稀土元素是全球重要的战略性资源,在航天航空、激光、医疗和能源等高新行业发挥不可或缺的作用。一直以来，我国凭借丰富的稀土种类和庞大的储备量承担着全球稀土出口贸易的重要色。其中，南方离子型稀土为我国稀有的矿产资源，当前的开采方式主要是以硫酸铵[(NH4)2SO4]介导的原地浸矿工艺，该工艺的最大优点是无需剥离表土和开挖山体，对山体植被损害较小，也不会产生大量尾矿。

但是，由于大量的(NH₄)₂SO₄注入山体，闭矿后会产生高浓度氨氮尾水。经雨水淋滤和地表渗漏等作用，这些尾水会流向地下水或河流湖泊等淡水，进而引起水体富营养化，甚至危害人体健康。据统计,开采1t稀土元素会产生约2万t坏同氨氢浓度(10-5 000 mg/L)的稀土尾水。当前，稀土开采过程中产生的氨氮污染问题已经成为制约稀土行业发展的瓶颈问题。因稀土尾水缺少碳源，传统微生物硝化反硝化处理氦氮需要大量补充有机碳源，导致处理成本居高不下。光自养微藻能进行光合作用，以空气中CO₂和稀土氨氨尾水的氮源为营养物质，将低值化物质转化为高附加值的微藻生物质，助力我国碳中和以及解决饲料蛋白与油脂资源短缺的宏伟目标。然而，微藻应用于稀土氨氮尾水处理和CO₂固定的研究大多还处于实验室水平，无法对规模化开采稀土产生的大量稀土尾水及时处理。此外，与室内处理尾水相比，微藻在户外条件下可直接利用太阳光为光源进行光合作用，可大大降低尾水处理成本。因此，亟需研发能高效处理稀土氨氮尾水的户外中试微藻生物技术，实现微藻固碳和稀土氨氮尾水的绿色低碳处理。

现如今，研究者已设计开发气升式光生物反应器和开放式跑道池光生物反应器(open race-way photobioreactors, ORWPs).管式光生物反应器(tubular photobioreactors, TB-PBRs)等多种反应器,并应用于微藻培养和尾水处理。与TB-PBRs相比, AL-PBRs和ORWPs具有造价低、操作简便、能耗低等优点，受到微藻科技者的关注。

例如,Morillas-Espana等利用栅藻(Scenedesmus sp.)对生活废水在夏季进行户外中试跑道池光生物反应器(11.8 m3)处理,该藻的最大氮去除速率为4286. 6 mg/(m2.d)。Xue等选择小球藻(Chlorella sorokiniana)处理厨余废水,微藻在柱式反应器的最终生物量为2.8 g/L ,对废水的NH4*-N、总氮(total nitrogen, TN)、总磷(total phosphorus, TP)和化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率分别达到97.9%、85.7%、98.0%和86 .4%。因此，本文通过采用AL- PBRs和ORWPs两种中试规模的光生物反应器，评估微藻户外处理稀土氨氮尾水的性能，为今后推广微藻处理稀土氨氮尾水提供实践依据。

2022年5月11日,莱茵衣藻被中国国家卫生健康委员会正式授权为新的食品原料，可用于开发食品和动物饲料。近期，本课题组率先从氨氮浓度约为2 000 mg/L的稀土尾水中分离到一株耐高氨氮衣藻YC ，并建立了实验室水平高效处理稀土氨氮尾水的小试工艺。为了实现低成本的规模化处理稀土氨氮尾水，本研究工作选择衣藻YC为出发藻株,利用50 L的柱式光生物反应器和5m³的跑道池进行户外中试处理原始稀土氨氮尾水，系统测定该藻的生长、稀土氨氮尾水处理效果和CO₂固定的能力。与此同时处理稀土氨氮尾水后，收集藻细胞，分析其主要营养成分，为高值化开发衣藻YC生物质资源用于饲料原料方面积累资料。

01 藻种制备

将衣藻YC接种于含有原始稀土尾水的1.5 L AL-PBRs中培养,通气量为0.7 L/min。随后,将一-级种子液扩培至50 L的AL-PBRs和100 L聚乙烯桶，通气量为30 L/min。待藻种培养至对数生长期,获得衣藻YC种子液。上述藻种制备过程的培养光照强度控制在100 μmol/(m2-s)，温度为25℃。

02 户外规模化处理稀:土尾水

将培养至对数期的衣藻YC种子液，按10%的接种量接种至50 L柱式光生物反应器(AL-PBRs)和5m³跑道池光生物反应器(ORWPs)中进行户外培养，培养周期为15 d。50 L AL-PBRs和5m³ ORWPs的结构示意图如图一所示。50L的AL-PBRs由透明的甲基丙烯酸酯构成,高度和内直径分别为0.8 m和0.29m，底部连接通气装置，实际培养液体为40L。ORWPs的长度宽度和高度分别为8.2、1.4m和0.5m(总容积约为5 m³) ,内部装有四叶式轮桨可对培养液进行搅拌，跑道池通过水泵(功率, 75.0 W)连接到一个曝气罐(底部面积0.5 m2 ;高度100.0 cm) ,体积约500L ,实验过程实际培养液体为3500 L。稀土尾水处理过程中,使用约1.0 g/L的OSP调节培养基的pH值[ 161。两种反应器每天早上07:00至17:00进行持续通空气处理, AL-PBRs和ORWPs通气量分别控制在30.0 L/min和2.0 m3/h。跑道池的四叶式轮桨连续运转10 h (07:00-17:00)。每天定期取样测定衣藻YC的生物量以及尾水的pH、NH4^＋- N、TN和TP。

处理结束后,采收藻细胞，用于分析蛋白质、碳水化合物、油脂、氨基酸组成和脂肪酸组成等指标。

图1 生物反应器结构示意图A : 50 L柱式反应器AL-PBRs (侧视图). B : 5 m³跑道池ORWPs (俯视图)

03 实验计算方法

通过对生物量及生长动力学相关参数测定、稀土尾水培养液各组分去除率计算、衣藻YC固定CO₂量的计算、衣藻YC生物大分子含量测定、衣藻YC氮吸收含量计算、衣藻YC氨基酸组分分析及营养价值评估等数据来得到实验结果与分析。

01 衣藻YC在两种中试反应器中户外处理稀土水的生长情况

图2显示了两种户外光生物反应器处理稀土尾水过程中衣藻YC的生物量积累和稀土尾水的pH变化。由图2A可知，在稀土尾水处理前期阶段(0-7d)，衣藻YC在两种中试光生物器中的生物量表现无显著差异；但在培养的第8-14天, AL-PBRs组的衣藻细胞逐渐表现出更快的生长速率，得到最终生物量为1.1 g/L ,显著高于ORWPs组的值(0.8 g/L)。学者利用普通小球藻(Chlorella vulgaris) MBFJNU-1在室外40 L规模的柱式反应器中处理养猪废水，获得的最高微藻生物量为0.8 g/L。Yun Chistil 18]在室外60 L ORWPs中用小球藻(Parachlorella sp.) JD076处理城市尾水，小球藻最高生物量约0.5 g/L。在本研究中, AL-PBRs和ORWPs获得的衣藻YC生物量(0.8 -1.1 g/L)高于Chistil 18]和Zheng等研究的结果。这可能是因为，微藻生物量的高低受到藻种来源、污水组成、户外条件等因素的影响。稀土氨氮尾水是一种富含(NH₄)₂SO₄的水体。(NH₄)₂SO₄作为一 种生理酸性盐，在稀土尾水处理过程中，微藻不断吸收利用其中的氮元素,导致尾水培养液中c(H+)>c(OH) ,使pH持续降低,若不及时调节pH会影响微藻生长。牡蛎壳是一种难溶于水但能与酸反应的高碳酸钙含量物质。课题组前期用牡蛎壳资源调节异养微藻处理稀土尾水产生的pH下降,使微藻生长处于相对稳定的pH范围内。本实验利用衣藻YC处理稀土氨氮尾水时也同样发现,添加牡蛎壳会促使处理稀土尾水的pH处于相对稳定的状态（图2B）。

值得注意的是, ORWPs组处理的稀土氨氮尾水pH稳定在6.8-7.5 ,明显低于AL_-PBRs组的pH值。这可能的原因是,与ORWPs反应器相比, AL_-PBRs的通气位置分布在反应器的底部(如图1),通气时产生的气泡会使沉底的牡蛎壳小颗粒悬浮并均匀分散在气升式反应器中，更有效地实时调节变化的pH ,促进微藻生物量积累

02 衣藻YC在两种反应器中户外直接处理稀土氨氮尾水营养物的去除情况

氮元素是微藻生长的重要营养元素,供给细胞合成核酸、蛋白质等维持生长所必需的组分。稀土尾水NH4^＋-N可被微藻吸收转化为优质蛋白质或其他含氢代谢产物,实现稀土氨氢尾水绿色净化。图3A和3B为衣藻YC在户外两种反应器中处理稀土尾水NH4^＋-N和TN的情况。由图3A和3B可知，经过15 d的处理后，衣藻YC在中试两种反应器中都具备有效地去除原始稀土尾水NH4^＋-N和TN的能力。其中, 衣藻YC在AL-PBRs和ORWPs的NH4^＋-N去除率分别为24.9%和16.7% ，TN去除率分别为20.4%和16.2%。衣藻YC在AL_PBRs反应器中处理稀土尾水对NH4^＋-N和TN的去除率高于在ORWPs中获得的值，这可能的原因是AL-PBRs为衣藻YC细胞处理稀土尾水提供更稳定的条件,提高了藻细胞内谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase, GS)和谷氨酸合成酶(glutamine oxoglutarate aminotransferase, GOGAT)参与的GS-GOGAT等氢代谢的水平，进而吸收更多的NH4^＋-N用于合成生物量。

针对图3A和3B的结果,将衣藻细胞对NH4^＋-N和TN去除率进行换算,结果见图3C。由图3C可得，衣藻在AL-PBRS中对稀土尾z水NH4^＋-N和TN的去除速率为33.0 mg/(Ld)和28.2 mg/(L d)，明显高于ORWPs组的结果NH4^＋-N去除速率，22.8 mg/(Ld); TN去除速率, 22.5 mg/L-d)]。Zhang等用微藻(栅藻属和副小球藻属)处理初始NH4^＋-N浓度为125.0 mg/L的稀土尾水，其氮去除速率为12.6 mg/(Ld)。和用的栅藻属和副小球藻属相比，衣藻YC可能是一株可高效去除稀土尾水氨氮和/或总氮的潜在藻种。

磷元素也是微藻生长的必需元素。文中所处理的稀土氨氮尾水不含有磷元素。基于此，本研究添加了15 mg/L TP于处理的尾水中，并检测衣藻YC吸收TP的情况,结果见图3D。图3D可知,经15 d的稀土氨氮尾水处理后，衣藻YC细胞在两种反应器中都能完全吸收所添加的TP ，不会对处理稀土尾水产生二次污染。为了能更高效处理稀土氨氮尾水，今后将尝试在户外利用衣藻YC规模化处理稀土尾水过程中添加适量的TP浓度，促进微藻的生长和提高NH4^＋-N的去除效率。

图3衣藻YC利用AL-PBRs和ORWPs户外处理稀土尾水过程的NH4^＋-N浓度(A). TN浓度(B)、NH4^＋-N.与TN去除率(C)和TP浓度(D)的变化情况

03 衣藻YC户外处理稀土氨氮尾水收获生物质分析

为评估利用稀土尾水培养衣藻YC所得生物质的应用潜能，培养结束后，收集藻细胞，并测定其蛋白质、油脂以及碳水化合物含量,结果如图4所示。由图4可知,衣藻YC在两种反应器中处理稀土尾水后，细胞中的大分子含量从高到低依次为：蛋白质(44.5%-49 .4%)>碳水化合物(27.0%-27.7%)>油脂(9.1%- 14.3%)。其中，衣藻YC在AL-PBRs中的蛋白质积累较高于ORWPs ,而油脂含量较低，说明藻细胞在两种反应器中的蛋白质合成、油脂合成等代谢活力存在显著差异。有研究表明，微藻生物基质内的蛋白质和油脂可为饲养动物生长与发育提供所需的必需氨基酸和脂肪酸。因此，本文利用衣藻YC在户外规模化处理稀土尾水所获得的微藻生物质进行了氨基酸和脂肪酸组分分析,进一步评估获得衣藻藻粉的营养价值。

图4  AL-PBRs和ORWPs户外条件下处理稀土尾水的衣藻YC生物大分子成分差异a和b代表数据统计学上的差异因

04 衣藻YC藻粉的蛋白质评价

蛋白质中的氨基酸组成是评估饲料来源营养水平的重要参考。表3为衣藻YC利用两种反应器户外处理稀土尾水后获得的藻粉中的氨基酸组分分析。在AL- PBRs和ORWPs中的衣藻藻粉中氨基酸占总蛋白含量较高的有谷氨酸(11.4%- 12.7%)、天冬氨酸(9.5%-10.5%)、亮氨酸(9.5%-10.1%,和丙氨酸(82%-9.6%)。值得注意的是,在两种反应器中培养的衣藻YC蛋白质组分中含量的最高氨基酸均为谷氨酸。这可能的原因是NH4^＋是微藻细胞氨基酸合成过程中重要的前体物质,可在谷氨酸脱氢酶的催化下与a-酮戊二酸结合生成谷氨酸1331。学者对莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardti)、小球藻(Chlorella sp. )和螺旋藻(Spirulina sp. )的氨基酸组分进行分析比较,各藻细胞中含量最高的氨基酸均为谷氨酸(120.0-137.0 mg/L)。此外,赵叶等的研究表明,在饲料中添加谷氨酸可以改善草鱼生长过程的肌纤维结构和肌肉结构的特性。因此富含谷氨酸的衣藻YC具有开发为鱼饲料蛋白的潜能。

本文率先利用衣藻YC在AL-PBRs和ORWPs两种中试反应器中进行户外中试规模直接处理稀土高氨氮尾水。实验结果表明,衣藻YC在AL-PBRs中净化稀土氦氢尾水可获得更高的生物量、氨氮去除率和固碳率。此外,两种中试反应器处理稀土尾水的衣藻藻粉的蛋白质和油脂含量存在明显差异，衣藻YC蛋白的EAA、EAA/TAA、EAA/NEAA和EAAI均符FAO/WHO所建议的理想氨基酸成分指标要求;衣藻YC油脂含11.8%-14. 1%的亚油酸和84%- 12.1%的亚麻酸。此外，两种中试反应器处理稀土尾水的衣藻YC获得的必需氨基酸含量和必需脂肪酸产量无差异，但AL-PBRs的必需氨基酸产量[16.0 mg/(L- d)]要优于ORWPs [10.7 mg/(L-d)]。

基于上述所得结果，由衣藻YC介导的中试AL-PBRs直接处理原始稀土尾水是一种集成微藻生物固碳、净化污水和饲料开发的潜在耦合工艺,实现低值化的CO2和氨氮向高值化饲料的生物转化,助力我国“碳中和"和解决饲料蛋白原料短缺的双重目标。