微藻修復(fù)稻田污染的研究進(jìn)展

姚丹丹，梁英輝，穆 丹，李青楠

(佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

微藻(Microalgae)是指一類富含葉綠素a并且能夠進(jìn)行光合作用的微生物的總稱。微藻在陸地湖泊、海洋及其它水域中廣泛分布，個(gè)體微小，只能在顯微鏡下分辨其形態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有100萬種藻類，而已知的微藻有40000余種。目前，使用生物技術(shù)大量種植或生產(chǎn)的微藻分屬于藍(lán)藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門四個(gè)門，其中普通小球藻(Chlorellavulgaris)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、亞心形四爿藻(Tetraselmissubcordiformis)、固氮藍(lán)藻(Nitrogen-fixingcyanobacteria)、魚腥藻(Anabeanasp.)、擬柱胞藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)等已有應(yīng)用[1-5]。微藻具有含油量高、易于培養(yǎng)、生長(zhǎng)周期短、生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)空間廣闊的優(yōu)點(diǎn)。此外，該藻類還可以用于重金屬的生物吸附、污水處理和環(huán)境評(píng)估等領(lǐng)域。早在上世紀(jì)40年代，微藻規(guī)模養(yǎng)殖的研究開始在美國、日本、德國和以色列等國開展[6-7]。近年來，微藻異養(yǎng)化高細(xì)胞密度培養(yǎng)技術(shù)的研究證實(shí)，微藻既可以進(jìn)行光能自養(yǎng)，也可以進(jìn)行細(xì)胞異養(yǎng)培養(yǎng)[8]。微藻可以吸收稻田污水中的重金屬、無機(jī)鹽，且可降解農(nóng)藥、酚類、烷類等有機(jī)物[9-11]。同時(shí)，微藻作為一種模式生物，其光合作用機(jī)制、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究，常應(yīng)用于污水處理、餌料加工及動(dòng)物飼料添加劑的生產(chǎn)中[12]。

由于藻類是微生物主要類群之一，在其生命過程中，對(duì)于轉(zhuǎn)化和改善稻田肥力、稻田養(yǎng)分具有直接或間接的影響。前人的相關(guān)研究[13-14]主要集中在微藻的固氮作用和對(duì)稻田氮損失的影響等方面，而微藻對(duì)施入稻田的化肥在稻田中的轉(zhuǎn)化、遷移、固定、損失等過程的影響程度與作用機(jī)理及其相關(guān)的影響因素仍未進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究。近年來在稻田生產(chǎn)中，含氮、磷肥料的大量施用、工業(yè)廢水的集中排放，導(dǎo)致稻田中的種苗生長(zhǎng)受到抑制、進(jìn)而造成水稻質(zhì)量下降[15]。本文在總結(jié)稻田利用微藻凈化水質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了微藻凈化和修復(fù)的效果報(bào)道，以期為提高稻田產(chǎn)量、土壤營養(yǎng)利用率、改善農(nóng)藥、化肥引起的環(huán)境污染問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 微藻對(duì)于稻田中氮、磷等營養(yǎng)成分的利用

稻田水中富含氮、磷等營養(yǎng)元素，為水稻生長(zhǎng)提供必需條件，同時(shí)也促進(jìn)了稻田中微藻的生長(zhǎng)。微藻的生長(zhǎng)不但可促進(jìn)稻田養(yǎng)分的生物轉(zhuǎn)化與循環(huán)，最重要的是微藻能吸收固持氮、磷，有利于稻田中土壤肥力的提高，避免流失到水環(huán)境中造成環(huán)境危害[16]。總之，微藻生長(zhǎng)對(duì)水環(huán)境是災(zāi)害，而對(duì)稻田則有其有利的一面。故相關(guān)學(xué)者利用微藻處理稻田污水，力圖將稻田污水處理與微藻資源利用充分結(jié)合起來。

1.1 微藻具有固氮、固磷作用

微藻可通過有機(jī)氮化合物和無機(jī)氮化合物的光合作用，在其細(xì)胞中合成氨基酸和蛋白質(zhì)。康金花等[17]通過野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，固氮藍(lán)細(xì)菌可以利用空氣中的分子氮來合成氮化合物，并不斷豐富土壤中的氮化合物。Magorzata等[18]研究顯示，生長(zhǎng)小球藻的廢水中，總氮和總磷含量分別下降了88%和99%。楊文鑫[19]通過固定氮的濃度調(diào)節(jié)氮磷比值，試驗(yàn)結(jié)果表明小球藻的生長(zhǎng)與氮磷比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，氮磷比為32:1條件下對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響較顯著。曹煜成等[20]得出蛋白核小球藻數(shù)量與氮磷的消耗呈正相關(guān)。Marzieh等[21]研究表明即使廢水中的CO2水平高達(dá)24%的情況下，小球藻也可適應(yīng)并生長(zhǎng)良好，同時(shí)可以吸收70.00%～95.00%的氮和磷。呂福榮等[22]的研究表明，小球藻對(duì)于氮、磷的吸收效率，因氮、磷組合濃度的不同而存在差異，在一定濃度范圍內(nèi)可以有效地吸收磷元素，溫度升高或照明增強(qiáng)有利于磷和氮的去除。

微藻對(duì)氮、磷的吸收隨著時(shí)間的推移而逐漸增加。梁慧元等[23]研究表明在72 h內(nèi)，固定化污泥/固定化小球藻初始比率(R=1/3)的共培養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)氮、磷去除效率較高。姜紅鷹[24]在一系列模擬試驗(yàn)中表明小球藻對(duì)廢水中氮、磷的去除效果明顯，在模擬廢水中經(jīng)過3～6 d，小球藻對(duì)氨的去除率可達(dá)80%。由于微藻對(duì)氨氮的吸收不涉及氧化還原反應(yīng)，所需要的能量較少，但對(duì)于硝氮和亞硝氮的吸收則需通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶轉(zhuǎn)化成氨氮再被吸收，故在這3種無機(jī)氮都存在的情況下，微藻優(yōu)先利用氨氮[25]。

1.2 微藻能夠提高氮、磷利用的有效性

微藻在光照充足、營養(yǎng)源豐富的條件下，通過光合作用吸收磷酸鹽并將其轉(zhuǎn)化成磷脂、ATP等有機(jī)磷化合物，也可以通過吸收降解、生物富集等方式，提高污水中各種氮、磷營養(yǎng)物的有效性。

孔欣等[26]通過室內(nèi)試驗(yàn)得出小球藻生長(zhǎng)既受氮磷營養(yǎng)鹽濃度水平影響，又受到氮磷比值影響。Fu等[27]研究確定磷對(duì)小球藻具有激發(fā)作用，在氮限制條件下，略微過量的磷(≤ 45 mg/L)可刺激小球藻的細(xì)胞生長(zhǎng)，且生物量增加10.2%。王曉昌等[28]研究表明在一定的氮、磷濃度范圍(NO3--N: 1～8 mg/L；PO43--P: 0.2～1.0 mg/L)內(nèi)，小球藻生物量受初始磷濃度的影響較大，磷濃度為0.4 mg/L時(shí)小球藻生長(zhǎng)最好；小球藻葉綠體中PSⅡ反應(yīng)中心的最大光合作用效率(Fv/Fm)值可綜合表征小球藻的生長(zhǎng)指標(biāo)、氮和磷的吸收利用率以及營養(yǎng)鹽脅迫下小球藻的生長(zhǎng)，在固定磷濃度條件下，提高氮濃度，F(xiàn)v/Fm均值也會(huì)隨之增加，發(fā)生磷脅迫的Fv/Fm閾值為0.18～0.24。Wang等[29]研究發(fā)現(xiàn)污水中主要的營養(yǎng)物質(zhì)如磷、氮等影響小球藻超負(fù)荷吸收鉻和硒的能力，試驗(yàn)通過測(cè)定金屬富集系數(shù)來評(píng)價(jià)小球藻對(duì)金屬的吸收能力。結(jié)果表明，當(dāng)加入一定濃度的磷時(shí)，小球藻吸收金屬的能力下降。Tnia等[30]研究顯示小球藻能夠去除濃縮廁所廢水(即黑水)中存在的無機(jī)氮和磷，其中氮與磷的比例為15～26；小球藻對(duì)于氮、磷的去除效率，因?yàn)閺U水中的氮磷比不同而存在差異，導(dǎo)致磷的去除效率加快的同時(shí)，氮的去除效率相對(duì)降低。

2 微藻對(duì)重金屬的吸收與富集

在工業(yè)化和城市化進(jìn)程中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展加快，導(dǎo)致印染、造紙等污染行業(yè)排放廢水以及大量施入的化肥導(dǎo)致稻田污染嚴(yán)重。其中，重金屬污染導(dǎo)致水稻中的重金屬殘留物影響稻米質(zhì)量，間接危害人類健康[31]。沈德中等[32]研究了Cu、Ni、Pb、Zn等四種重金屬對(duì)稻田內(nèi)藻類的綜合影響，發(fā)現(xiàn)土壤—藻類系統(tǒng)中不同重金屬濃度的臨界值如下：Cu2+為50 mg/kg、Ni2+為50 mg/kg、Pb2+為150 mg/kg、Zn2+為300 mg/kg。班龍科等[33]應(yīng)用時(shí)間依賴微板毒性分析法研究發(fā)現(xiàn)，5種重金屬(銅、錳、鎘、鋅、鉛)對(duì)小球藻的毒性隨時(shí)間逐漸增大，具有明顯的時(shí)間依賴性。

微藻產(chǎn)生的胞外聚合物可與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合，通過有效控制微藻生長(zhǎng)過程和環(huán)境中各種重金屬離子的濃度來抑制和預(yù)防重金屬污染[34]。王樹磊等[35]研究表明，蛋白核小球藻的抑制率與重金屬的濃度存在明顯的量效關(guān)系；與葉綠素含量、吸光度變化相比，F(xiàn)v/Fm對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)最為穩(wěn)定和敏感；從EC50值的比較來看，Cd2+對(duì)原球藻的毒性最高，其次是Cr6+和Pb2+，而Mn2+毒性最小。劉忠曉[36]以不同接觸時(shí)間對(duì)小球藻吸附重金屬鎘進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明Cd2+在100 mg/L濃度下，小球藻對(duì)Cd2+的吸附效率為86.6%。Rollemberg等[37]研究了小球藻吸附鎘離子的機(jī)理，結(jié)果表明污水中氫離子濃度與堿金屬陽離子之間的競(jìng)爭(zhēng)影響普通小球藻對(duì)于鎘離子的吸附作用。

馬駿馳[38]研究顯示活體亞心形四爿藻對(duì)受污染海水中Pb2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+等4種重金屬均具有良好吸附效果。耿紅等[39]研究表明，低濃度(0 ～0.50 mg/L)的Hg2+和Cd2+由于毒性興奮效應(yīng)能刺激普通小球藻細(xì)胞密度的增長(zhǎng)，促進(jìn)葉綠素含量增加和蛋白質(zhì)合成。聶利華等[40]發(fā)現(xiàn)，擬柱胞藻能夠快速有效地吸附重金屬，降低重金屬(尤其是Pb2+、Hg2+、Ag+、Cu2+)引起的水環(huán)境污染，從而達(dá)到改善水質(zhì)的功效。周書奎等[41]以小球藻作為廢水重金屬生物吸附劑的試驗(yàn)表明，隨著Pb2+濃度的增加，小球藻對(duì)廢水中Pb2+的吸附效率呈下降趨勢(shì)。Chong等[42]研究了普通小球藻和四尾柵藻等11種藻類處理綜合污水中的鎳和鋅的規(guī)律性。經(jīng)過小球藻處理90 min后，鎳的濃度從30 mg/L下降到10 mg/L，這是由于污水pH值會(huì)隨微藻光合作用升高，進(jìn)而在堿性條件下導(dǎo)致部分重金屬離子以微沉淀的形式析出[43]。孫東紅等[44]利用原子吸收分光光度法，研究魚腥藻對(duì)電鍍污染水體中Zn2+的修復(fù)效果的結(jié)果顯示，魚腥藻濃度為629.2 mg/L時(shí)，水中的Zn2+濃度由3.296 mg/L降至0.748 mg/L，單位吸附量達(dá)4.859 mg/g。陳家武等[45]將梅尼小環(huán)藻固定化處理后，對(duì)含Cd2+的廢水進(jìn)行吸附研究，在pH值為7.0時(shí)，梅尼小環(huán)藻對(duì)Cd2+的吸附量為4.78 mg/L，去除率可達(dá)96.25%。陳家武等[46]還采用稻田污染模擬試驗(yàn)，得出有藻田的稻谷Cd殘留比無藻田的降低76.47%。由此可見，微藻對(duì)稻田中重金屬的吸附可發(fā)揮良好的效果。

3 微藻能有效降解有機(jī)化合物和無機(jī)化合物

藻類、腐殖質(zhì)和金屬離子可以在光條件下通過一系列復(fù)雜的光化學(xué)過程相互作用而形成復(fù)合物，降解水中的有機(jī)污染物。污水中的有機(jī)化合物可以作為微藻生長(zhǎng)的碳源。研究發(fā)現(xiàn)[47]，大部分微藻可以進(jìn)行混合培養(yǎng)，即能通過光合作用利用空氣培養(yǎng)液中游離的CO2分子作為碳源，并利用光能合成自身的復(fù)雜有機(jī)物。因此，藻類可以有效的降解污水中的有機(jī)化合物，如碳?xì)浠衔?、淀粉、麥芽糖、農(nóng)藥、烷烴以及其它金屬有機(jī)化合物等生物難降解的有機(jī)物[48]。

Hu等[49]研究表明，固定化小球藻在廢水處理過程中具有去除營養(yǎng)的巨大潛力，基于瓊脂固定的小球藻，可以有效地從分批和連續(xù)培養(yǎng)物中去除NH4+-N和PO43--P，去除效率最高為96%～99%。固定在瓊脂上的微藻即使被回收八次，仍然能夠去除94%的NH4+-N和66%的PO43--P。吳敏等[50]研究發(fā)現(xiàn)，將微囊藻毒素降解細(xì)菌和橢圓小球藻共同固定化后，MC-LR的降解效果好于單獨(dú)固定化細(xì)菌。Bordel等[51]分析了封閉光生物反應(yīng)器中小球藻和革蘭氏陰性菌生物降解污染物的機(jī)理，更好地了解微藻、細(xì)菌、光和污染物濃度之間的復(fù)雜關(guān)系，將促進(jìn)藻細(xì)菌工藝的發(fā)展，可將其作為廢水回收和從廢水中生產(chǎn)藻類的經(jīng)濟(jì)有效替代方案。Magorzata等[18]研究顯示，利用小球藻處理廢水，使廢水中N-NO3的含量減少88.6%，N-NO2的含量減少74.3%，溶解的正磷酸鹽減少99%。孫紅文等[52]利用普通小球藻、蛋白核小球藻和斜生柵藻處理偶氮染料污水的試驗(yàn)表明，蛋白核小球藻生長(zhǎng)最好，脫色率最高。在10種單偶氮染料中，酸性紅B的脫色率高達(dá)89.8%。

4 研究展望

微藻對(duì)于稻田水質(zhì)的凈化機(jī)理如下：對(duì)于稻田水中的氮、磷營養(yǎng)成分，主要依賴于藻類進(jìn)行水體中氨氮的同化吸收，通過磷酸鹽化學(xué)沉淀與水中的陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)結(jié)合，經(jīng)沉淀去除水體中的磷；在重金屬凈化機(jī)制方面，微藻可以利用自身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，快速吸附已經(jīng)溶解于水中的金屬離子，然后運(yùn)用固液兩相法達(dá)到分離和去除污水中的金屬離子的目的[53]；微藻還可以利用光化學(xué)反應(yīng)，降解水中的有機(jī)污染物及其它無機(jī)化合物，從而凈化稻田水質(zhì)。

綜上所述，利用微藻吸收和降解稻田中的氮、磷營養(yǎng)素、吸收與富集重金屬、與無機(jī)鹽結(jié)合降解多種有機(jī)物來修復(fù)稻田污染符合生態(tài)學(xué)原理。盡管近年來有關(guān)微藻處理污水的研究越來越多，但大多數(shù)研究集中于評(píng)估微藻不同物種的形態(tài)變化和抗逆生理生化特性上，未來應(yīng)加強(qiáng)微藻抗逆機(jī)制及分子生物學(xué)等方面的深入研究，為后續(xù)微藻修復(fù)稻田污染的應(yīng)用推廣提供參考依據(jù)。