2種微藻對(duì)養(yǎng)殖水體中氨氮和亞硝態(tài)氮的凈化作用

劉 盼，賈成霞，楊 慕，曲疆奇，張 楠，張清靖

( 1.北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所， 漁業(yè)生物技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068；2.農(nóng)業(yè)部北方地區(qū)漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，北京 100068 )

集約化養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，而水體污染已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。養(yǎng)殖過(guò)程中的排泄物、殘餌以及用藥等，都會(huì)造成水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的富營(yíng)養(yǎng)化[1]。其中氨氮(NH4+-N)和亞硝態(tài)氮(NO2--N)是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖水體健康的主要含氮污染物[2-4]。水體中的NH4+-N可在一定條件下轉(zhuǎn)化為NO2--N，而NO2--N是強(qiáng)氧化劑，可導(dǎo)致低氧血癥，使水產(chǎn)品的抗逆性下降[5-6]。目前治理水體富營(yíng)養(yǎng)化主要是利用水生植物吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽[7]，但在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中應(yīng)用較少。單細(xì)胞藻類(lèi)及高等水生植物生長(zhǎng)過(guò)程均需吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，起到一定的凈化水體作用，又可以實(shí)現(xiàn)水資源的再生利用[8]。近些年，有關(guān)藻類(lèi)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的去除作用已有報(bào)道。張繼平等[9]研究表明，當(dāng)NO2--N質(zhì)量濃度一定時(shí)，接種密度為2.0×104個(gè)/mL的小球藻(Chlorella)對(duì)水體中的NO2--N有較高的去除效果。黃翔鵠等[10]研究指出，當(dāng)牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)密度為0.6×108～1.0×108個(gè)/L時(shí)，水體中NH4+-N和NO2--N的去除率較高[10]。蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)不僅可作為水生經(jīng)濟(jì)動(dòng)物的優(yōu)質(zhì)天然餌料，還可吸收水中的氮、磷等元素，降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平，凈化水質(zhì)[11-12]。柵藻(Scenedesmus)是常見(jiàn)的浮游藻類(lèi)，其中斜生柵藻(S.obliquus)是綠球藻目中定形群體類(lèi)型的常見(jiàn)藻類(lèi)，也是富營(yíng)養(yǎng)化水體中甲型中污帶的指示種[13]。

實(shí)驗(yàn)室條件下，筆者模擬水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中NH4+-N和NO2--N質(zhì)量濃度，研究了蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NH4+-N和NO2-N的吸收速率和藻類(lèi)的生長(zhǎng)曲線(xiàn)，探討2種藻類(lèi)去除這2種營(yíng)養(yǎng)鹽的能力，為應(yīng)用生物控制技術(shù)調(diào)控水產(chǎn)養(yǎng)殖富營(yíng)養(yǎng)化水體水質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻種和培養(yǎng)基

蛋白核小球藻和斜生柵藻購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)，編號(hào)分別為FACHB-5和FACHB-12。

采用BG11培養(yǎng)基為基礎(chǔ)進(jìn)行培養(yǎng)，改變培養(yǎng)基中氮的含量，所有試劑均為分析純。

1.2 藻種的擴(kuò)繁

將蛋白核小球藻和斜生柵藻儲(chǔ)備培養(yǎng)物轉(zhuǎn)接在新鮮無(wú)菌的BG11培養(yǎng)基中，于溫度26 ℃、光照8000 lx、光暗比12 h∶12 h下培養(yǎng)，使藻類(lèi)在2～3 d達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后，再轉(zhuǎn)接到新鮮BG11培養(yǎng)基中達(dá)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，之后再次轉(zhuǎn)接到新鮮培養(yǎng)基，如此反復(fù)轉(zhuǎn)接培養(yǎng)2～3次，經(jīng)檢查2種藻類(lèi)生長(zhǎng)旺盛并處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后，用來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

將藻類(lèi)母液以8000 r/min離心10 min后，棄掉上清液，用無(wú)菌水反復(fù)洗滌3次，去除附著在藻類(lèi)表面的營(yíng)養(yǎng)鹽。試驗(yàn)開(kāi)始前先將藻類(lèi)在低質(zhì)量濃度營(yíng)養(yǎng)鹽(0.01 mg/L)培養(yǎng)基中馴養(yǎng)3 d。實(shí)際藻類(lèi)培養(yǎng)體積設(shè)為150 mL，藻體接種量為10%(體積比)，日搖瓶2次，錐形瓶隨機(jī)擺放，以減少光照度對(duì)藻類(lèi)生長(zhǎng)的影響。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)對(duì)藻類(lèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.3 兩種微藻對(duì)不同NH4+-N質(zhì)量濃度的去除率試驗(yàn)

將培養(yǎng)基中的硝酸鈉換為氯化銨，使NH4+-N質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)3個(gè)平行。未添加氯化銨組為空白對(duì)照組。

1.4 兩種藻類(lèi)對(duì)不同NO2--N質(zhì)量濃度的去除率試驗(yàn)

將培養(yǎng)基中的硝酸鈉更換為亞硝酸鈉，使NO2--N質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)3個(gè)平行。未添加亞硝酸鈉組為空白對(duì)照組。

每隔2 d測(cè)定藻細(xì)胞密度及NH4+-N和NO2--N質(zhì)量濃度。數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。試驗(yàn)結(jié)果中的去除率均為已扣除空白對(duì)照組的數(shù)據(jù)。

2 結(jié) 果

2.1 蛋白核小球藻對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除效率

在5個(gè)NH4+-N質(zhì)量濃度試驗(yàn)組中，試驗(yàn)開(kāi)始4 d，去除率曲線(xiàn)的斜率最大，說(shuō)明蛋白核小球藻吸收NH4+-N的能力急速增強(qiáng)。隨著試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，蛋白核小球藻對(duì)NH4+-N的去除率逐漸增加。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，自試驗(yàn)開(kāi)始8 d至試驗(yàn)結(jié)束，蛋白核小球藻對(duì)NH4+-N 8 mg/L組的降解效果顯著高于0.5 mg/L組的降解效果(P<0.05)，而4、2 mg/L和1 mg/L組間則差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明蛋白核小球藻在高NH4+-N質(zhì)量濃度水體下更能發(fā)揮其吸收能力(圖1)。

與NH4+-N組類(lèi)似，在5個(gè)試驗(yàn)組別中，隨著培養(yǎng)基NO2--N質(zhì)量濃度增高，蛋白核小球藻對(duì)NO2--N的去除率逐漸增大。自試驗(yàn)開(kāi)始第6 d，蛋白核小球藻對(duì)NO2--N 8 mg/L組的去除效果顯著高于4、2、1、0.5 mg/L(P<0.05)組，而NO2--N 4、2、1、0.5 mg/L組間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖1 蛋白核小球藻對(duì)NH4+-N的去除率

圖2 蛋白核小球藻對(duì)NO2--N的去除率

2.2 斜生柵藻對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除效率

斜生柵藻對(duì)NH4+-N的去除效率見(jiàn)圖3。14 d時(shí)5個(gè)試驗(yàn)組斜生柵藻對(duì)NH4+-N的去除率為54%～87%。斜生柵藻自試驗(yàn)開(kāi)始的第3～4 d開(kāi)始吸收NH4+-N，NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的去除率最高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，斜生柵藻對(duì)NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的去除效果顯著高于1 mg/L組和0.5 mg/L組(P<0.05)，而NH4+-N 4 mg/L組與2 mg/L組組間則差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明斜生柵藻對(duì)NH4+-N 2 mg/L和4 mg/L組具有比較高的去除率。

斜生柵藻對(duì)NO2--N的去除效率見(jiàn)圖4。14 d時(shí)5個(gè)試驗(yàn)組對(duì)NO2--N的去除率為52%～83%，其中去除效率最高的是NO2--N 0.5 mg/L組，其去除率達(dá)83.75%。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，斜生柵藻對(duì)NO2--N 0.5 mg/L組的去除效果顯著高于8 mg/L組(P<0.05)，而NO2--N 4 mg/L組、2 mg/L組和1 mg/L組組間差異不顯著(P>0.05)。這說(shuō)明斜生柵藻在NO2--N 0.5 mg/L時(shí)能較好地發(fā)揮作用。

2.3 蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NH4+-N和NO2--N去除率的比較

蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NH4+-N的去除效率比較見(jiàn)圖5、圖6(同一試驗(yàn)組內(nèi)，a、b示差異顯著，a、a示差異不顯著)。在NH4+-N 4 mg/L時(shí)，斜生柵藻的去除率顯著高于蛋白核小球藻(P<0.05)；而在NH4+-N 8 mg/L組中，蛋白核小球藻對(duì)NH4+-N的去除率又顯著高于斜生柵藻(P<0.05)；在其余3個(gè)NH4+-N質(zhì)量濃度(2、1、0.5 mg/L)下，2種藻類(lèi)對(duì)NH4+-N的去除率差異并不顯著(P>0.05)。

在NO2--N 8 mg/L組和NO2--N 0.5 mg/L組中，蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NO2--N的去除率差異極顯著(P<0.01)；而在NO2--N 2 mg/L組，2種藻類(lèi)的去除率則差異不顯著(P>0.05)。

圖3 斜生柵藻對(duì)NH4+-N的去除率

圖4 斜生柵藻對(duì)NO2--N的去除率

圖5 蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NH4+-N去除率的比較

圖6 蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)NO2--N去除率的比較

2.4 蛋白核小球藻細(xì)胞密度的變化

蛋白核小球藻在5個(gè)NH4+-N質(zhì)量濃度試驗(yàn)組中的細(xì)胞密度變化見(jiàn)圖7。自試驗(yàn)開(kāi)始約第4 d，蛋白核小球藻迅速增殖，之后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)期；隨著NH4+-N質(zhì)量濃度降低，蛋白核小球藻的密度也逐漸減小。至14 d結(jié)束，NH4+-N 8 mg/L組蛋白核小球藻密度顯著高于0.5 mg/L組(P<0.05)，其細(xì)胞密度分別達(dá)到15.33×106個(gè)/L和3.67×106個(gè)/L。說(shuō)明蛋白核小球藻在高質(zhì)量濃度NH4+-N環(huán)境下更易增殖。

蛋白核小球藻在5個(gè)NO2--N質(zhì)量濃度試驗(yàn)組中的細(xì)胞密度變化見(jiàn)圖8。與NH4+-N試驗(yàn)組類(lèi)似，自試驗(yàn)開(kāi)始第4 d，蛋白核小球藻開(kāi)始迅速增殖，之后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的增殖期。至14 d，NO2--N 8 mg/L組和4 mg/L組蛋白核小球藻的細(xì)胞密度顯著高于1 mg/L組和0.5 mg/L組(P<0.05)，而NO2--N 8 mg/L組、 4 mg/L組與1 mg/L組、0.5 mg/L組組間差異不顯著(P>0.05)。

圖7 NH4+-N試驗(yàn)組中蛋白核小球藻的密度變化

圖8 NO2--N試驗(yàn)組中蛋白核小球藻的密度變化

2.5 斜生柵藻的細(xì)胞密度變化

斜生柵藻自試驗(yàn)開(kāi)始第3～4 d增殖速率遞增，與蛋白核小球藻試驗(yàn)組不同的是，NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的斜生柵藻細(xì)胞密度顯著高于8 mg/L組、 1 mg/L組和0.5 mg/組(P<0.05)；但是NH4+-N 4 mg/L組與2 mg/L組間及1 mg/L組、0.5 mg/L組間則差異不顯著(P>0.05)(圖9)。

與斜生柵藻細(xì)胞密度隨NO2--N質(zhì)量濃度的增大而減小。至14 d結(jié)束，NO2--N 0.5 mg/L組的細(xì)胞密度顯著高于8 mg/L組，其數(shù)量分別為10.26×106個(gè)/L和3.51×106個(gè)/L； NO2--N 1.0 mg/L組、2.0 mg/L組、4.0 mg/L組的斜生柵藻細(xì)胞密度則差異不顯著(P>0.05)(圖10)。

圖9 NH4+-N試驗(yàn)組中斜生柵藻的密度變化

圖10 NO2--N試驗(yàn)組中斜生柵藻的密度變化

3 討 論

3.1 藻類(lèi)去除不同形態(tài)氮的機(jī)理

藻類(lèi)去除水產(chǎn)養(yǎng)殖富營(yíng)養(yǎng)化水體中不同形態(tài)氮的機(jī)理分為兩種，一種是直接作用，即在自然光照條件下，藻類(lèi)以CO2或有機(jī)碳為碳源，主動(dòng)消耗水中的含氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)的需要，同時(shí)釋放氧氣，增加水體中的溶解氧質(zhì)量濃度，提高水體質(zhì)量。因此，藻類(lèi)的生長(zhǎng)特性很大程度上決定了去除水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的效率。另外一種為間接的物理化學(xué)作用，即當(dāng)藻類(lèi)在富營(yíng)養(yǎng)化水體中生長(zhǎng)繁殖迅速時(shí)，消耗水體中的H+，使得水體中pH增高而呈弱堿性，弱堿性的水環(huán)境有利于促進(jìn)氨的揮發(fā)，達(dá)到去除水體中含氮營(yíng)養(yǎng)物的效果[14-15]。

3.2 2種微藻的生長(zhǎng)曲線(xiàn)與對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除關(guān)系

本試驗(yàn)結(jié)果表明，蛋白核小球藻和斜生柵藻對(duì)不同質(zhì)量濃度的NH4+-N和NO2--N均有較強(qiáng)的去除能力，但優(yōu)勢(shì)各有不同。在NH4+-N 8 mg/L和NO2--N 8 mg/L試驗(yàn)組下，蛋白核小球藻繁殖更為迅速，去除效果也最強(qiáng)。這與宋培學(xué)等[16]的研究結(jié)果相似。培養(yǎng)前4 d是蛋白核小球藻生長(zhǎng)的適應(yīng)期，溶液中的NH4+-N和NO2--N質(zhì)量濃度變化較小，培養(yǎng)至第4 d后，蛋白核小球藻開(kāi)始進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，NH4+-N和NO2--N的質(zhì)量濃度下降幅度最大。而到試驗(yàn)的第8 d，蛋白核小球藻的生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，對(duì)NH4+-N和NO2--N的去除也呈平穩(wěn)趨勢(shì)。各營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度中蛋白核小球藻的去除率趨勢(shì)大體相同，最終去除NH4+-N和NO2--N的量隨小球藻數(shù)量的增加而增加。斜生柵藻在NH4+-N試驗(yàn)組中培養(yǎng)到約第5 d進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，但與蛋白核小球藻不同的是，斜生柵藻對(duì)NH4+-N的去除率最高為2 mg/L和4 mg/L試驗(yàn)組；在NO2--N試驗(yàn)組中，去除率最高的為0.5 mg/L試驗(yàn)組。斜生柵藻的細(xì)胞密度隨NO2--N質(zhì)量濃度增大而減小，表明低NO2--N質(zhì)量濃度對(duì)斜生柵藻有一定的促進(jìn)作用。隨著NO2--N質(zhì)量濃度的增大，對(duì)斜生柵藻的生長(zhǎng)有一定的抑制作用。這一研究結(jié)果與報(bào)道的低于2.0 mg/L的NO2--N能夠促進(jìn)四尾柵藻(S.quadricanda)的生長(zhǎng)的研究結(jié)果[2]相似。

3.3 應(yīng)用2種微藻凈化水質(zhì)的注意事項(xiàng)

藻類(lèi)的生長(zhǎng)過(guò)程表明，蛋白核小球藻和斜生柵藻多在培養(yǎng)4～5 d 后，進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，對(duì)水體中NH4+-N和NO2--N的利用較好。在生產(chǎn)中，可以將培養(yǎng)4 d的蛋白核小球藻和斜生柵藻作為水質(zhì)改良劑使用，來(lái)降低水環(huán)境中NH4+-N和NO2--N的含量。蛋白核小球藻和斜生柵藻來(lái)源廣，生長(zhǎng)繁殖迅速，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力強(qiáng)，易培養(yǎng)，能釋放氧氣、降低水體富營(yíng)養(yǎng)化，保持良好的水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)廢水資源的再生利用。在適宜的條件下還可獲得生物柴油、蛋白質(zhì)等高附加值產(chǎn)品[17]，具有良好的應(yīng)用前景。但要注意藻類(lèi)在吸收水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的同時(shí)，也代謝出一些自身代謝產(chǎn)物，對(duì)水體產(chǎn)生一定影響。因此，應(yīng)根據(jù)水體中具體富營(yíng)養(yǎng)化程度，接種或培養(yǎng)適宜密度的藻類(lèi)，既提高對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率，又避免水體的二次污染。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖富營(yíng)養(yǎng)化水體中增殖蛋白核小球藻或斜生柵藻是一種簡(jiǎn)便又行之有效的方法，通過(guò)控制藻體密度，提高藻去除水體中NH4+-N和NO2--N的效率，從而達(dá)到凈化水體的目的。

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