光強對菌藻共生生物膜群落結(jié)構(gòu)的影響

朱 林，車 軒，曾憲磊，劉興國，劉 晃，王小冬，陳芳旭，黃 達

（中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點試驗室，上海200092）

隨著我國現(xiàn)代經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口劇增，水體污染、富營養(yǎng)化已成為我國最為關(guān)注的環(huán)境問題之一[1]。當前國內(nèi)在污水處理技術(shù)方面普遍存在耗能高、成本高、占地大等一系列問題，傳統(tǒng)的物理處理法效率低、處理不徹底且能耗較大；化學處理使用的試劑一般具有毒性，會對環(huán)境造成二次污染。生物處理法因其符合經(jīng)濟節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的宗旨，成為近年來的發(fā)展趨勢[2]。

淡水藻類是一種很早以前就在地球上生存的生物，在上億年的生物進化演變中，淡水藻類的基本功能沒有發(fā)生改變，其以水、陽光和二氧化碳為初始養(yǎng)分，利用氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，通過光合作用來合成自身生長所需要的有機物質(zhì)，因此，淡水藻類是水體的初級生產(chǎn)者，在有光的情況下對水體中的重金屬及有機物有吸收富集的作用[3-4]。細菌是一種沒有真正細胞核的原核生物，廣泛分布于土壤和水中，與其他生物共生，它們起到將自然界中的各種有機物分解成無機物的作用，又能合成有機物[5]。細菌中一大類好氧菌在自然界的物質(zhì)循環(huán)中的地位無可替代。菌藻的有效結(jié)合符合自然生態(tài)原則，可以促進有效的N循環(huán)，不會引起二次污染，還具有保護環(huán)境的積極作用[6-7]。

菌藻共生系統(tǒng)不僅能夠吸收空氣中的CO2，還能利用藻類和細菌兩類生物之間的生理功能協(xié)同作用來凈化污水的生態(tài)系統(tǒng)[8]。微藻和菌類之間的相互關(guān)系可提高微藻生物量，促進脂質(zhì)和糖類等化合物的生產(chǎn)。與微藻共培養(yǎng)的菌體能為微藻生長提供維生素及鐵載體等，降低微藻生物量積累的成本。在污水處理中，藻類通過光合作用吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，菌利用植物光合作用產(chǎn)生的O2，降解有機物，菌藻共生系統(tǒng)能高效去除污水中的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬及抗生素等，因而在污水處理領(lǐng)域日益受到廣泛的關(guān)注[9]。

因菌藻共生生物膜細菌群落組成對生物修復作用效率具有重要影響。本試驗構(gòu)建了3組生物膜反應器，設(shè)置不同的光照強度，對3組菌藻共生生物膜的水質(zhì)數(shù)據(jù)及細菌群落進行監(jiān)測和分析，以期為菌藻關(guān)系研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗系統(tǒng)構(gòu)建

生物膜反應器如圖1所示，面積0.5 m2（長1 m，寬0.5 m），水層厚度2 cm，由6 mm厚的PVC板制成。生物膜反應器上方30 cm設(shè)置5個日光燈（光照強度0～8 000 lx，可調(diào)）。對照組、1#試驗組及2#試驗組光照強度依次設(shè)置為0，4 750，7 580 lx，反應器前設(shè)置容積100 L的進水池，由水泵驅(qū)動進水，流量5 L/h，水力停留時間2 h，每組3個重復。

1.2 反應器接種和硝化功能構(gòu)建

試驗采用人工配水進行反應器硝化功能構(gòu)建，廢水營養(yǎng)鹽成分列于表1。

表1 廢水營養(yǎng)鹽成分

系統(tǒng)啟動后，進行微藻和細菌接種。微藻接種液為淡水池塘養(yǎng)殖水，接種量100 mL，細菌接種液為淡水養(yǎng)殖池塘底泥，接種量5 g。每2 d取水樣檢測水質(zhì)指標，當氨氮降為0 mg/L后投加NH4Cl，投加之后馬上測量理化數(shù)據(jù)。使用水質(zhì)多參數(shù)分析儀（YSI6920）測定水體理化特征，主要包括水溫、pH值、溶氧（DO）、氧化還原電位及葉綠素濃度，在復旦大學先進材料實驗室進行菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌藻共生生物膜細菌群落環(huán)境因子分析

由圖2可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均水溫分別為（24.9±0.2），（24.9±0.3），（25±0.2）℃，整個試驗過程中基本保持穩(wěn)定。由圖3可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均pH值分別為 6.07±0.99，6.42±0.76，6.70±0.68，其中，對照組及1#試驗組隨著試驗進行，pH值均呈現(xiàn)下降的趨勢，2#試驗組隨著試驗進行，pH值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。由圖4可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均溶解氧質(zhì)量濃度分別為（6.15±1.21），（6.8±0.92），（7.14±0.68）mg/L，對照組呈現(xiàn)下降的趨勢，1#試驗組及2#試驗組溶解氧質(zhì)量濃度基本保持穩(wěn)定。由圖5可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均葉綠素質(zhì)量濃度分別為（0.71±0.42），（5.25±2.36），（235.12±86.06）μg/L。

2.2 菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察

菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察顯示，在10 μm水平上，1#試驗組和2#試驗組均觀察到藻類細胞，其中，1#試驗組藻類形狀為正圓形和橢圓形（圖6），2#試驗組藻類形狀為橢圓形和長扁圓形（圖7），對照組沒有觀察到藻類細胞（圖8），對照組、1#試驗組及2#試驗組均觀察到細菌，說明有光照的情況下菌藻共生生物膜才能形成。

3 結(jié)論與討論

藻類和細菌是水生態(tài)系統(tǒng)和氧化塘系統(tǒng)中兩類有密切關(guān)系的生物，它們在水體的物質(zhì)循環(huán)和污水凈化中都起著非常重要的作用[10]。微藻可對重金屬和造成水體富營養(yǎng)化的營養(yǎng)物等進行有效地去除[11]，細菌、真菌等微生物可降解大分子有機物、氨氮等。將兩類生物的功能結(jié)合起來，就形成了復雜的菌藻共生系統(tǒng)[12]。光照是藻類進行光合作用的必要條件，在一定光強范圍內(nèi)，光合作用速率隨光強的增加而增加[13]，這可能是導致對照組菌藻共生生物膜葉綠素質(zhì)量濃度隨著試驗的進行越來越低，1#試驗組的葉綠素質(zhì)量濃度比2#試驗組低的重要原因；另一方面，藻類和細菌等微生物之間存在復雜的相互關(guān)系，它們可能競爭環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)而相互抑制，也可能相互利用與促進，甚至可能相互依賴形成復雜的共生系統(tǒng)，微藻利用CO2和廢水中的碳酸鹽物質(zhì)，將細菌產(chǎn)生的無機物通過光合作用轉(zhuǎn)化為有機物儲存在細胞內(nèi)，同時釋放出氧氣，增加水中的溶氧量，營造好氧環(huán)境，進而促進好氧細菌和真菌的生長繁殖[14]，所以，菌藻共生生物膜溶解氧質(zhì)量濃度為對照組低于1#試驗組，1#試驗組低于2#試驗組。

由于CO2的過度消耗和微藻的嗜堿特性[15]，單藻系統(tǒng)的pH通常達到9以上，然而過高的pH會抑制一般微生物的生長且不利于水的再利用[16]，額外添加化學試劑，或者通過曝氣、通入CO2等手段調(diào)節(jié)pH不僅增加經(jīng)濟成本，而且還增加了環(huán)境成本[17-18]。菌藻共生系統(tǒng)可以解決這個問題，有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH至微堿性，微藻進行光合作用需要利用CO2和廢水中的硝酸鹽物質(zhì)[19]，對照組及1#試驗組隨著試驗的進行，pH值均呈現(xiàn)下降的趨勢，2#試驗組隨著試驗的進行，pH值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，設(shè)置光照強度越大，試驗過程中pH值平均值越高，通過電鏡觀察得出1#試驗組及2#試驗組有藻類細胞，對照組沒有藻類細胞，藻類進行光合作用需要消耗CO2，且對照組、1#試驗組及2#試驗組平均水溫基本持平，都在25℃左右，是藻類進行光合作用的適宜溫度[20-21]，所以，1#試驗組的平均pH值高于對照組，而2#試驗組的平均光照強度高于1#試驗組，藻類細胞密度也更高，平均pH值更高。