螺旋藻工業(yè)養(yǎng)殖過程中污染防治研究進展

張楠，梅興國，2，吳詩

（1.湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所，北京 100850）

螺旋藻是藍綠色的絲狀藍細菌，商業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖中最常見的微藻[1]。螺旋藻已廣泛應(yīng)用于藥品、食品、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多個方面，因此螺旋藻的開發(fā)和應(yīng)用引起多地的高度重視[2]。20 世紀80 年代初，螺旋藻等微藻被引入我國，螺旋藻的工業(yè)化養(yǎng)殖標(biāo)志著我國微藻產(chǎn)業(yè)的開始。到目前為止，螺旋藻養(yǎng)殖業(yè)已成為我國重要的微藻產(chǎn)業(yè)之一，為使螺旋藻養(yǎng)殖的產(chǎn)率提高，減少養(yǎng)殖過程中的損失，現(xiàn)對螺旋藻工業(yè)養(yǎng)殖過程中的浮游動物和雜藻污染防治可行性手段進行綜述。

1 浮游生物

造成污染的浮游生物包括輪蟲、紅蟲、變形蟲、水蠅幼蟲等[3]。他們的繁殖能力極快，短短幾天時間內(nèi)可食光螺旋藻，破壞性極強，輕則減產(chǎn)，重則絕收。自20 世紀40 年代以來，為了防止螺旋藻生物量的減少，人們使用各種浮游動物控制方法，包括加熱、離心和使用化學(xué)品[4]。然而，這些方法通常效果不佳，到目前為止，還沒有可靠的浮游動物控制方法全面適用于的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。大規(guī)模生產(chǎn)中有效控制浮游動物的主要限制因素是涉及的水量大[5]，浮游動物休眠卵和通常對治療更具抵抗力的幼體的存在，最小化資本和運營成本的必要性等[6]。潛在的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中浮游動物控制方法具有成本效益、選擇性，且不會對微藻、水質(zhì)或有益的浮游動物產(chǎn)生有害影響。這些方法可分為物理法、化學(xué)法、生物法。所有的方法都集中在去除成蟲階段的浮游動物，當(dāng)常規(guī)應(yīng)用于短時間時，也會耗盡池塘中的休眠卵。

1.1 物理控制法

1.1.1 高溫 高溫可顯著降低浮游動物的存活率，并可用于抑制浮游動物在培養(yǎng)池中的數(shù)量，非常高的溫度（60～100 ℃）可以在短時間內(nèi)使用，但需要大量的能量[7]，而且還會對螺旋藻群落產(chǎn)生不利影響。中等熱處理（35～45 ℃）是可行的，尤其是當(dāng)有廢熱（例如發(fā)動機、發(fā)電機或渦輪機的冷卻液）可用時。雖然熱處理（35～38 ℃，持續(xù)數(shù)小時）已用于處理船舶壓載水，可以完全去除所有浮游動物，但它也殺死了大量微藻[7]。特定浮游動物的致死溫度取決于生物體的生理耐受性、適應(yīng)能力和溫度變化率，通常低于微藻死亡所需的溫度。螺旋藻在35～37 ℃有較好的耐熱性，溫度控制浮游動物的主要限制是需要大量的廢熱源，因此，培養(yǎng)池需要建造在靠近工廠的地方。

1.1.2 氣蝕 當(dāng)液體受到壓力的快速變化，低壓下產(chǎn)生的空腔會發(fā)生內(nèi)爆，釋放出的能量能夠在物理上破壞浮游動物的身體，從而產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象?？栈梢酝ㄟ^輻射聲波（聲波）和在液體介質(zhì)中產(chǎn)生水動力湍流而產(chǎn)生。超聲方法對生物體的結(jié)構(gòu)和功能有不利影響[8]，并且對大型浮游動物如杜氏錐蟲、褶皺臂尾輪蟲（臂尾輪蟲）和萼花雙歧桿菌等的滅活尤其有效，對微藻幾乎沒有影響[9]。通過迫使液體通過一個26 mm 的帶有孔板（75%開度）的管道實現(xiàn)氣蝕，單次通過后殺死80%大于50 μm 的浮游動物，兩次通過后殺死95%，能耗為0.31 kW/m3；使用直徑為21.5 mm 的穿孔板并以不同的配置（孔的數(shù)量、大小、形狀和配置）操作的設(shè)備在一次通過后殺死28%～81%的浮游動物和6%～46%的微藻[10]。

1.1.3 固體剪應(yīng)力 大型浮游動物可通過使用壓條機施加恒定、溫和的機械應(yīng)力而被殺死。球磨機的細胞破壞力是基于高剪切應(yīng)力的磨削，通常用于大規(guī)模加工。這種工業(yè)珠磨機由圓柱形室和中心軸組成，具有不同形狀的攪拌元件。攪拌器將動能傳遞給填充到室內(nèi)的玻璃/鋼珠。在珠子的接觸區(qū)，細胞的破壞是由于從珠子到細胞的剪切和能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致細胞壁的破壞而發(fā)生的[11-12]。藻類懸浮液在緩慢旋轉(zhuǎn)的裝置中緩慢流動，小球之間產(chǎn)生的摩擦力會殺死浮游動物。不同的小球大小和旋轉(zhuǎn)速度可以用來選擇性地殺死特定的浮游動物物種[4]。剪切應(yīng)力可以通過一個連接到閥門或彎管的廉價水泵來實現(xiàn)。該方案對微藻的影響較小，需要更簡單的設(shè)備，并將大幅降低資本成本和能源使用，這種壓條機結(jié)構(gòu)相對簡單，操作簡單，對螺旋藻沒有危害。

1.1.4 過濾法 目前防治輪蟲污染使用率最高的物理方法是過濾法。這個方法根據(jù)微藻和輪蟲體積大小的不同進行分離。螺旋藻的體積較小，細胞直徑一般3～30 μm。輪蟲的體積比螺旋藻的體積要大很多，如褶皺臂尾輪蟲是一種微小的多細胞動物，在海水中培養(yǎng)微藻最為常見[13]。使用尼龍網(wǎng)過濾法可以篩選掉體積較大的浮游動物[4]。用于壓載水處理的100 μm 和50 μm 自動反沖洗濾網(wǎng)過濾器，分別去除79%和89%的浮游動物[14]。篩孔尺寸為60 μm 的轉(zhuǎn)鼓過濾器已用于過濾較小的浮游動物物種。采用簡易壓載水處理系統(tǒng)，產(chǎn)生高濃度的氫氧根，并隨后溶解在高鹽度海水（HS）和低鹽度海水（LS）的不同鹽度的壓載水中，以消除浮游生物。在總殘留氧化劑（TRO）質(zhì)量濃度為0.41 mg/L 和0.93 mg/L 時，殺滅浮游動物的最大濃度分別為0.5×103細胞/mL 和1×104細胞/mL。此外，氫氧根有效地分解了大部分有機物[15]。在大規(guī)模養(yǎng)殖中，使用大網(wǎng)格過濾器控制枝角類動物可以使用一個被動系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)依賴于槳輪產(chǎn)生的流量（無需泵送），從而降低成本。

1.2 化學(xué)控制法

1.2.1 酸堿度 改變培養(yǎng)池的pH 值可以有效地控制浮游生物。螺旋藻的最佳生長pH 位為3～11。通過調(diào)節(jié)微藻培養(yǎng)液的pH 位，殺滅或控制浮游動物。枝角類動物可以耐受較寬的pH 值范圍，但當(dāng)pH值＞10.5 時，其死亡率急劇上升[16]。一些輪蟲，包括臂尾輪蟲，能夠耐受的pH 值甚至大于10[17－18]。應(yīng)小心控制pH 值，因為過高的pH 值可能對微藻有害，并誘導(dǎo)微藻自動絮凝，在培養(yǎng)池底部沉淀。

1.2.2 化學(xué)藥劑 化學(xué)藥劑對防治輪蟲等浮游動物也具有很顯著的作用，化學(xué)藥劑對輪蟲等浮游動物會有強烈的毒性，可致死，從而減少浮游動物對螺旋藻的破壞。但在螺旋藻的生長、光合作用中，化學(xué)藥劑會使其產(chǎn)生抑制或毒性[13]。Temephos 是一種有機磷殺蟲劑，質(zhì)量濃度為58.6 μg/L 時可殺死輪蟲，Temephos 半衰期在pH 值為7 時為28.7 d，可迅速吸附懸浮顆粒和沉積物，對微藻無害，處理后微藻的半衰期始終增加[19]。西維因是一種氨基甲酸酯與有機磷殺蟲劑一起作用的乙酰膽堿酯酶抑制劑[20]，質(zhì)量濃度為1 mg/L，置于小型、淺層、富營養(yǎng)化池塘的圍隔中，可殺死所有枝角類、輪蟲和潮婆魚幼蟲，處理時對微藻沒有表現(xiàn)出明顯的有害影響，枝角類的快速恢復(fù)可能也與化學(xué)物質(zhì)的快速消散有關(guān)。硫酸奎寧是一種抗原生動物的化學(xué)物質(zhì)，在室外培養(yǎng)鹽藻時被用來控制捕食性纖毛蟲，對藻類本身的損害很小，滅活纖毛蟲所需的劑量預(yù)計與滅活輪蟲所需的劑量相似[21]。使用化學(xué)物質(zhì)滅活大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的浮游動物是一個簡單而有效的選擇。然而，幾種化學(xué)品的應(yīng)用仍需在公頃級規(guī)模中進行測試。氯氰菊酯、氯菊酯和西維因用量少，失活時間快。硫酸奎寧對微藻的影響很小，因此很有前途，但是硫酸奎寧需要對輪蟲進行測試。需要更多關(guān)于廢水和沉積物中持久性的信息，并且應(yīng)根據(jù)具體化學(xué)品的成本、可用性和廢水排放限值進行選擇。

1.2.3 O2和CO2浮游動物是有氧生物，利用金屬蛋白、血紅蛋白或類似的更小的多域分子來運輸氧氣。因此，理論上可以通過去除水中的所有O2或通過抑制血紅蛋白的O2結(jié)合能力來控制。然而，浮游動物能夠忍受非常低的溶解氧條件。保持慢性ρ（CO2）在60～100 mg/L 之間的方法可減少微殼類動物的數(shù)量，通過使用慢性CO2質(zhì)量濃度為100 mg/L 的減少輪蟲種群，并在4 d 內(nèi)保持180 mg/L的CO2質(zhì)量濃度以根除輪蟲種群。溫和的水動力應(yīng)力降低了較大輪蟲物種的密度[22]。

1.3 生物控制

對輪蟲的防治采取生物控制可以使用病原體，目前控制螺旋藻培養(yǎng)中生物污染的可行方案中最好的。選擇這種方案是因為病原體對于浮游動物具有特異性作用，而對于螺旋藻幾乎沒有什么影響[13]。

2 雜藻

在螺旋藻養(yǎng)殖過程中，環(huán)境溫度低于20 ℃或遇陰雨天，缺乏光照，螺旋藻成長較為遲緩，當(dāng)發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)池中的培養(yǎng)液由藍變黃時，就應(yīng)考慮有其他的雜藻存在了[23]。研究表明主要的雜藻包括橢圓小球藻、假點頗藻、常綠針絲藻等。常綠針絲藻耐低溫特性比螺旋藻要強，且溫度適應(yīng)范圍和pH 值適應(yīng)范圍都比較寬，所以在低溫季節(jié)最易爆發(fā)的雜藻是常綠針絲藻。橢圓小球藻對溫度、pH 值的適應(yīng)性與螺旋藻都比較接近。假點頗藻的耐低溫特性比螺旋藻要差，要在高溫條件下才會發(fā)生污染， 所以其發(fā)生污染的機率較小[24]。

2.1 用薄膜覆蓋培養(yǎng)池

大部分室外池塘式養(yǎng)殖螺旋藻多半都是用透明薄膜覆蓋，以防止外界雜藻的污染和昆蟲的污染。螺旋藻只有在25～32 ℃的溫度下才會長勢良好，所以長時間使用透明薄膜覆蓋會提高培養(yǎng)池的溫度，尤其是在外界溫度較高時，培養(yǎng)池內(nèi)溫度升高后，螺旋藻生長也會受到抑制[25]，所以這個方法不可以作為最優(yōu)的選擇，因為在抑制雜藻的同時也抑制了螺旋藻的生長。

2.2 加大化學(xué)試劑的用量

使用化學(xué)試劑碳酸氫鈉時會抑制小球藻的生長，卻不會破壞螺旋藻的生長[26]。所以可以將碳酸氫鈉用于螺旋藻的大規(guī)模養(yǎng)殖。

3 結(jié)語

該文綜述了在螺旋藻大規(guī)模養(yǎng)殖中浮游動物控制的許多潛在選擇，還需要進一步的研究來證明它們的有效性?？傊菪逶诖笠?guī)模生產(chǎn)過程中受到污染是不可避免的，主要以預(yù)防為主，在源頭上解決污染是最有效的方法。工作人員需要每天做好檢查工作，做好pH 計、溫度傳感器、光量子傳感器、生物需氧量（BOD）和化學(xué)需氧量（COD）傳感器、氮和磷傳感器、顯微鏡鏡檢、光密度監(jiān)測等系列工作，建立完備的檔案資料，做到早發(fā)現(xiàn)早治療，減少損失，提高品質(zhì)。