磷受控對釀酒廢水-微藻培育耦合體系的影響

余 江 ，陶紅群 ，王亞婷 ，王藝蒸 ，彭煒東 ，冉宗信 ，賀玉龍

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院，四川 成都 610065；3.成都市環(huán)境保護科學(xué)研究院，四川 成都 610072）

藻類生物含有豐富的營養(yǎng)成分，在食品、飼料、水產(chǎn)餌料、化工醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的市場價值，藻類的開發(fā)利用已受到世界各國的普遍重視，藻類養(yǎng)殖與資源化利用也已成為一個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè).然而目前在微藻培育方面所面臨的主要問題包括藻種篩選、水資源占有和運行成本偏高等.因此如何在資源可持續(xù)利用的目標(biāo)下，解決廢水處理和能源開發(fā)是當(dāng)前我們環(huán)保行業(yè)所需實現(xiàn)的重要課題.研究表明，以廢水為培養(yǎng)基培養(yǎng)高附加值微藻的關(guān)鍵和前提是優(yōu)良藻種的獲取[1].

磷作為植物三大必須元素之一，參與植物生長發(fā)育的全過程及各種代謝活動，在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、物質(zhì)代謝以及信號傳導(dǎo)、光合作用等方面都起著極為重要的作用[2-3].研究表明微藻吸收磷主要有兩種方式，第一種方式是在有氧條件下直接吸收磷酸鹽，將其轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）和磷脂等；第二種方式主要是通過微藻生長形成的堿性環(huán)境，磷酸根與環(huán)境中的鈣、鎂等離子形成沉淀，去除培養(yǎng)液中的總磷.有學(xué)者曾指出，當(dāng)處于缺磷情況時，微藻由于細(xì)胞中磷濃度降低，會引起卡爾文（Calvin）循環(huán)效率下降、光合磷酸化水平下降、ATP合成減少等情況，從而降低細(xì)胞代謝活性、減弱其對外界脅迫的適應(yīng)能力，繼而影響微藻的生長[4-6].在一定濃度范圍內(nèi)，微藻生長與磷濃度呈正相關(guān)，但當(dāng)環(huán)境中磷濃度過高時，環(huán)境中氮磷比會發(fā)生劇烈變化，細(xì)胞的生長反而會受到抑制[7].近年來，有關(guān)微藻在不同類型廢水中的特性研究較少[8-10].本研究采用控制變量法對釀酒廢水的總磷濃度進行調(diào)控，觀察萊茵衣藻和二形柵藻在單一培養(yǎng)和共培養(yǎng)條件下的生長情況，以及對釀酒廢水中營養(yǎng)鹽的吸收去除效率和藻蛋白質(zhì)情況，篩選出在釀酒廢水下適合微藻生長的總磷濃度，對研究微藻與釀酒廢水的耦合培育體系具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 材料

實驗所用萊茵衣藻（Chlamydoomonas reinhardtii）和二形柵藻（scenedesmus dimorphus）均取自四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院藻類學(xué)藻種室.

1.2 釀酒廢水培養(yǎng)基

本實驗應(yīng)用的釀酒廢水取自四川省成都市雙流區(qū)黃甲鎮(zhèn)黃甲八仙酒廠出廠水，并用提前滅菌的聚乙烯桶取回.實驗前，為除去廢水中的懸浮物等物質(zhì)，對釀酒廢水進行多級施加皂土（250.00 ml 液體加入10.00 g 皂土），攪拌10 min、離心處理（4 800 r/min，10 min），調(diào)節(jié)pH 至中性，再將該廢水于121℃高壓滅菌30 min，殺死病原微生物，清除對微藻處理釀酒廢水效果的干擾，從而降低實驗誤差.待高壓滅菌鍋壓力表讀數(shù)降至零后，取出自然冷卻，放入4℃冰箱冷卻保存，備用.取一定體積未處理與已預(yù)處理的釀酒廢水，測定其基本理化指標(biāo)，釀酒廢水成分如表1所示.表中，COD 為化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand），TN 為總含氮量（total nitrogen），TP 為總含磷量（total phosphorus），V/V 為體積比.

表1 釀酒廢水成分組成Tab.1 Composition of winery wastewater

通過預(yù)實驗，采用不同稀釋倍數(shù)（0 倍：100%，V/V；2 倍：50%，V/V；4 倍：25%，V/V；8 倍：12.5%，V/V）的釀酒廢水培養(yǎng)微藻，發(fā)現(xiàn)微藻在未稀釋廢水的培養(yǎng)基中無生長跡象，而在其它培養(yǎng)條件下均能較好生長.最終確定以稀釋2 倍的釀酒廢水作為本實驗廢水培養(yǎng)基.

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1 實驗方案

培養(yǎng)液以稀釋2 倍后的釀酒廢水培養(yǎng)基作為對照，在不改變總氮濃度（40.25 mg/L）及其它介質(zhì)條件下，調(diào)節(jié)總磷初始濃度，分別設(shè)置0.50、5.46、16.40、49.20、147.60、442.80 mg/L 濃度梯度組單獨培養(yǎng)萊茵衣藻、二形柵藻，并設(shè)置共培養(yǎng)實驗組，其中總磷初始濃度為16.40 mg/L，另設(shè)置對照組，每組設(shè)3 個平行組.在溫度（25±1）℃，光照強度2 000 lux，光周期12 L:12 D 下靜置培養(yǎng)，每天調(diào)換錐形瓶位置并人工搖動至微藻均勻懸浮于培養(yǎng)液中，每隔一天取其培養(yǎng)液，測定微藻生物量（干重法）、培養(yǎng)液TN、TP、COD、pH 等指標(biāo).實驗周期為17 d.

1.3.2 指標(biāo)測定

（1）微藻生物量、比生長速率測定

把藻細(xì)胞沉淀置于80 ℃箱烘干至恒重，取出后于干燥器中自然冷卻，而后稱其干重.由于比生長速率可定義為單位重量細(xì)胞的瞬時增量，生理含義明確，便于實際應(yīng)用，因此本文采用比生長速率作為衡量微藻細(xì)胞生長指標(biāo)之一.

微藻的比生長速率為[11]

式中：μm為 比生長速率，d-1；X1、X2分別為起始取樣時（t1）和結(jié)束取樣時（t2）的生物量.

（2）蛋白質(zhì)產(chǎn)量測定

本文采用改良后的微藻蛋白質(zhì)提取方法[12]，并采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測定上清液中的蛋白質(zhì)含量，即微藻的蛋白質(zhì)含量（按鮮重計）.

（3）氮、磷、有機物吸收速率、去除率和去除量測定

測定250.00 mL 實驗組培養(yǎng)液的TN、TP 和COD，根據(jù)測出的相應(yīng)含量，計算得到氮、磷和COD 的吸收速率[13]為

式中：S0、St分別為起始時和培養(yǎng)td 后培養(yǎng)液中TN 的濃度，mg/L；V為培養(yǎng)液體積，L；B為萊茵衣藻的干重，mg/L.

根據(jù)測出的TN、TP 和COD 含量，計算得到去除率為

式中：C0和Ct分別為最初濃度和培養(yǎng)td 后的濃度，mg/L.

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用origin 9.0、excel 2016 及SPSS 等統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和制圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同TP 濃度調(diào)控對微藻生長的影響

不同TP 濃度條件下，各組微藻生長趨勢如圖1、2 所示.由圖1可以看出，不同總磷濃度梯度條件對微藻生長的影響比較明顯.單一培養(yǎng)的萊茵衣藻在培養(yǎng)初期生長迅速，而前3 d 內(nèi)單一培養(yǎng)二形柵藻和共培養(yǎng)微藻的生長均較為緩慢，從第3 天開始微藻迅速生長，藻體逐漸進入對數(shù)生長期，各實驗組到第13 天左右干重增速開始出現(xiàn)不同程度減緩.由圖2看出，實驗周期內(nèi)，當(dāng)初始TP 濃度為0.50 mg/L時，萊茵衣藻、二形柵藻和共培養(yǎng)微藻的 μm分別為0.230、0.254、0.262 d-1，均為實驗組最低.微藻 μm均隨TP 濃度升高而先逐漸上升后降低，當(dāng)初始TP 濃度高于16.40 mg/L 時，總磷濃度的變化對微藻比生長速率影響不大，且在初始TP 濃度為16.40 mg/L時，二形柵藻、萊茵衣藻和共培養(yǎng)微藻的 μm均達(dá)到最大值，分別為0.363、0.350、0.358 d-1.

圖1 生長曲線比較Fig.1 Comparison of growth curves

圖2 不同磷濃度梯度下微藻比生長速率比較Fig.2 Comparison of specific growth rates of microalgae under different phosphorus concentration gradients

初始TP 濃度較低組（0.50、5.46 mg/L）的微藻在經(jīng)過環(huán)境適應(yīng)階段后，從第3 天開始生長速度較其它組明顯減緩，尤其是初始TP 濃度為0.50 mg/L微藻組，實驗結(jié)束時，萊茵衣藻和二形柵藻的生物量分別僅為108.00 mg/L 和100.00 mg/L，而共培養(yǎng)微藻生物量最終達(dá)到150.00 mg/L 左右，成為本階段實驗中微藻生長最差的實驗組.

初始TP 濃度為49.20、147.60 mg/L 的萊茵衣藻長勢較好，從第3 天開始生長速率均大幅增大，到第11 天增速有所降低，最終生物量分別達(dá)到722.00、688.00 mg/L，如圖1（a）所示；對于單一培養(yǎng)條件的二形柵藻而言，初始TP 濃度為49.20 mg/L實驗組在前9 d 內(nèi)生長低于初始TP 濃度147.60 mg/L實驗組，隨后前者生長高于后者，二者均于第13 天生物量達(dá)到最大，分別為550.00、475.00 mg/L，如圖1（b）所示；共培養(yǎng)組下在初始TP濃度49.20 mg/L 時，最終生物量達(dá)到637.50 mg/L，如圖1（c）所示.

初始TP 濃度為16.40 mg/L 組的萊茵衣藻長勢最佳，培養(yǎng)第17 天時生物量達(dá)到839.50 mg/L，是本階段實驗中萊茵衣藻生長最佳的實驗組；對于單一培養(yǎng)二形柵藻來說，當(dāng)培養(yǎng)到第13 天時生物量達(dá)到該條件培養(yǎng)周期的最大值650.00 mg/L；共培養(yǎng)下的微藻生長曲線略高于單一培養(yǎng)下的二形柵藻生長曲線，實驗結(jié)束時微藻生物量達(dá)到768.75 mg/L.

與低磷濃度組微藻相比，初始TP 濃度為442.80 mg/L 組的各微藻生長較好，實驗結(jié)束時，單一培養(yǎng)萊茵衣藻、二形柵藻和共培養(yǎng)微藻生物量分別能達(dá)到456.50、275.00、350.00 mg/L.該實驗組微藻的生長曲線高于低磷濃度組，但低于其它組，說明氮磷比過高或過低，微藻的生長會受到明顯的影響，且對低磷濃度的培養(yǎng)條件更敏感.

從生長曲線可以看出，萊茵衣藻的干重明顯高于二形柵藻；共培養(yǎng)下的生長曲線處于兩種單一培養(yǎng)微藻下的生物曲線之間，說明該培養(yǎng)條件下兩種微藻的生長可能存在協(xié)同關(guān)系.低磷濃度實驗組的微藻在培養(yǎng)初期并未像低氮濃度實驗?zāi)菢舆^早進入平緩期，這可能是由于在初期培養(yǎng)基內(nèi)的總氮較總磷資源豐富，微藻在生長時首先利用總氮，導(dǎo)致總磷對其生長的限值作用不大明顯，隨著微藻生長大量繁殖，對營養(yǎng)物質(zhì)的需求較高，而培養(yǎng)基內(nèi)營養(yǎng)不充分，導(dǎo)致部分微藻生長進入衰亡期.

2.2 不同TP 濃度調(diào)控對微藻蛋白質(zhì)含量的影響

不同TP 濃度條件下，萊茵衣藻蛋白質(zhì)含量的變化情況如圖3所示.由圖3可看出，各實驗組萊茵衣藻蛋白質(zhì)含量隨培養(yǎng)時間推移而上升，而二形柵藻實驗組和共培養(yǎng)實驗組的微藻5 d 后各組蛋白質(zhì)含量的增速加快，到第9 天蛋白質(zhì)含量增長變緩.

圖3 不同磷濃度梯度下的蛋白質(zhì)含量比較Fig.3 Comparison of protein content of microalgae under different phosphorus concentration gradients

當(dāng)TP 濃度在0.50～5.46 mg/L 時，隨著TP 濃度的增加，藻體蛋白質(zhì)含量增加；而當(dāng)TP 濃度超過5.46 mg/L，藻體蛋白質(zhì)含量隨TP 濃度的增加而逐漸減小.TP 濃度為16.40 mg/L 時，實驗組藻蛋白質(zhì)含量最高，第17 天時單一培養(yǎng)下萊茵衣藻蛋白含量為53.37 mg/L，占其干重的6.36%；二形柵藻蛋白含量為131.04 mg/L，占其干重的20.56%.而共培養(yǎng)下微藻的藻蛋白處于單培養(yǎng)下兩種藻蛋白含量之間且較低水平，這可能是由于共培養(yǎng)下二形柵藻生長受到抑制，而萊茵衣藻與二形柵藻相比蛋白含量明顯較低，因此,共培養(yǎng)下所獲得的藻蛋白含量比單培養(yǎng)下二形柵藻所獲得的藻蛋白較低.

磷是微藻細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)和磷脂的主要成分，參與藻體生長過程中的各種代謝，對微藻生長起著重要的作用[14].實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TP 濃度為0.50 mg/L的磷限制組蛋白質(zhì)含量處于所有實驗組的最低水平.其原因在于，當(dāng)藻體處于低磷培養(yǎng)液環(huán)境中，藻體會因不能獲得足夠的磷營養(yǎng)而導(dǎo)致生物量少，蛋白質(zhì)合成則會受到抑制.

2.3 不同TP 濃度調(diào)控微藻對氮磷及有機物去除效果的影響

實驗結(jié)束時，各組微藻對TP、TN 和COD 的去除率和去除量如圖4所示.

2.3.1 不同TP 濃度微藻對TP 吸收速率的影響

實驗周期內(nèi)，各組微藻對TP 吸收速率如圖5，TP 去除率及去除量如圖4（a）.

萊茵衣藻和共培養(yǎng)微藻對TP 的吸收速率隨TP 濃度的升高呈逐漸上升趨勢.當(dāng)初始TP 濃度為5.46 mg/L 時，二形柵藻對TP 的吸收速率高于萊茵衣藻和共培養(yǎng)下的微藻，最終分別為0.039 3、0.016 8 、0.021 4 d-1.當(dāng)初始TP 濃度超過147.60 mg/L 時，微藻對TP 的吸收速率出現(xiàn)大幅度增加，并達(dá)到最大值；初始TP 濃度為442.80 mg/L 時，三種條件下的微藻TP 吸收速率分別為0.276 9、0.096 1、0.208 8 d-1.初始TP 濃度為0.50 mg/L，總體達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）的Ⅲ類水總磷要求.初始TP 濃度低于5.460 mg/L 的實驗組中，萊茵衣藻和共培養(yǎng)的微藻對TP 的去除效率幾乎保持一致（90%以上），均高于同等培養(yǎng)條件下二形柵藻對TP 的去除效率，但無明顯差異（p＞ 0.05）；隨著初始TP 濃度升高，萊茵衣藻對TP 的去除優(yōu)勢在三種微藻種顯得更加明顯（p＜ 0.05）.但初始TP 濃度高于147.60 mg/L實驗組的萊茵衣藻的TP 去除量較大，達(dá)到所有實驗組中的最大值，初始TP 濃度為147.60、442.80 mg/L，對應(yīng)的TP 去除量分別為36.14、97.23 mg/L，去除率分別為24.48%和21.96%.

圖4 第17 天不同磷濃度梯度下微藻對TP、TN 和COD 的去除率和去除量Fig.4 Removal rate and removal amount of TP、TN and COD from microalgae under different phosphorus concentrations on 17th day

由式（3）可知，當(dāng)微藻對TP 的吸收量一定時，微藻干重越低，單位質(zhì)量的微藻對TP 吸收速率就會越高.相比其它組，由于TP 濃度為442.80 mg/L的6 個實驗組微藻生長受到不同程度的抑制，出現(xiàn)TP 去除量高而藻體生物量低的情況，致使該實驗組微藻的TP 吸收速率會比其它組明顯增大.

圖5 不同磷濃度梯度下微藻對TP 吸收速率比較Fig.5 Comparison of TP uptake rate of microalgae under different phosphorus concentration gradients

綜合比較各實驗組中微藻對TP 吸收速率、去除率和去除量，可知初始TP 濃度為16.40 mg/L 左右的培養(yǎng)基環(huán)境中微藻對TP 去除效果最優(yōu)，萊茵衣藻、二形柵藻和共培養(yǎng)微藻對TP 的去除率分別達(dá)到91.75%、73.93%和83.66%.

2.3.2 不同TP 濃度微藻對TN 去除速率的影響

實驗周期內(nèi)，各實驗組培養(yǎng)液中TN 濃度變化情況如圖6，實驗結(jié)束時TN 去除量和去除率如圖4（b）.對萊茵衣藻而言，當(dāng)初始TP 濃度高于5.46 mg/L 時，實驗周期內(nèi)對TN 去除效果較好，均達(dá)到80%以上，尤其當(dāng)初始TP 濃度為16.40 mg/L時，此時培養(yǎng)基初始時的氮磷比為2.45，最終對TN去除量達(dá)37.63 mg/L，去除率達(dá)93.48%；當(dāng)初始TP 濃度為0.50 mg/L 時，藻體對TN 去除率最終只有47.62%.此外，萊茵衣藻對TN 去除效率略低于二形柵藻，當(dāng)初始TP 濃度為16.40 mg/L 時，二形柵藻和共培養(yǎng)微藻對TN 去除率分別高達(dá)95.76%和95.24%，達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）的Ⅳ類水總氮要求.整個實驗階段，共培養(yǎng)下微藻對TN 的去除效果與二形柵藻保持較一致的水平，這也說明在共培養(yǎng)條件下二形柵藻對廢水的資源化利用起主導(dǎo)作用，并可能對萊茵衣藻吸收TN起到一定程度的抑制.

由圖6可知，初始TP 濃度為0.5 mg/L 時，萊茵衣藻實驗組在培養(yǎng)初期出現(xiàn)TN 濃度升高的現(xiàn)象，這可能是由于微藻細(xì)胞在最初為適應(yīng)高氮磷比的培養(yǎng)環(huán)境向外釋放出硝酸鹽所致.此外，TN 濃度在培養(yǎng)中期均呈現(xiàn)小幅度上升再下降的趨勢，這可能是由于在微藻進入生長平緩期后，部分微藻死亡會重新釋放一定量的氮，作為營養(yǎng)源再次被微藻重復(fù)利用于生長.

圖6 不同磷濃度梯度下TN 濃度變化比較Fig.6 Comparison of TN concentration in culture medium under different phosphorus concentration gradients

2.3.3 不同TP 濃度下微藻對有機物去除速率的影響

初始TP 濃度為0.50、5.46 mg/L 的培養(yǎng)基中，初始COD 濃度分別為57.00、622.50 mg/L，其余實驗組培養(yǎng)基中，初始COD 濃度為1 867.50 mg/L.實驗周期內(nèi)，各實驗組培養(yǎng)液中有機物濃度變化情況如圖7，實驗結(jié)束時COD 去除量和去除率如圖4（c）.實驗結(jié)果顯示，隨著藻體的生長，培養(yǎng)基中COD 明顯降低，萊茵衣藻實驗組在培養(yǎng)結(jié)束時達(dá)到最低，6 組實驗培養(yǎng)基中COD 濃度最終分別為14.50、259.50、599.50、562.00、554.50、599.50 mg/L，COD 去除率最大分別達(dá)到74.56%、58.31%、67.90%、69.90%、70.31%、67.90%.二形柵藻對COD 去除效果整體上略高于萊茵衣藻，但差異并不顯著（p＞ 0.05）.而二形柵藻實驗組COD 濃度在實驗初期隨著微藻的生長呈明顯降低趨勢，在實驗結(jié)束時達(dá)到最小值，分別為27.00、99.50、309.50、274.50、312.00、429.50 mg/L，COD 最大去除率分別達(dá)52.63%、84.02%、83.43%、85.30%、83.29%、77.00%；共培養(yǎng)微藻對培養(yǎng)基內(nèi)COD 去除規(guī)律與二形柵藻類似：實驗結(jié)束時COD 濃度達(dá)到最小值，分別為12.00、104.50、297.00、309.50、299.50、357.00 mg/L，COD 最大去除率分別達(dá)78.95%、83.21%、84.10%、83.43%、83.96%、80.88%.

圖7 不同磷濃度梯度下COD 濃度變化比較Fig.7 Comparison of COD concentration in culture medium under different phosphorus concentrations

二形柵藻在初始總磷濃度為0.50 mg/L 時，COD去除效果最差，這可能是由于過高的氮磷比不利于二形柵藻生長，導(dǎo)致藻體自身分泌一些有機物，此時共培養(yǎng)微藻與萊茵衣藻對COD 的去除效果呈現(xiàn)一致性，這也可能說明了高氮磷比培養(yǎng)條件下，萊茵衣藻比二形柵藻更具有耐受性，更具有廢水凈化的能力.

3 結(jié) 論

（1）萊茵衣藻對磷的需求總體上大于二形柵藻對磷的需求，當(dāng)初始總磷濃度為16.40 mg/L，初始氮磷比為2.45 時，萊茵衣藻最終生物量達(dá)到839.50 mg/L，藻蛋白含量達(dá)到53.37 mg/L，對TN、TP、COD 的最終去除率分別達(dá)到93.48%、91.75%、67.90%.

（2）當(dāng)初始總磷濃度為16.40 mg/L 時，初始氮磷比為2.45，二形柵藻生物量最高達(dá)到650.00 mg/L，藻蛋白含量達(dá)到131.04 mg/L，對TN、TP、COD 的最終去除率分別達(dá)到95.76%、73.93%、83.43%.

（3）兩種藻在共培養(yǎng)條件下，生長曲線處于單一培養(yǎng)微藻下的生物曲線之間，共培養(yǎng)微藻的藻蛋白含量處于兩種單培養(yǎng)下藻蛋白含量之間，且處較低水平，對TP、TN 的去除率分別為83.66%、95.24%，共培養(yǎng)條件下微藻對釀酒廢水COD 的去除規(guī)律與二形柵藻單一培養(yǎng)條件類似.

（4）采用釀酒廢水-微藻培育耦合體系，無論是單一還是共培養(yǎng)體系，釀酒廢水總體均能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）的Ⅳ類水總磷要求.

致謝：成都市科技局科技項目（2015-HM01-00013-SF）.