废水中的磷是全球水体中有害藻华的主要原因，有可能危害野生动物、牲畜甚至人类。为了防止这种情况发生，污水处理厂通常依靠化学和能源密集型技术，在磷影响下游水体之前将其去除。
国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员试图通过最大化藻类利用太阳能的能力来有效地积累和去除水中的磷，并将其以聚磷酸盐的形式储存在细胞内，从而开发出从废水中去除磷的新技术。
Gross-Wen技术公司的旋转藻生物膜(RAB)系统就是一项新兴技术。在RAB系统中，含磷藻类在附着在旋转带上的废水中培养。然后，生长的藻类生物量可以从该带中收获并干燥，用作农业肥料或作为制造生物燃料和生物产品的原料。这个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循环，减少对有限的可开采磷资源的需求。
现在，来自NREL、Gross-Wen Technologies和大芝加哥都市水垦区的研究人员在美国能源部(DOE)的技术商业化基金(TCF)资助下合作，进一步开发RAB系统。TCF拨款旨在利用美国能源部的资金、国家实验室的专业知识和基础设施，将新能源技术推向市场。
研究小组研究了生活在RAB系统中的藻类菌株吸收磷的独特特性。在发表在《微生物学前沿》杂志上的一项研究中，该团队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性能，同时增加作物肥料或生物能源原料的收入来源提供见解。
“我们很想知道生活在这些系统中的哪种藻类在去除废水中的磷方面发挥了最大的作用，”NREL研究员、该研究的主要作者埃里克·沙迪格(Eric Schaedig)说。“从生物学的角度来看，如果我们能用这些勤劳的藻类物种分离和丰富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
藻类的一个有趣的行为是它们吸收磷的能力超过了它们直接的营养需求。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附着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。
Schaedig说，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。o一旦在实验室中分离和鉴定出超富集磷的藻类菌株，它们就可以重新引入其他RAB系统并繁殖，从而提高RAB系统对磷的吸收。
在鉴定的101种藻类菌株中，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的RAB系统收集的生物膜样本中分离出近770种藻类菌株。沙迪格说:“其中许多是同一种藻类的复制品，我们用显微镜把这个数字减少到101个独特的菌株。”通过DNA测序鉴定了这101株独特的菌株，并利用先进的筛选技术测定了每个菌株的多磷酸含量。
结果很有希望。与基线RAB系统藻类群落相比，7个分离的藻类菌株具有至少50%的细胞干重(CDW)多聚磷酸盐，其CDW含量为5.1%。高聚磷菌株Craticula molestiformis TCF-8d通过CDW积累了14.0%的聚磷。
研究人员还发现，RAB系统的藻类群落在不同的采样地点和时间点有所不同，这表明RAB群落可能由于光照和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在现实世界的RAB系统中存活和生长。其中，pulvinata衣藻(Chlamydomonas pulvinata)表现出较强的性能，在系统中繁殖旺盛，改性后的系统对磷的去除率达到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物质，我们的日常生活中充满了磷。我们吃的食物和涂抹在身上的产品都含有丰富的磷，这些磷最终会随着我们产生的废水被冲走。这些富含磷的废水最终会流入溪流、小溪和湖泊，在那里它会刺激有害的藻类大量繁殖，使这些水生生态系统缺乏维持生命的氧气。
这项研究表明，超积累磷的藻类有可能帮助我们在磷对水生生态系统造成损害之前，捕获并再利用我们排放到环境中的磷。这不仅有助于防止水生生态系统中有害的藻类大量繁殖，而且还可以为我们所依赖的磷创造一个闭环循环。除了磷的回收，这项研究的结果可能对废水中损失的其他有价值资源的回收和再利用有额外的好处。
NREL首席研究员、该研究的资深作者于建平说:“这项对超富集磷藻类的研究的美妙之处在于它的含义不仅仅是磷的回收。”“众所周知，聚磷酸盐会与藻类结合并积聚金属。因此，本研究中分离的菌株可能有希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。”
