生物膜（RAB）系统包含一个密集的微生物联合体，将微藻的光合作用碳固定与细菌的有机污染物降解相结合，实现高效代谢[17]。生物膜外的聚合物物质（EPS）可以吸附污染物并保持结构完整性，减轻环境压力[18]。其旋转设计优化了CO₂/O₂的传递，缓解了光照限制，有利于生物膜的长期稳定性[19]。基于生物膜的系统适用于含油废水处理（高生物量密度、剪切耐受性和EPS介导的疏水性烃类捕获[20]），使得RAB系统在处理含PAM的废水方面具有前景。

在我们之前的研究中，RAB系统提高了PAM去除效果，但所使用的微藻是从一个含有PAM的生物接触氧化反应器（COR）生物膜中分离出来的[7]，缺乏普遍性。本研究使用Chlorella sorokiniana这种容易获得的商业菌株，使其应用范围更广且可重复。很少有研究将标准化的微藻菌株、植物激素调控和放大规模的RAB反应器结合用于PAM处理。本研究通过提供植物激素增强PAM耐受性、生物膜发育和微藻-细菌代谢相互作用的机制见解（而不仅仅是性能数据），填补了这些空白。通过整合植物激素刺激、PAM生物降解和RAB反应器放大，本研究为聚合物驱油废水处理提供了一种新的实用策略。其目标是：（1）评估IAA、SA、BAP及其组合在减轻微藻PAM压力方面的效果；（2）确定最佳的植物激素方案以去除PAM；（3）验证增强激素的RAB系统并阐明其背后的调控机制。

部分摘录

微藻菌株和模拟废水

Chlorella sorokiniana（FACHB-26）来自中国科学院水生生物学研究所的淡水藻类培养库（武汉）。该菌株在Erlenmeyer烧瓶中使用Bold’s Basal Medium（BBM）在25 ± 2 °C下培养，光照周期为12小时光照/12小时黑暗，光照强度为200 μmol/m²/s（冷白LED灯）。每天轻轻搅拌三次以确保细胞分布均匀和营养吸收充分，并在适当时间收获

单一植物激素浓度对微藻生长和PAM去除的影响

IAA对微藻生长和PAM去除具有明显的剂量依赖性。在5 mg/L浓度下，生长促进效果与对照组没有显著差异，早期密度略有增加随后下降（图2A）。相比之下，10 mg/L、15 mg/L和20 mg/L浓度在第四天显著增强了生物量；到第八天，15 mg/L和20 mg/L浓度下的生物量分别是对照组的5.4倍和6.7倍。PAM去除也呈现类似的生长依赖性趋势（图2B）。5 mg/L组在最初几天内显示出PAM去除效果

微藻对不同植物激素的反应

外源植物激素调节微藻生长和PAM去除，其效果取决于激素类型、浓度和环境。不同的植物激素激活不同的信号通路，导致非线性的剂量响应，这些响应随细胞生理和环境条件而变化[22]，[26]。在本研究中，所有三种植物激素都促进了生长和PAM去除，其中IAA的效果最显著——这与先前的研究结果一致：Chen等人表明IAA逐渐增强了

结论

外源植物激素组合，特别是IAA+SA的共同应用，显著促进了RAB反应器中微藻-细菌生物膜的形成并提高了PAM去除效率。一个显著的优势是，在停止添加激素后，高去除效果仍然稳定持续，显示出系统的强大鲁棒性和工程可扩展性。IAA+SA组合富集了与污染物去除相关的关键功能微生物，并增强了涉及碳/氮代谢的途径

资助

本工作得到了福建省海洋与渔业局专项基金项目（FJHYF-L-2025-32）的支持。

CRediT作者贡献声明

胡朝朝：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取。田浩武：撰写——初稿、正式分析、数据管理。任润邦 李：撰写——初稿、正式分析、数据管理。钟义安：撰写——初稿、方法学、正式分析、数据管理。丹 李：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。东润 翟：撰写——初稿、调查、数据管理。青斌 赵：撰写

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。