固定化光合細菌對水體富營養(yǎng)化的去除效果

常會慶,王世華,寇太記

(河南科技大學農(nóng)學院,河南洛陽 471003)

固定化光合細菌對水體富營養(yǎng)化的去除效果

常會慶,王世華,寇太記

(河南科技大學農(nóng)學院,河南洛陽 471003)

為了探索對富營養(yǎng)化水體的微生物修復方法,采用固定化光合細菌進行人工模擬的富營養(yǎng)化水體處理試驗。試驗結果表明,接種固定化光合細菌比對照可明顯地降低水體中的養(yǎng)分。19d的處理時間,TN、NH4-N、NO3-N、TP和COD的去除率分別達到了65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,78.06%,并且接種光合細菌對水體中的藻類也起到一定的抑制作用。接種光合細菌增加了水體的DO和pH值,同時也提高了硝化率以及光合細菌數(shù),而水體中這些因素的變化都與水體中養(yǎng)分的去除效果密切相關。因此富營養(yǎng)化水體修復中接種固定化光合細菌可以起到去除養(yǎng)分的目的。

富營養(yǎng)化;固定化光合細菌;養(yǎng)分去除

近年來,地表水體富營養(yǎng)化的進程已經(jīng)成為人們關注的問題之一[1],中國地表水體富營養(yǎng)化問題尤為突出,已威脅到飲用水的供應和安全,即便在水源豐富的地區(qū)也由于水質的下降導致淡水缺乏。美國2048個水體中,大約有61%的水體TN、TP含量沒有達到EPA標準[2]。我國污水處理廠的N、P排放標準(GB18918—2002)分別為15mL/L和1.5mL/L,也已經(jīng)超出地表三類水質要求的30倍。如果這些污水沒有進行深度處理就直接排出,勢必導致受納水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生,甚至會引起許多位于較偏僻山區(qū)作為飲用水源地的水庫發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象[3-4]。因此,發(fā)展新的、投資較低的技術來去除污染水體中過量的養(yǎng)分是必要的,以便重新建立起一個健康并具有自凈能力的水生態(tài)系統(tǒng)。

光合細菌主要以游離細胞的形式被應用。但是游離細胞在流水條件下易被水流沖走,在靜水條件下易被其他生物所食用,并且缺乏吸附和生長繁殖的載體時其難以穩(wěn)定地長期發(fā)揮功能。近年來,固定化細胞技術的興起為微生物的應用增添了新的活力,固定化光合細菌的應用研究已有許多報道[5-6],尤其在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)取得的成果引人注目,能起到凈化池塘水質的效果[7-8]。應用固定化光合細菌及其凈化污水的研究,表明固定化細胞能夠克服游離細胞的不足,具有良好的發(fā)展前景[9-10]。目前針對富營養(yǎng)化水體過量養(yǎng)分去除效果及機理的研究鮮見報道。因此,筆者采用固定化光合細菌來處理人工模擬的富營養(yǎng)化水體,意在為富營養(yǎng)化水體微生物修復提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

產(chǎn)氧光合細菌由中國科學院微生物研究所提供,標號為120(1.2352),采用血球板計數(shù)法。主要試驗儀器包括WFZUV-2100紫外可見分光光度計、FA1004 A電子分析天平、250D光照培養(yǎng)箱、BCD-185型冰箱等。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗用品配制

a.光合細菌培養(yǎng)基,配制成分如下:硫酸二氫鉀1.0g,氯化鎂 0.5g,氯化銨 1.0g,氯化鈣 0.1g,氯化鈉1.0g,醋酸鈉 1.0g,琥珀酸鈉1g,酵母膏0.5g,碳酸氫鈉3.0g,蛋白胨0.5g,蒸餾水1L。

b.微量元素液(1 mL/L),配制成分如下:FeCl2.4H2O 1.8g,CoCl2.6H2O 0.25g,NiCl6H2O 0.01g,CuCl2.H2O 0.01g,MnCL24H2O 0.7g,ZnCL20.1g,硼酸0.5 g,Na2SeO3.5H2O 0.01 g,NaMoO42H2O 0.03g,水1L。

c.維生素溶液(1mL/L),配制成分如下:維生素Biotin 0.1g,煙酸0.35g,煙酸硫胺素0.3g,對氨基苯甲酸0.2g,泛酸鈣0.1g,維生素B120.05g,鹽酸吡哆胺0.1g,水 1L。將配制好的溶液調節(jié)pH值為6.80,滅菌后在30℃條件下培養(yǎng)3d,離心收獲細胞(4℃,4000r/min離心20min),然后用蒸餾水洗2遍后立即固定。

1.2.2 細胞固定

海藻酸鈣固定化:用50mL體積分數(shù)為4%的海藻酸鈉滅菌5min(73.5kPa)后冷卻到45℃,然后用培養(yǎng)好的光合細菌(OD600=0.5)細胞懸浮液50mL和海藻酸鈉混合,立即倒入孔徑約1mm的自制造粒器中,使形成的固定化顆粒滴入5%的CaCl2溶液中,再放置24h,最后濾出顆粒,用生理鹽水洗凈,備用。

1.3 試驗實施

試驗包括 2個處理,分別為:①CK-對照;②P-固定化光合細菌。每個處理設3次重復,使用培養(yǎng)容器為60L的圓塑料桶(直徑為0.6m,有效深度為0.6m,表面積為0.28m2)。采用人工模擬的富營養(yǎng)化水體,在試驗處理前加入葡萄糖、NH4NO3和NaH2PO4,使得水體中TN、TP、NH4-N、COD 和葉綠素a的質量濃度分別為40.2mg/L、7.99mg/L、19.85mg/L、41.26mg/L和75.46μ M/L,pH值為7.02。

約50g的固定化光合細菌載體放入孔徑0.5mm的尼龍袋中,懸掛于水面下約0.3m處,光合細菌的處理放置3個固定化的光合細菌載體。試驗期間氣溫在22.4～35.3℃之間變化,水溫在23.20～32.6℃范圍內(nèi),試驗處理19d后結束。

1.4 取樣和分析

水樣分別在 0d 、2d、6d、12d、19d 進行采集 ,每次采樣時間固定在上午8:00,用100mL的量筒在水面下0.35m處的3個地方進行采樣。試驗參數(shù)測定根據(jù)標準的水和廢水監(jiān)測分析方法[11]。

反硝化率的測定依據(jù)對NO3-N消耗的方法進行計算[13]。反硝化率以24h培養(yǎng)時間內(nèi)N在有硝化作用抑制劑條件下的變化來決定。硝化作用的抑制劑可以阻止NH3-N向NO3-N轉化,因此NO3-N的減少可以被認為是反硝化作用過程的結果。

2 試驗結果與討論

2.1 富營養(yǎng)化水體中總氮、銨態(tài)氮和硝酸鹽的變化

對于總氮而言,隨著試驗的進行,對照和光合細菌反應系統(tǒng)中TN質量濃度都會降低。試驗結束時光合細菌的處理和對照處理中TN的質量濃度分別為(13.06±0.85)mg/L和18.81mg/L。NH4-N的質量濃度在試驗中呈下降趨勢,試驗結束時2個處理NH4-N的質量濃度分別為(10.96±1.04)mg/L和(4.01±0.76)mg/L,固定化光合細菌對NH4-N的降低率比對照多35.02%。NH4-N的去除主要是由于硝化作用的進行,以及一定程度NH3-N的揮發(fā)。對照和光合細菌系統(tǒng)中除了藻類和光合細菌對NH4-N的吸收外,NH3-N揮發(fā)可能是導致NH4-N降低的另外一個因素。硝酸鹽的變化與TN的變化有相似的趨勢,在19d后2個處理的硝酸鹽質量濃度分別降低到(0.31±0.22)mg/L和(4.23±0.059)mg/L。NO3-N在對照中的降低效果明顯,主要是由于對照有相對較小的DO濃度,并且反硝化作用較強,因此使得NO3-N在相對厭氧的條件下降低得較快,試驗結束時其質量濃度降低了98.45%。硝化和反硝化作用發(fā)生在所有的處理中(表1),而且受到許多環(huán)境因素的影響,例如底泥成分、水體中的溶解氧含量、光照、懸浮物、pH值和鹽度等[14-15]。筆者的研究表明,NH3-N可以被硝化細菌進行氧化,而且硝化和亞硝化細菌可以附著在光合細菌固定化載體的表面,這些條件有利于水體中TN的降低。圖 1為CK-對照以及P-固定化光合細菌對富營養(yǎng)化水體中TN 、NH3-N、NO3-N 的影響。

表1 CK-對照以及P-固定化光合細菌在0d,10d,19d時硝化率和反硝化率的變化 mg/(L?h)

圖1 CK-對照以及P-固定化光合細菌對富營養(yǎng)化水體中TN、NH3-N、NO3-N 的影響

2.2 富營養(yǎng)化水體中TP的變化

圖2表明2個培養(yǎng)系統(tǒng)中TP的變化過程。在第2天時2個處理中由于pH值上升導致TP有顯著降低的趨勢,隨后TP的下降趨于平緩。在試驗結束時CK-對照和P-固定化光合細菌處理中TP的值分別為(3.94±0.17)mg/L和(2.96±0.15)mg/L。微生物的吸收利用或許是減少TP的一個因素,接種的光合細菌正好起到這個作用。在水體中每天pH值的變化也對P的有效性起著重要作用[16],P在高pH值條件下可以與Ca2+發(fā)生沉淀反應。然而,這些導致養(yǎng)分降低的機制仍然需要做進一步的研究[17-18]。

圖2 CK-對照以及P-固定化光合細菌對富營養(yǎng)化水體中TP的影響

2.3 富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的變化

接種光合細菌可以明顯降低水體中的COD含量(圖3)。試驗結束時COD的去除率為78.06%,而對照處理COD去除率僅有59.39%。COD的降低原因之一主要是依靠系統(tǒng)中微生物和藻類的生長對其中碳源的利用,采用固定化接種的方法可以明顯提高水體中光合細菌的數(shù)量(表2),光合細菌在降低水體有機物含量方面有著顯著的作用,這樣可以避免由于水體中的C/N過高,異氧微生物繁殖過快抑制硝化菌生長,影響到微生物的脫氮作用[19]。水體中葉綠素a的含量與水體中藻類的含量成正相關,接種光合細菌在一定程度上降低了水體中的葉綠素a。這主要是由于光合細菌吸收了水體中的養(yǎng)分從而抑制了藻類的生長。

圖3 CK-對照以及P-固定化光合細菌對富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的影響

表2 光合細菌在CK-對照以及P-固定化光合細菌間的數(shù)量變化

2.4 富營養(yǎng)化水體中pH值和DO的變化

富營養(yǎng)化水體開始的pH值為7.02,pH值在對照和光合細菌處理中都有不同程度的增加。光合細菌處理與對照相比,pH值約增加了2(圖4)。較高的pH值有利于降低系統(tǒng)中磷的可溶性和生物有效性。DO的初始濃度為2.64mg/L,接種光合細菌有利于DO增加,表明光合細菌在白天可以增加光合作用的產(chǎn)氧量。在第6天時,由于藻類光合作用的貢獻使得DO在光合細菌的處理中達到最高。2個系統(tǒng)中不同的DO水平主要是由于光合細菌和藻類共同作用造成的差異。

圖4 CK-對照以及P-固定化光合細菌對富營養(yǎng)化水體中pH值和DO的影響

3 結 論

接種固定化光合細菌不但有利于改善富營養(yǎng)化水體的質量,而且對水體中的多種養(yǎng)分都有較明顯的去除效果。研究結果表明:在19d的處理時間中固定化光合細菌對TN、NH4-N、硝酸鹽、TP和COD的去除率分別達到 65.94%、79.84%、78.80%、62.95%、78.06%。因此探索該系統(tǒng)在實際工程中的應用,評價由于季節(jié)不同引起光照和溫度的變化對研究結果的影響是必要的。對接種光合細菌于原位生態(tài)修復工程中的養(yǎng)分去除最佳條件的探索仍然需要做進一步研究。

[1]CARPENTAR S R,CARACO N F,CORRELL D F,et al.Nonpoint pollution of surface waters with nitrogen and phosphorus[J].Ecological Applications,1998,8(3):559-568.

[2]SMITH V H,SCHWARTZ G E,ALEXANDER R B.Regional interpretation of water quality monitoring data[J].Water Resource Resaerch,1997,33(12):2781-2798.

[3]蘇玉萍,林穎昕,林佳,等.福建省典型飲用水源地水庫富營養(yǎng)化狀況調查與分析[J].亞熱帶資源與環(huán)境學報,2008,3(1):56-59.

[4]陳文.玉林水源地水庫富營養(yǎng)化污染現(xiàn)狀與對策[J].廣西水利水電,2008(2):16-18;22.

[5]丁成.固定化光合細菌對含酚廢水的生物降解試驗[J].水資源保護,2008,24(6):93-95.

[6]方明成,吳刪,李桂枝.光合細菌處理制藥廢水可行性研究[J].水利水電科技進展,1998,18(5):36-38.

[7]劉毅,袁月華.固定化光合細菌凈化養(yǎng)殖水質研究[J].水利漁業(yè),2008,28(2):86-88.

[8]鄭耀通,胡開輝.固定化光合細菌凈化養(yǎng)魚水質試驗[J].中國水產(chǎn)科學,2008,6(4):55-58.

[9]朱鐵群,雷慶鐸,李衛(wèi)忠,等.固定化光合細菌研究與應用[J].水利漁業(yè),2006,26(6):4-7.

[10]NAGADOMI H,KITAMURA T,WATANABE M,et al.Simultaneous removal of chemical oxygen demand(COD),phosphate,nitrate and H2S in the synthetic sewage wastewater using porous ceramic immobilized photosynthetic bacteria[J].Biotechnology Letters,2000,22:1369-1374.

[11]魏復盛.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2002:200-284.

[12]BELSER W,MAYS E L.Use of nitrifier activity measurements to estimate the efficiency of viable nitrifier counts in soil and sediments[J].Appl Environ Microbiol,1982,43:945-948.

[13]ANDERSEN J M.Rates of denitrification of undisturbed sediment from six lakes as a function of nitrate concentration,oxygen and temperature[J].Arch Hydrobiol,1977,80:147-159.

[14]KEMP M C.Assessmentand enhancement ofnitrogen transformation and removal in a subsurface flow constructed wetlands system treating municipalwastewater[D].Tennessee:Tennessee Technological University,1995.

[15]BEROUNSKY V,NIXON S.Temperature and the annual cycle of nitrification in waters of Narragansett Bay[J].Limnol Oceanogr,1990,35:1610-1617.

[16]REDDY K R.Fate of nitrogen and phosphorus in a wastewater retention reservoir containing aquatic macrophytes[J].J Environ Qual,1983,12:137-141.

[17]GUMBRICHT T.Nutrient removal processes in freshwater submersed macrophyte systems[J].Ecol Eng,1993,2:1-30.

[18]GUMBRICHT T.Nutrient removal capacity in submersed macrophyte pond systems in a temperate climate[J].Ecol Eng,1993,2:49-61.

[19]劉軍,潘登,王斌,等.SBR工藝中DO和C/N比對同步硝化反硝化的影響[J].北京工商大學學報:自然科學版,2003,21(2):7-10.

Effects of immobilized photosynthetic bacteria on eutrophic water

CHANG Hui-qing,WANG Shi-huang,KOU Tai-ji
(College of Agriculture,Henan University Science and Technology,Luoyang471003,China)

In order to find a feasible biotechnology to remediate eutrophic water,an experiment of treating the artificial eutrophic water with immobilized photosynthetic bacteria was carried out.The results showed that the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could reduce the nutrients in water effectively.The removal rates of TN,NH4-N,NO3-N,TP,and COD were 65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,and 78.06%,respectively,after 19 days of treatment.Furthermore,immobilized photosynthetic bacteria inhibited algae growth in the water.The inoculation of immobilized photosynthetic bacteria also increased DO,pH value,the rate of nitrification,and the number of photosynthetic bacteria,and the change of all these factors had an impact on nutrient removal efficiency in water.Therefore,the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could achieve the goal of nutrient removal in the eutrophic water remediation.

eutrophication;immobilized photosynthetic bacteria;nutrient removal

X171

A

1004-6933(2010)03-0064-04

國家科技部中澳合作項目(國科外函[2002]168)

常會慶(1974—),男,山西太谷人,博士,研究方向為富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復機理。E-mail:hqchang@126.com

2008-12-05 編輯:高建群)