郝雨欣，杨杨阳^*

(徐州工程学院，环境工程学院，江苏 徐州 221018)

摘要：微藻和菌类共生技术在处理污水时，不仅能有效地吸收污水中的营养物、降解和去除有毒污染物、富集重金属离子、提高水体溶氧，还能增进氮、磷等元素的循环。为深入分析近年来藻菌共生技术的研究现状、发展态势和热点探究，通过文献计量学方法，利用Vosviewer、CiteSpace对CNKI核心数据库中2003-2023年收录的论文进行定量分析。统计结果表明，截止2023年底，刊出与藻菌共生技术相关的研究型论文共253篇，论文发表量总体呈递增趋势。近几年来尤为显著，说明该领域得到越来越多研究人员的青睐，也表明藻菌共生技术在未来的水处理方面有着更为可观的优势，未来我们可以在这一方面多加关注。

关键词：藻菌共生；藻菌颗粒；文献计量；水处理；资源化

0引言

藻菌共生技术是一种利用藻类和细菌或真菌两类生物之间的功能协同作用来净化污水的处理系统^[1]。其原理在于藻类能够吸收污水中的氮、磷等植物营养物质，将其转化为生物量，并通过光合作用释放氧气和有机物，从而满足大多数需氧细菌的生长需求。细菌通过呼吸作用矿化藻类产生的有机物及污水中的有机物，释放二氧化碳，这些二氧化碳再为藻类的光合作用提供原料，从而维持藻类的生长和繁殖。这一过程不仅形成了良性的物质和能量循环，同时也减少了污水中氮、磷及其他有机污染物的释放，从而实现污水的生物净化作用。常见的污水包括生活污水，养殖废水等，以养殖废水为例，其主要包括：粪便，尿液，圈舍清洗废水等，废水中含有大量的氮、磷、有机物、重金属和病原体等污染物，若未经处理直接排放进入自然环境中，可对水体环境和生物产生潜在威胁^{[2, 3]}。藻菌共生系统处理污水的效率受多种因素影响，包括太阳辐射量、温度、污染程度（负荷与毒性）以及停留时间等^[4]。因此，为了环境的可持续发展，需要寻求一个高效、便捷、低成本的方法来处理污水^[5-8]。与传统污水处理方法相比，利用藻菌共生技术处理污水,不仅能有效地吸收污水中的营养物、分解有害物质、富集重金属离子、提高水体的pH和溶氧，还能增进氮、磷等元素的循环。它克服了传统污水处理耗能高的缺点，是一种将污水处理与资源化利用相结合的技术。但在现今藻菌共生技术水处理的研究中，均存在处理时间过长，微藻难以捕获等问题，这也将会是日后藻菌共生技术水处理的一个研究方向^[9-15]。鉴于上述优势，藻菌共生技术在水处理和环境资源利用等领域受到越来越多研究人员的重视，但此前，藻菌共生技术水处理方面的文献缺少一定的量化管理，缺乏整体性和系统性。本文将对其进行整理分析^{[16, 17]}。

文献计量学是利用数学和统计学方法对各种知识载体进行定量分析的学科。它综合了数学、统计学和文献学，注重量化分析。其主要计量对象包括文献量（各种出版物，尤其是引文）、作者数量（个人、集体或团体）、以及词汇数量（各种文献标识）等。相较于之前的内容分析法，文献计量法更加快捷简便高效率，减少了人力资源的浪费。计量结果也能直观客观的反映出某一研究领域的研究内容和发展态势，方便研究人员确定未来的研究方向与方法，大大降低了时间的损耗。近年来，文献计量逐步发展，在金融，医药等领域应用广泛，在环境领域虽有涉及，但关注相对较少^[16]。

因此，本研究基于CNKI数据库，利用CiteSpace，VOSviewer，Origin等软件对国内近20年（2003年到2023年）菌藻共生技术水处理的相关文献信息进行收集汇总，并对他们进行关联性分析，做出相关分析图谱，探究藻菌共生技术的发展态势和研究热点，从而把握藻菌共生的相关技术问题和未来发展方向。

1材料与方法

1.1信息来源及检索方式

基于CNKI核心数据库，以藻-菌、菌-藻、藻菌系统、藻菌颗粒、藻菌共生、藻菌共生系统等为主要检索词，对2003年到2023年所发表的关于藻菌共生方面的相关文献进行检索，检索时间截至2023年12月31日，有效检索结果为576条。为提高结果分析的准确性，过滤掉综述、会议类论文、书籍章节、报纸、资讯等文献类型，仅保留研究性论文253篇。

1.2统计方法

首先，利用CNKI的“分析检索功能”整理年度发文量，文献所属学科及文献来源，然后将253条检索记录中的基本信息以纯文本形式导出，通过CiteSpace对文本文件进行识别与统计，将得到的年份与发文量关系的数据通过Origin绘制发文量趋势图，用VOSviewer绘制关键词共现图，用CiteSpace画出关键词聚类以及考察关键词随时间流动的演化情况，并通过CiteSpace软件上的导出数据绘制相关论文被引频次表，进行比较分析，以探讨藻菌共生技术在中国的主要研究内容和发展趋势，从而方便研究人员确定今后的研究主题和方向。

2结果与讨论

2.1发文数量

研究性论文的发文数量可以在一定程度上反映某一研究主题的发展态势及受重视的程度。由图1可见，在统计范围内，2003年到2023年关于藻菌共生技术的相关研究的发文量整体呈增加态势，近几年来，增长态势尤为明显，这和国家综合国力的增强以及在科研方面的投入有较大关系。累积发文量的数据可通过方程                                               ，R²为0.9888，其中y为累计发文量，x为2003年以来的年份，发文量的快速升高说明了藻菌共生技术得到了更多研究人员的关注，关注度正在逐年提高。近年来，关于藻菌共生技术的相关研究论文的发文量呈上升趋势，2021年至2023年的发文量更是明显增加,表明现阶段我国对藻菌共生技术的重视程度越来越高。

图1藻菌共生技术年度发文量统计和藻菌共生技术发文趋势拟合图

Fig.1 Algae-fungus symbiosis technology annual publication chart and Fitting diagram of the publication trend of algae-bacteria symbiosis technology

2.2学科分布

根据文章的学科类别，可以了解大致的研究方向和发展过程。对藻菌共生技术所属学科的分布情况进行统计分析后，从图2（图中占比已保留三位有效数字）可以看出，所搜集的文献涵盖了20个学科类别，这表明藻菌共生技术的应用范围广泛，涉及多个学科领域，显示出该技术受到各领域研究人员的高度关注，并展现出显著的多学科交叉性^[16]。根据中国知网的学科分布可视化分析可以看出，其中环境科学与资源利用居于首位，高达473篇，占总数的58.83%。其主要原因是藻菌共生技术在环境资源的保护方面发挥了重要作用。生物学紧随其后，为118篇，占总数的14.68%。这可归因于细菌或真菌和藻类在生物的水处理方面有着很大优势，可以帮助生物更好的净化生态环境，共同构建我们美好的家园。农业基础科学以111篇位居第三，占比13.81%，农田一直是人类赖以生存的重要基础，藻类和细菌或真菌可以有效处理农田中的有害物质，抑制其生长发育，增强农田水环境的含氧量，保证农田生态系统的稳定性，保障了人类赖以生存的基础，这是其中的一个主要原因。由此可见，藻菌共生技术和环境科学与生物学有着密不可分的关系，这与藻菌在处理水污染方面有着卓越优势有一定的关联。水产与渔业，海洋学，有机化工，无机化工，基础医学等，这些相关学科也占据了部分篇目。综上所述，藻菌共生技术是一项以生物和环境为主导的，并向多学科化发展的交叉技术，表现了一定的包容性与发散性^[16]。

图2藻菌共生技术所属学科

Fig.2 Subject categories of algal-bacterial symbiosis technology

2.3文献来源

掌握文献的主要来源可以快速获得科学研究资源的权威结果，由表1可知，其中《污水处理中菌藻共生系统去除污染物机理及其应用进展》《藻-菌生物膜法改善富营养化水体水质的效果》《菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景》《利用菌-藻体系净化水产养殖废水》位居前四。其中《污水处理中菌藻共生系统去除污染物机理》的被引次数高达92次，该篇文章发表于2017年，相较于前五中的其他文章，该篇的发文时间是距今最近的。其发文时间最短，却又有最高的被引频次，是因为该文关注了当前藻菌共生技术的研究难点。该篇文章主要讨论了藻菌共生系统对污水中一些重金属物质的处理效果，以及菌藻共生在污水处理中的应用前景。在选择污水处理的藻类方面，提出了新的见解，具有一定的创新性。较高的被引频次也表明这篇文章深受藻菌研究者的推崇，另一方面说明这篇文章的研究方向和关注重点非常契合研究人员的需求，具有一定的权威性。同时，该文也对藻菌共生技术的进一步发展有卓越贡献。《藻-菌生物膜法改善富营养化水体水质的效果》《菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景》这两篇文章的被引用次数也相当高，分别为85次和64次，其中《菌藻共生系统处理废水研究现状及发展前景》这一文章的下载次数高达2530次。由此见得，该篇文章深刻分析了藻菌共生技术的构建原理与优势所在，同时还回顾比较了国内外所构建的不同类型的共生系统和废水处理效果，具有一定的说服力，给研究人员起到了指引性的作用。《利用菌-藻体系净化水产养殖废水》一文虽只有60次的被引次数，但其下载次数高达1108次。该文通过实验研究发现，当多种藻菌共同作用，并达到一定体积比的时候，去除污水中的污染物的效果最好，同时也发现了一些藻菌针对性去除某种特定污染物的效果较好。综上所述，高水平文章的高被引用论文往往更具研究方向的前瞻性和引领性作用^[16]，推动了藻菌共生技术研究和应用的快速发展，在一定程度上也推广了藻菌共生技术。

表1藻菌共生技术相关论文被引频次表

Table.1 Papers related to algal symbiosis technology are cited in the list of citations

2.4研究机构

在当今快速发展的科研环境中，追踪相关团队、机构及研究力量对于了解某一领域的最新研究动态至关重要。通过有效的追踪，研究者能够及时获取前沿信息，保持对领域发展脉动的敏感性。由图3可知，虽然研究藻菌共生技术的研究人员有很多，但是他们之间的联系是非常松散的，主要形成了以唐聪聪、王振威，栗越妍，肖贤声，左薇，张军等为主的研究团体。其中唐聪聪的研究团体联系度最高，研究人员也最多，该团队最新的发文时间为2023年3月24日，文章最高被引次数高达514次，平均论文发表时间为2022年，与当前年份接近。这些正表明了该团队的研究契合当前藻菌共生技术研究的热点问题，紧跟当前的研究动向，同时也显示该团队对藻菌共生技术这一方面作出了巨大贡献，预示着该团队可能是未来中国藻菌共生技术研究的主力军。由图3可知，各作者间的交流也十分密切，相互沟通，相互学习。综上所述，说明藻菌共生技术在未来会有很好的发展空间，作者和作者所处的团队可能是未来藻菌共生技术发展的重要力量。通过查阅藻菌共生技术的相关论文来看，哈尔滨工业大学作为我国的工科强校，关于藻菌共生技术的发文量最高，居于首位，中国环境科学研究院作为我国自然科学领域的权威机构，其发文量位居第二，这两者对于中国藻菌共生技术发展有着卓越贡献。但是由图4可知，这两所机构之间没有过多的合作与交流，没有共同发表的论文。想要中国藻菌共生技术有长远的发展，作为中国顶尖的工科学府和科研机构，他们需要进一步加强彼此之间的合作与交流，这对中国藻菌共生技术的发展有着重大意义。黑龙江科技大学环境与化工学院，长安大学环境科学与工程学院，镇江市环境监测中心站等诸多学校机构在藻菌共生技术方面也都有研究，同时也说明中国有越来越多的研究者投入到藻菌共生技术的研究中来。

图3作者间关系联系图

Fig.3 Author Relationship Contact Graph

图4机构联系图

Fig.4 Institutional Contact Chart

3 藻菌共生水处理研究现状及发展趋势

3.1研究现状

关键词是文献中有效信息的简明概括，通过识别关键词之间的相互联系，可以揭示某一领域的主要研究内容。利用VOSviewer进行关键词共现，存在部分关键词存在冗余现象，如将藻菌共生体和藻菌共生还有菌藻共生合并成为藻菌共生体系。因此将同义关键词合并利用VOSviewer对检索结果进行统计分析，这些关键词基本涵盖了菌藻共生技术领域的核心研究内容。通过以高频关键词为中心，结合共现图扩展联系网络，并与其他关键词进行联合分析，可以对菌藻共生技术的研究现状进行全面总结。由图5可见，藻菌共生，污水处理，脱氮除磷，活性污泥等是该领域科研研究的高频关键词，这些关键词基本涵盖了菌藻共生技术领域的主体研究内容。以这些高频关键词为中心，根据共现图扩大联系网，与其他关键词进行联合分析，从而对菌藻共生技术的研究现状进行总结。

此外，我国湖泊、河流、海洋等水体受气候变化和人类社会活动等因素影响，均出现不同程度的污染。污水中氮磷营养物超标，可导致水体富营养化，破坏生物多样性，影响生态系统平衡，使水体浊度增加，毒性增强，引发一系列更加严重的环境问题，最终危害人的健康^{[21, 22]}。同时，可再生能源的需求也随着化石燃料资源的日益枯竭而上升。因此，国内外学者近年来研究的重点都放在了如何同时获取污水处理过程中的生物资源上。目前，我国污水处理厂中处理污水的主要方法为活性污泥法，活性污泥法是一种广泛应用于污水处理的生物处理技术，其核心原理可以分为三个主要步骤：

第一步：吸附和絮凝

在有氧条件下，活性污泥中的絮凝性微生物通过吸附作用将污水中的有机物质吸附到其表面。这一过程依赖于微生物的表面特性，使其能够有效地捕捉和聚集污水中的污染物，从而提高后续处理的效率。

第二步：水解和代谢

活性污泥中的水解性细菌会对大分子有机物进行水解，将其分解为小分子有机物。同时，微生物也会通过合成自身细胞来增加其数量。在这一过程中，污水中的溶解性有机物被细菌直接吸收，随后在细菌体内进行氧化分解，转化为二氧化碳和水。代谢过程中产生的中间产物会被另一类细菌继续吸收，最终实现无机化，从而有效去除水中的有机污染物。

第三步：摄食和分解

最后，原生动物和微型后生动物通过摄食或吞食未被完全分解的有机物及游离细菌，进一步清理污水中的残余物质。这一阶段有助于提升污水处理的全面效果，通过多层次的食物链关系，促进污水中有机物的完全去除。

综上所述，活性污泥法不仅依赖于微生物的代谢活动，也利用了生态系统内不同生物之间的相互作用，形成了一种高效的污水处理方式。通过这些步骤，该技术能够显著降低污水中的污染物浓度，改善水质，具有广泛的应用前景 ^[23-26]。这对减少江河湖泊等水体富营养化的效果十分显著。但这些传统技术对污染物的降解能力有限，面临着一系列问题，如运行成本高，污泥和温室气体产量大，系统耐受冲击负荷能力差，资源回收不到位等^[27-31]。藻菌共生技术利用了藻菌的互利共生关系，实现了生物资源化利用，同时对污水进行了处理。微藻生长速度快，并可将二氧化碳转化为化学物质和生物燃料，在生产生物燃料的同时还可处理废水，有助于减少温室气体的排放。从微藻中获得的生物燃料是可持续的化石燃料替代产品，而从废水处理中获得的微藻生物质也可以转化为宝贵的生物产品，因此，从微藻中获得的生物燃料因此，藻菌共生技术相对于传统工艺而言，是一种可持续的、经济有效的解决方案，在污水处理上更具成本效益。

图5藻菌共生技术关键词共现图

Fig.5 Algae-fungus symbiosis technology Keywords co-occurrence diagram

3.2发展趋势

通过对藻菌共生技术关键词进行时间视图的分析，观察其发展趋势。如图7所示，近年来，藻菌共生技术的研究热点主要转变向着废水处理，脱氮除磷，活性污泥等方向发展，时间线图上出现的微藻、小球藻，光合菌，异养细菌等，说明当前研究人员重点使用上述藻类与菌类进行共培养，组成共培养体系，通过不同浓度比、体积比进行实验，寻求最佳的浓度比、体积比，从而达到实验目的。这三个方面将会是未来藻菌共生技术发展和研究的热点。通过对CiteSpace关键词聚类图的分析，如图6所示，构建共现网络，对冗余聚类进行合并，如藻菌共生和菌藻共生合并为藻菌共生，污水处理和废水处理合并为污水处理，主要分为菌藻共生、小球藻、藻菌共生、废水处理、污水处理、微藻、脱氮除磷、脂类合成，根据所有关键词的共现度和联系度评估当前藻菌共生技术的研究现状和研究的进展。通过查阅提炼相关文献可发现，众多文献中都有说明藻菌共生处理污水的工艺具有运行成本低，去除效率高，适应性广泛，处理技术简单等的优势^[32]，其特点在于将污水中的污染物直接转化为微藻生物柴油，从而减少二氧化碳排放。这一特性符合我国的双碳政策，是未来实现污水高效处理和资源回收的潜力选择。从优势方面看，随着经济社会的快速发展，我国面临的水污染问题主要体现在以下两个方面：一方面，污水处理率低导致大量污水未得到有效资源化利用；另一方面，已处理污水中仍含有足以引起水体富营养化的氮、磷等营养物质。传统的活性污泥法在处理污水过程中，尽管能够去除部分有机物和悬浮物，但在去除氮、磷等营养物质方面存在一定的局限性，常常无法满足日益严格的水质标准 ^[33]，虽工艺成熟、操作简单，但仍存在运行能耗高、微生物对有毒物质耐受性差等缺陷^[34-41]。

当污水中同时存在氮和磷等营养物质时，只能同时去除20%-40%，出水中较高的氮、磷含量是导致水体富营养化的主要污染物质^[42]。采用藻菌共生体系处理污水不仅可以有效减少污水处理厂的曝气费用，藻类还能吸收和固定周围环境中的二氧化碳，符合生态循环，维护了环境的稳定。同时，藻类作为自养型生物，可以利用光能，合成自身生长所需要的营养物质及有机物质并释放出氧气，对于氮、磷等元素的去除率也高达70%，为生态的平衡稳定发展作出了贡献，明显优于活性污泥法、AB法、氧化沟等方法^[43-45]。需要注意的是，不同类型的藻类对氮、磷元素的去除效率是不同的，不同配比下的藻菌对废水中的污染物去除效率也是不同的^{[46, 47]}，这也是未来藻菌共生技术研究方向的一大发展态势。水体富营养化是一个日益严重的问题。人类活动，特别是将富含氮磷的城市生活污水和工业废水排放到湖泊、河流和海洋，是导致这一问题的主要原因。这种氮磷营养物质的过剩促使水体中的藻类过度繁殖，进而引发一系列负面环境影响。例如，淡水水体可能发生水华（藻类大量繁殖），而海洋则可能出现赤潮（有害藻类的快速增长），这些现象不仅影响水体的生态平衡，还可能对水质和生物多样性造成严重影响^[48-50]，水中的大量藻类、微生物因为氮磷含量过高而死亡，未来可以深入藻菌共生技术在怎样抑制过量藻类的繁殖的研究来应对一系列环境问题^{[18, 38, 51, 52]}。藻菌共同快速培养和稳定运行是实现该系统应用和工程推广的首要问题，未来这一技术也会应用在解决水体富营养化方面。从相关应用方面看，脱氮除磷相关研究已有了长足进展，除常规污染元素外，藻菌共生技术在抗生素^[53-56]、重金属^[57-60]的去除方面也有报道，然而目前抗生素和重金属的研究种类较少，难以证明研究结论的普适性。从实验原理方面看，菌藻颗粒由藻类及细菌或真菌构成，因此其培养及应用，具体机理离不开细菌或真菌和藻类群落的变化。未来，随着对这些微生物群落相互作用理解的不断深入，菌藻共生技术的研究将集中在优化细菌或真菌与藻类互动机制。这种发展趋势需要跨学科的合作，以进一步揭示其复杂的生态学和分子生物学机制，并优化培养条件，以应对多样化的环境挑战。

图6关键词聚类图

Fig.6 Keywords Clustering Diagram

图7关键词时间线视图

Fig.7 Keywords Timeline View

4结论与展望

1）近20年来，中国知网CNKI数据库共收录253篇关于藻菌共生技术研究文献，主要涉及生物和环境两个方面，发文量逐年升高，近两年来增长尤为显著。

2）藻菌共生处理生活废水、畜禽养殖废水，藻菌共生脱氮除磷，藻菌共生处理水体富营养化，藻菌生物处理为藻菌共生技术目前的主要研究内容。

3）污水处理、脱氮除磷，活性污泥等是藻菌共生技术未来主要的研究方向，可以进一步开展藻菌和活性污泥，脱氮除磷，污水处理研究的相关实验。例如可以配置不同浓度比，不同体积比，不同藻菌组合类型的实验，不同类型的藻菌组合往往对不同的元素会有不一样的去除作用。对于未来研究的建议关注点包括：采用无成本或低成本的技术，使其达到藻菌共生系统构建的稳定。最重要的一点是要采用环保的技术，这与当今联合国“碳达峰”“碳中和”的政策相一致，也与我国的政策一致。同时也需要各机构和学者的紧密合作，及时沟通和交流，由此进行深入研究，进一步推动藻菌共生技术长远发展。