藻華的控制與開發(fā)利用研究

王秀華，汪玉鴻，沈麗娟

（1.山東省水文局，山東 濟(jì)南 250002；2.濟(jì)南市水文局，山東 濟(jì)南 250014 ）

0 引言

藻華是因水中滋生大量的浮游植物（微細(xì)藻類）而使水變色的現(xiàn)象。我國許多湖泊都有藻華現(xiàn)象，預(yù)計(jì)未來持續(xù)時(shí)間和頻率還會(huì)增加。 有害藻華不僅對(duì)水質(zhì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還威脅工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、旅游業(yè)及生態(tài)系統(tǒng)， 而且通過產(chǎn)生藍(lán)細(xì)菌毒素影響公共健康［1-5］。 因此，對(duì)藻類的有效控制是擺在中國乃至世界環(huán)境工作者面前的一個(gè)重要課題。近些年，美國政府投入大量人力和財(cái)力做控制水體中氮、 磷含量的研究工作， 特別是在當(dāng)前能源危機(jī)和強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的背景下， 廢水處理與生物能源開發(fā)利用的結(jié)合已成為科研工作者關(guān)注與研究的熱點(diǎn)， 這也給我國“綠色產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展帶來新的啟示。

1 藻華的成因與危害

1.1 藻華的成因

藻華通常是因水體氮磷含量超標(biāo)， 造成水體富營養(yǎng)化，使包含藍(lán)藻（即藍(lán)細(xì)菌，是有害藻華的主要組成部分）在內(nèi)的各種藻類快速生長而形成的。水體中的氮磷含量決定了藻類的生長速度和種類。 在富營養(yǎng)化的水體中，當(dāng)?shù)妆龋∟∶P）小于15 時(shí)，藍(lán)藻占主導(dǎo)地位，而當(dāng)N∶P 大于20 時(shí)，則以真核浮游植物為主［6］。由此可見，磷對(duì)藍(lán)藻的形成與生長起決定性作用。 藍(lán)藻屬于有害藻華，它是原核單細(xì)胞生物，在水體中成桿狀或球狀，有時(shí)還會(huì)形成絲狀體。有些藍(lán)藻比如Cyanothece，可以固定空氣中的氮，在氮濃度非常低的水體中生長［7］，或在無氨／硝酸鹽的水體中生長， 并且其固定氮的能力可以通過利用水體中的有機(jī)碳（例如甘油和糖等）而進(jìn)一步提高。 藍(lán)藻有高效率光合作用，在足夠的光源、二氧化碳及氮磷作用下，快速生長的伸長球菌倍增時(shí)間僅2 h［8］。 藍(lán)藻不僅生長快，而且代謝也快，其代謝產(chǎn)物及腐爛體可進(jìn)一步向水體提供氮磷，從而進(jìn)一步促進(jìn)藻類的生長。藍(lán)藻和其他微藻還可以與各種細(xì)菌形成穩(wěn)定的共生系統(tǒng)（如圖1 所示）。在這樣的系統(tǒng)中，藻類的光合作用可以為細(xì)菌的生長提供氧氣和營養(yǎng)， 而細(xì)菌的呼吸可以為藻類的光合作用提供二氧化碳。 因此，細(xì)菌-藻類的混合生長可以進(jìn)一步加快藻華的形成，使水質(zhì)迅速惡化。

圖1 藻類和細(xì)菌共生系統(tǒng)Fig.1 Symbiotic system of algae and bacteria

1.2 藻華的危害

藍(lán)藻是有害藻華的主要組成部分。 常見有害藍(lán)藻包括：銅綠微囊藻、聚球藻和絲狀固氮藍(lán)藻［7］。 這些藍(lán)藻的大量繁殖，使水體的溶解氧發(fā)生改變，造成魚類等生物大量死亡， 腐爛的生物體又導(dǎo)致異養(yǎng)細(xì)菌大量繁殖，而且藍(lán)藻內(nèi)部可產(chǎn)生各種毒素（例如神經(jīng)毒素和微囊藻毒素）。藻類毒素和有害異養(yǎng)細(xì)菌通過人體接觸或食物鏈影響人類健康，甚至有致癌、促癌作用。

2 地表水中氮磷的主要來源及控制技術(shù)

2.1 地表水中氮磷的主要來源

藻華產(chǎn)生的主要影響因素是水體中氮和磷的濃度。地表水中，氮和磷的主要來源為：（1）農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥的過度施用，使地表徑流中氮磷富集；（2）人畜糞便、生活垃圾、生活污水、工業(yè)廢渣、工業(yè)廢水的不規(guī)范堆放或排放，造成氮磷直接進(jìn)入水體，或通過地表徑流進(jìn)入水體。 因此，防止藻華產(chǎn)生，關(guān)鍵是控制水體中氮和磷的含量。

2.2 控制地表水中氮磷的技術(shù)

美國環(huán)保局建議，湖泊和水庫的總氮、總磷濃度應(yīng)分別小于0.15 mg／L 和0.01 mg／L，并在面源控制上采取了很多措施［9］。 例如：禁用或限用含磷洗滌劑、對(duì)土地實(shí)行規(guī)?；芾?、推廣使用土壤改良劑和緩釋肥料等［4］。 同時(shí)，針對(duì)點(diǎn)源采取以下3 種氮磷控制技術(shù)。

1）化學(xué)處理技術(shù)。此技術(shù)是應(yīng)用最早、目前仍廣泛應(yīng)用的一種除磷方法。 它是通過向水體中添加金屬鹽（如鐵鹽、鋁鹽等），使水體中的磷形成磷酸鹽，并沉淀，然后去除沉淀［4］。

2）生物處理技術(shù)。 此技術(shù)是目前國外廣泛應(yīng)用的方法，主要包括：（1）利用聚磷菌（PAO）進(jìn)行生物處理，降低污水中磷的濃度；（2）利用硝化／反硝化生物反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫氮；（3）借助藻類及其他水生生物或人工濕地以去除水體中的氮、磷。

3）新興處理技術(shù)。 此類技術(shù)在考慮去除污水中氮磷的同時(shí)，還考慮如何回收氮磷，持續(xù)供應(yīng)農(nóng)業(yè)。它包括吸附法、結(jié)晶法、膜處理及電化學(xué)處理等［9］。

以上處理方法有些是難于管理， 達(dá)不到預(yù)期效果；有些占地面積大，運(yùn)營成本高。 隨著全球資源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出， 開發(fā)高效的氮磷控制技術(shù)以及尋找可持續(xù)再生、 環(huán)境友好的新型能源成為科研工作者研究的熱點(diǎn)。

3 藻類的利用

微藻主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、淀粉及碳水化合物組成。藍(lán)藻的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、碳水化合物、核酸含量分別為19%、48%、15%、13%［8］。富含蛋白質(zhì)的藻類，通過加工可用作肥料、 動(dòng)物飼料； 特殊的高脂質(zhì)含量（50%～70%）的葡萄球微藻可取代石油及其他生物，用來提取生物柴油［10］。因此，科研工作者提出了利用含氮磷高的污水養(yǎng)殖藻類來凈化水質(zhì)， 同時(shí)作為獲得生物產(chǎn)品的新途徑的思路。

3.1 用微藻開發(fā)生物產(chǎn)品的優(yōu)勢

用微藻作原料生產(chǎn)肥料、動(dòng)物飼料及生物燃料的優(yōu)勢為：（1）微藻生長能消耗大量氮磷養(yǎng)分，利用氮磷含量高的廢水養(yǎng)殖微藻，收獲產(chǎn)品后，可有效降低水體中氮磷及其他有害成分的含量， 不僅可以減少污染，凈化水質(zhì)，還可以降低藻類的養(yǎng)殖成本。 （2）微藻能吸收各種廢氣中的二氧化碳，利用熱電廠、化工廠等排出的二氧化碳廢氣養(yǎng)殖微藻，可減少二氧化碳的排放，緩解溫室效應(yīng)的發(fā)生。（3）種植微藻比種植其他木質(zhì)纖維素作物所需土地面積小， 并且微藻可在咸水、廢水、海水等不適于其他作物生長的環(huán)境中繁殖生長，能充分利用土地資源和水資源。（4）微藻繁殖速度快，一般在24 h 內(nèi)，其自身生物量可以加倍，而在指數(shù)生長期內(nèi)， 生物量倍增時(shí)間竟能縮短至3.5 h［11］。藻類生長周期很短， 一般2～5 d 便可完成一個(gè)世代，并且可終年生長。據(jù)測算，在給定區(qū)域內(nèi)，用藻類作原料，可得生物量是其他作物的20 倍。 （5）微藻生物質(zhì)易分解，所得生物質(zhì)燃料熱值高，且微藻燃料屬清潔、環(huán)境友好型燃料。 據(jù)測算，微藻燃料的熱值是其他農(nóng)作物的1.6 倍。

3.2 基因技術(shù)在微藻生物產(chǎn)品開發(fā)方面的應(yīng)用

通過對(duì)藻類生長環(huán)境及影響因素的進(jìn)一步研究， 我們可以模仿微藻的繁殖過程來降低生物能源的開發(fā)成本。尤其隨著基因技術(shù)的快速發(fā)展，利用基因工程不僅可以提高優(yōu)質(zhì)微藻的產(chǎn)量， 而且可以通過代謝工程，將藍(lán)藻改造成細(xì)胞工廠，產(chǎn)生不同的生物燃料和化工產(chǎn)品。 如美國Algenol Biotech 公司利用基因工程改造過的聚球藻生產(chǎn)乙醇、丁醇等燃料。這一成功經(jīng)驗(yàn)開辟了利用基因技術(shù)開發(fā)藻類生物產(chǎn)品的新途徑。 在基因工程改造過的聚球藍(lán)藻培養(yǎng)液中，不同生物的產(chǎn)品及濃度如表1 所示［10，12］。

表1 用基因工程改造過的聚球藍(lán)藻培養(yǎng)液中不同生物產(chǎn)品及濃度Tab.1 Different biologics and concentrations in culture medium of cymbidium bullosum modified by genetic engineering

3.3 用微藻開發(fā)生物產(chǎn)品凈化水體的制約因素及發(fā)展方向

藻類開發(fā)有廣闊前景， 但與常規(guī)農(nóng)作物生產(chǎn)相比，藻類培養(yǎng)技術(shù)尚處于起步階段。微藻的生長需要苛刻的環(huán)境條件（如光、溫度、酸堿度、二氧化碳等）。在特定小型生物反應(yīng)器里， 許多快速生長的微藻每天的產(chǎn)量可達(dá)到30 g／m2［10］，但在大規(guī)模開放性微藻培養(yǎng)農(nóng)場中，藻的生長速度受各種環(huán)境因素制約，其產(chǎn)量要比實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果低很多。 據(jù)相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)估算， 目前美國藻類農(nóng)場開發(fā)生物燃料的成本大約是1.25 美元／升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石化燃料。

未來微藻產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展有3 個(gè)方向：（1）如何有計(jì)劃地、 系統(tǒng)性地將微藻培養(yǎng)設(shè)施建在廢水處理廠、火力發(fā)電廠及熱力廠附近，實(shí)現(xiàn)微藻培養(yǎng)、廢污水凈化與電熱廠等產(chǎn)生的二氧化碳廢氣及廢熱的利用相結(jié)合，使之成為一個(gè)有效益的生態(tài)產(chǎn)業(yè)工程。（2） 高效微藻培養(yǎng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和規(guī)模放大也是研究的熱點(diǎn)， 新材料和新膜技術(shù)可以大大增加藻體對(duì)二氧化碳和光的吸收率，使光合作用最大化。 （3）如何利用基因工程技術(shù)讓微藻產(chǎn)出高附加值的天然物質(zhì)（比如蝦青素和胡蘿卜素等）。

4 結(jié)語

水資源和能源危機(jī)是21 世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)。 利用污水培養(yǎng)微藻來凈化水質(zhì)，并收獲藻體，從中提取“新”資源和“新”能源，這既能保護(hù)環(huán)境，又能節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用，是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。