比較兩種不同藻類處理稻田水的效果差異

楊澤琨 張佺興 楊雪凌 楊 虹

（廣東省實驗中學(xué) 廣東 廣州 510375）

0 前言

藻類是一類生活于水體中的微小植物，能夠在生長過程中吸收水體中的營養(yǎng)鹽。藻類是低等生物，具有以下特征：個體差異大，絕大多數(shù)是自養(yǎng)原殖體，無不育細(xì)胞存在。這些特征決定它在污水凈化方面具有以下功能：首先，藻類與好氧細(xì)菌形成藻菌共生系統(tǒng)，促進(jìn)對污水中有機(jī)物的氧化分解。其次，藻類吸收污水中的氯、磷，合成自身需要的有機(jī)物，顯著降低污水中氨磷的限度。再者，藻類的富集作用可用于清除污水中有毒重金屬離子和放射性元素，或回收貴重金屬離子和微量元素。此外，藻類本身也可以作為肥料，餌料甚至食品或保健品加以利用，成本低廉且具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。

過度施肥是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)污染的最重要原因之一，這也往往導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢水中的氮、磷等營養(yǎng)元素含量過高，并隨著它們的排放進(jìn)而污染自然水域，從而引起水體潛在的富營養(yǎng)化風(fēng)險。在我國南方稻田隨處可見，而且稻田水往往與自然水體相通，因此氮、磷含量較高的稻田水排進(jìn)自然水體也是造成水域污染和引起富營養(yǎng)化的一個重要原因。

螺旋藻隸屬藍(lán)藻門，藍(lán)藻綱，藻殖段目，顫藻科，螺旋藻屬。有關(guān)螺旋藻的培養(yǎng)技術(shù)、應(yīng)用價值及商品化生產(chǎn)等問題國內(nèi)外已進(jìn)行大量研究，而直接利用生活污水培養(yǎng)，在國內(nèi)外尚少見報道生活污水不僅能培養(yǎng)營養(yǎng)價值較高的螺旋藻，且可利用該藻有效地去除污水中的氮，磷和有機(jī)質(zhì)，加上該藻藻絲大（300-500um），生長旺盛時成片上浮，易于采收，該藻又具廣鹽性，在淡水、海水中均可生長等優(yōu)點(diǎn)，可為防止污水排放而造成的富營養(yǎng)化超控制作用，當(dāng)然還需要在室外進(jìn)行現(xiàn)場驗證，并適當(dāng)進(jìn)行半人工生態(tài)調(diào)控。但用它們在稻田水中的生態(tài)作用還不夠明確，這方面的實驗也較少。

小球藻屬于綠藻門、綠藻綱、小球藻屬。目前世界上已知的小球藻有十幾種，加上它的變種可達(dá)數(shù)百種之多。由于小球藻生態(tài)分布廣，易于培養(yǎng)，生長速度快，是進(jìn)行生物技術(shù)研究的良好材料。小球藻也是水體中的初級生產(chǎn)者，營養(yǎng)價值較高，可作為魚類等水生動物的餌料，在污染物沿食物鏈傳遞的過程中起著重要作用。曾有研究肯定了藻類對污水中氮、磷等營養(yǎng)物的去除作用和效果。小球藻(ChloreaUa sorokiniana)除具備上述除氮磷能力外，還具備去除多種重金屬離子的能力。

因此本實驗選用了比較有代表性的常見絲狀藍(lán)藻——鈍頂螺旋藻和綠藻——小球藻作為試驗藻種。

1 材料與方法

1.1 稻田水

實驗所用稻田水采自陸豐地區(qū)一塊稻田表層。先在121度下滅菌煮沸30分鐘，使得較可能多的營養(yǎng)鹽得以溶解。冷卻后用普通定性濾紙過濾，除去明顯不能溶解的雜質(zhì)，供后續(xù)試驗使用。

1.2 藻種及培養(yǎng)

本試驗選取兩種具有代表性的常見藻——鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）和小球藻（Chlorella vulgaris），藻種來源于中科院武漢水生生物研究所藻種室，試驗在暨南大學(xué)水生所413實驗室進(jìn)行，得到了相關(guān)老師的指導(dǎo)和幫助

試驗正式開始前，先在恒溫光合培養(yǎng)箱中對藻種進(jìn)行了擴(kuò)大培養(yǎng)。試驗設(shè)置了六組四種處理，第一組：50mL螺旋藻藻液接種于盛有950mL自來水的大三角瓶中作為空白對照；第二組：50mL小球藻藻液接種于盛有950mL自來水的大三角瓶中，也作為空白對照；第三、四組：50mL螺旋藻藻液接種于盛有950mL處理后的稻田水的大三角瓶中；第五、六組50mL小球藻藻液接種于盛有950mL處理后的稻田水的大三角瓶中。六組大三角瓶均放在室內(nèi)窗口處進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)15天，并用簡易氣泵向瓶內(nèi)表層持續(xù)通氣，使得水體有一定晃動，瓶口再用棉塞封堵，防止試驗期間水分的過度蒸發(fā)。

1.3 測試方法

在接種后的第0、3、6、9、12、15天，將瓶能藻液搖勻后，每次用45um的濾膜抽濾100mL的藻液，過濾液用來測量正磷和硝氮的含量，濾膜收集在黑色封口袋中于冰箱中保存?zhèn)溆谩Ｕ缀拖醯臏y量方法分別采用國標(biāo)鉬酸比色法和鹽酸比色法。葉綠素在反復(fù)凍融后溶于丙酮，7000r/min下離心15min后進(jìn)行比色測量，最后計算葉綠素的含量。同時吸取0.1mL的各組藻液，在普通光學(xué)顯微鏡40*10倍下于0.1mL浮游植物計數(shù)框內(nèi)進(jìn)行，技術(shù)三次后求平均值，得到藻細(xì)胞的密度數(shù)量（個/mL）。

2 結(jié)果與討論

本試驗通過在實驗室條件下用過濾再經(jīng)高溫處理后的稻田水（采自粵東沿海稻田）中進(jìn)行培養(yǎng)，以自來水作為空白對照，同時予以通氣，模擬自然水體的不穩(wěn)定狀態(tài)，接種后連續(xù)培養(yǎng)15天，每隔三天取樣一次（共六次），測定水體中藻細(xì)胞數(shù)目、葉綠素含量、溶解態(tài)氮、磷的含量。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和處理，做出兩種藻在相通處理下的生長曲線、氮、磷的含量變化以及葉綠素含量的變化曲線。

2.1 藻細(xì)胞密度數(shù)量隨培養(yǎng)時間的變化

從圖1藻細(xì)胞密度數(shù)量隨培養(yǎng)時間的變化來看，前3天各個處理組中，除了培養(yǎng)于自來水中的螺旋藻細(xì)胞數(shù)目下降外，其他都上升，且均為培養(yǎng)瓶中的優(yōu)勢種，沒有明顯的其他藻類的出現(xiàn)，但小球藻的數(shù)目增加得更快，。推測可能是由于鈍頂螺旋藻在該條件下的適應(yīng)力不如小球藻，加上自來水中營養(yǎng)偏低，因而在低濃度營養(yǎng)狀況的自來水中螺旋藻細(xì)胞數(shù)目最先下降。

圖1 藻細(xì)胞密度數(shù)量隨培養(yǎng)時間的變化

3-9天內(nèi)，四組處理中的藻類數(shù)量都開始下降，這應(yīng)該是和種內(nèi)和種間競爭的加劇有關(guān)，另外在第六天各組處理中均發(fā)現(xiàn)了少量的其他藻，但優(yōu)勢種并沒有改變。但在第12天的觀測中發(fā)現(xiàn)，各優(yōu)勢種的數(shù)量進(jìn)一步減少，在多種藻共同生長的情況下，小球藻和螺旋藻的數(shù)量逐漸大幅下降。第15天的觀察發(fā)現(xiàn)，小球藻和螺旋藻在培養(yǎng)液中的數(shù)量優(yōu)勢已不明顯，其它諸如衣藻、柵藻等開始豐富起來，而螺旋藻更是大為減少，比小球藻的密度數(shù)量還低。這表明了在自然狀態(tài)不加人為干擾的情況下，小球藻和螺旋藻較難以成為優(yōu)勢群體。

2.2 硝氮濃度隨時間的變化

表1 硝氮濃度隨時間的變化（紅色數(shù)字表示各處理前期最大和最小濃度）

由表1可以計算出，前期各個不同處理中，由于前9天內(nèi)，各個處理的優(yōu)勢種還未改變，自來水螺旋藻、自來水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻處理組中，對硝氮的吸收效率分別為24.45%、17.10%、24.00%、34.27%，相差不是很大。后面的9-15天里，自來水中培養(yǎng)的螺旋藻和小球藻濃度變化趨勢基本一致，但稻田水培養(yǎng)的螺旋藻和小球藻濃度變化也基本一致，但發(fā)現(xiàn)有小球藻存在的處理中，硝氮含量更低，這也間接反映了在高濃度情況下，小球藻對硝氮的吸收能力比螺旋藻強(qiáng)。

如圖2所示，不同處理組中，開始的0-9天里，藻液中的硝氮濃度是逐漸降低的，用稻田水培養(yǎng)小球藻的瓶中硝氮濃度降到最低值的時間最快，而且最低值比稻田水培養(yǎng)螺旋藻的處理組低，由表1可以得到，前者對硝氮的最高吸收效率達(dá)到34.27%，后者僅有24.00%，這表明小球藻具有比鈍頂螺旋藻更快更強(qiáng)的吸收硝氮的能力。用自來水培養(yǎng)的各瓶中由于本身硝氮濃度較前者低，硝氮濃度的最低值也低，但通過觀察也發(fā)現(xiàn)，前3天小球藻對氮的吸收更快一些。

圖2 硝氮濃度隨培養(yǎng)時間的變化

當(dāng)各組優(yōu)勢種細(xì)胞數(shù)目開始下降時，硝氮的濃度有所上升，可能與微生物的分解作用有關(guān)，此外也可能是由于細(xì)胞裂解造成的貯存于原細(xì)胞中的營養(yǎng)鹽的釋放。當(dāng)9天以后，其他藻生長起來以后，原優(yōu)勢種逐漸失去了優(yōu)勢地位，導(dǎo)致了液體中硝氮濃度有所上升，但在有小球藻存在的處理組中，硝氮的濃度始終低于螺旋藻處理組。這也間接證明了小球藻比螺旋藻有更強(qiáng)的吸收氮的能力。推測如果延長培養(yǎng)時間，當(dāng)培養(yǎng)瓶內(nèi)各種藻類達(dá)到競爭平衡狀態(tài)時，硝氮的含量會維持在一定水平。

2.3 正磷濃度隨培養(yǎng)時間的變化

表2 正磷濃度隨培養(yǎng)時間的變化（紅色數(shù)字表示各處理前期最大和最小濃度）

由表2的數(shù)值可以看出，前期各個不同處理中，由于前9天內(nèi)，個優(yōu)勢種還未改變，自來水螺旋藻、自來水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻處理組中，對正磷的吸收效率分別為50.51%、44.30%、18.70%%、93.87%，高濃度下兩種藻對磷的吸收率相差較大，低濃度下相差不大。后面的9-15天里，小球藻和螺旋藻在各個處理中已經(jīng)不占優(yōu)勢地位，其他藻開始生長起來，此后個處理組中正磷的含量有所回升，這應(yīng)該與螺旋藻和小球藻死亡后把體內(nèi)的磷釋放出來有關(guān)。

由圖3可發(fā)現(xiàn)，不同處理下，開始的0-3天里，加入小球藻的瓶中P濃度急劇降低，幾乎達(dá)到零，這和小球藻具有儲磷機(jī)制相吻合，但加入螺旋藻的瓶中P濃度下降得較緩慢。由表2可以得到前者對磷的吸收率高達(dá)93.87%，后者僅有18.70%，這說明小球藻比螺旋藻有更強(qiáng)的吸收磷的能力。第3天后發(fā)現(xiàn)兩種藻數(shù)量都開始下降，第6天時試驗中也出現(xiàn)了衰敗腐爛分解的跡象，因而加入小球藻的稻田水處理組磷濃度出現(xiàn)了回升。第6天后加入螺旋藻的稻田水處理組的磷濃度卻加速降低，但此時螺旋藻已經(jīng)不占優(yōu)勢，但綠素含量持續(xù)增加，這只能是因為其它藻的作用下吸收了大量的磷，表明螺旋藻高濃度下吸收磷的能力較差，甚至不如其他藻類的綜合作用。推測如果延長培養(yǎng)時間，當(dāng)培養(yǎng)瓶內(nèi)各種藻類達(dá)到競爭平衡狀態(tài)時，正磷的含量會維持在一定水平。

圖3 正磷濃度隨培養(yǎng)時間的變化

第9天以后，小球藻的優(yōu)勢作用減弱，其他藻逐漸也生長起來，磷濃度有所回升，但由于小球藻已不處于絕對優(yōu)勢地位，磷濃度僅維持在0.13mg/L左右。加入螺旋藻的瓶中P濃度下降開始6天較緩慢，后來6天在其他藻的作用下加快，在第12天時磷濃度達(dá)到最低。這說明螺旋藻的儲磷機(jī)制相對其它藻較弱，而第15天后時，螺旋藻數(shù)量進(jìn)一步減少，可能是它的分解釋放作用，又致使水中P含量稍有上升。

2.4 葉綠素a含量隨培養(yǎng)時間的變化

通常，可以用水體中葉綠素a的多寡來反映水體浮游藻類的生物量，試驗條件下二者有較好的正相關(guān)性，本試驗中也采取了測量葉綠素含量的方法。

圖4 葉綠素隨培養(yǎng)時間的變化

由圖4可看到，接種后，培養(yǎng)在自來水中的螺旋藻在前3天生物量下降很快，而小球藻生物量卻增加較多，這表明在低營養(yǎng)條件下，小球藻較螺旋藻在該實驗條件下具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。而培養(yǎng)在稻田水中的螺旋藻前三天生物量稍有下降，小球藻則很快就適應(yīng)了環(huán)境增長迅速。3-9天中，培養(yǎng)在自來水中的螺旋藻生物量經(jīng)歷了緩慢降低后又緩慢增加的過程，培養(yǎng)在自來水中的小球藻而則與之相反，先升高后降低，且生物量與稻田水培養(yǎng)組比較相差很大，這主要與二者的營養(yǎng)狀況不同有關(guān)。培養(yǎng)在稻田水中的螺旋藻生物量逐漸增大，小球藻的生物量則可能是進(jìn)入穩(wěn)定期含量變化不大。9-15天時間段里，一方面由于其他藻類開始生長起來，競爭加劇導(dǎo)致原來接種的藻類在各自三角瓶中的數(shù)量優(yōu)勢逐漸降低，但總的生物量開始增多，螺旋藻和小球藻在各處理組中都已不占優(yōu)勢了。培養(yǎng)在自來水中的藻類生物量明顯低于培養(yǎng)在稻田水中的，這是由于前者水體中的營養(yǎng)比后者低。

3 結(jié)論

通過實驗過程中，對藻細(xì)胞數(shù)、硝氮、正磷及葉綠素含量的測定分析，得到以下結(jié)論：

1）由試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該實驗條件下，無論是在中低濃度還是高濃度的水體中，小球藻的適應(yīng)性和競爭力都要比螺旋藻的強(qiáng)，但在模擬野外環(huán)境下，二者難以長久保持成為優(yōu)勢種。2）小球藻在該批稻田水中具有更強(qiáng)的儲氮和儲磷能力，對二者的最高吸收率分別為34.27%和93.87%，尤其是對磷的消除效率極高，在小球藻占絕對優(yōu)勢時，幾乎能吸收水體中全部的P于自身體內(nèi)，但也會隨著自身的分解而把磷再次釋放到水體中；而在低濃度氮、磷情況下，二者的吸收效率相差不大。3）小球藻在水體中越占優(yōu)勢，水體中的氮、磷含量降低得越多，因而它在消除稻田水中過多氮、磷有潛在的應(yīng)用價值。4）高濃度下，鈍螺旋藻對磷的吸收效果并不如預(yù)期的那么好，甚至還要弱于其他藻類的綜合作用，這與以往文獻(xiàn)得到的結(jié)論不同，可能與試驗選用的藻種或該批稻田水的某種未知性質(zhì)有關(guān)。5）稻田廢水有潛在的利用價值，可以用于培養(yǎng)藻類（如小球藻）后再排放，以達(dá)到資源的充分利用和保護(hù)環(huán)境的目的。

但由于自然和野外環(huán)境條件下，小球藻受到其他藻類和環(huán)境條件的限制，不易成為絕對優(yōu)勢種，這對它發(fā)揮該作用不利。所以，在稻田水中如何采取適當(dāng)措施使小球藻成為優(yōu)勢種，這是一個值得研究的問題，解決該問題后利用稻田廢水培養(yǎng)小球藻，有助于小球藻產(chǎn)業(yè)中降低生產(chǎn)成本和水環(huán)境保護(hù)，達(dá)到一舉兩得的效果。

4 致謝

本試驗在暨南大學(xué)水生生物研究所實驗室進(jìn)行，得到了胡韌、彭亮老師等的指導(dǎo)和建議。試驗過程中在黃享輝研究生的幫助下，順利學(xué)習(xí)和完成了試驗中的各項實驗技能和報告的撰寫。在此，一并表示感謝！

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