《Heliyon》：Optimization of co-valorisation techniques for dairy and paper pulp wastewater in the cultivation of Chlorococcum sp. with a focus on mixture design, microwave-assisted pretreatment, and bioethanol production
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为解决淡水短缺及工业废水污染问题，研究人员开展了利用乳制品（DWW）和纸浆（PWW）废水培养绿球藻（Chlorococcum sp.）的研究。结果表明优化后的废水混合比可促进绿球藻生物量和脂质积累，还能生产生物乙醇。这对实现废水利用和可持续发展意义重大。
在当今世界，能源问题和环境难题日益凸显。传统的化石燃料不断消耗，逐渐走向枯竭，寻找可持续且环保的替代能源迫在眉睫。与此同时，大量工业废水未经妥善处理便排入环境，像乳制品废水（Dairy Wastewater，DWW）和纸浆废水（Paper and Pulp Wastewater，PWW），它们不仅污染土地、河流和湖泊，还威胁着水生生物的生存，影响人类的饮用水供应，甚至传播危险疾病 。而微藻作为第三代生物燃料原料，潜力巨大，其含有丰富的脂质、碳水化合物和蛋白质，其中的碳水化合物可用于生产生物乙醇。不过，微藻培养需要大量淡水，这制约了其商业化生产，并且将淡水用于能源生产会影响淡水供应的可持续性。此外，目前关于 DWW 和 PWW 共利用的研究较少，且利用微藻生产生物乙醇时，糖类释放困难，预处理过程也存在诸多问题。
在这样的背景下，南非夸祖鲁 - 纳塔尔大学（University of KwaZulu-Natal）的研究人员开展了相关研究。他们旨在找出适合绿球藻（Chlorococcum sp.）生长和脂质积累的最佳废水混合物，评估绿球藻在废水修复中的效率，探究微波（Microwave，MW）预处理对绿球藻生物质提取可发酵糖的影响，以及探索利用 MW 预处理后的微藻生物质生产生物乙醇的可行性。该研究成果发表在《Heliyon》杂志上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过采集当地乳制品和纸浆行业的废水样本，并进行筛选和理化性质分析。接着，运用单纯形晶格混合设计（simplex lattice mixture design）确定最佳废水混合比例，利用响应面法（Response Surface Methodology，RSM）优化微波预处理条件。此外，还使用了酶解法对预处理后的微藻水解产物进行糖化，并通过多种分析方法测定相关指标。
研究结果如下：
DWW 和 PPW 的理化性质 ：DWW 和 PWW 均浑浊，颜色不同，PWW 的棕色可能影响微藻生长。二者化学需氧量（COD）较高，DWW 营养含量更高，但初始 pH 均不利于绿球藻生长，调整后有所改善。废水灭菌和添加营养对微藻生长的影响 ：未灭菌废水抑制绿球藻生长，灭菌后单独使用也不能满足其生长需求，添加 BG - 11 培养基后可促进生长，且 DWW 比 PWW 更适合作为营养源，混合废水能更好地支持绿球藻生长。废水混合物设计优化 ：通过实验数据建立模型，发现 DWW 和 PWW 混合比例对绿球藻生物量浓度和脂质积累有显著影响，DWW 比例较高时生物量和脂质产量更高。混合设计优化的验证 ：模型预测的生物量浓度和脂质积累在实验中得到验证，特定比例的 DWW 和 PWW 混合可作为微藻生长的有效替代培养基。利用绿球藻的营养去除效率 ：绿球藻在混合废水培养过程中可显著去除总氮（TN）、铵氮（NH4 -N）、磷（P）等营养物质及金属和微量元素，不同模型的去除效率有所差异。从绿球藻原料中优化还原糖的释放 ：酸 - 微波辅助预处理参数显著影响还原糖释放，较高微波功率、较低酸浓度和较长预处理时间有利于提高还原糖浓度。还原糖模型验证 ：模型预测的最佳预处理条件经实验验证有效，预处理后微藻生物质结构发生变化，酶解糖化效率高，且可考虑在工业规模中排除纤维素酶步骤。预处理生物质用于生物乙醇生产的初步评估 ：预处理后的绿球藻水解产物发酵生产生物乙醇的效率较高，生产力优于其他研究。
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