小球藻對(duì)不同鹽度海水養(yǎng)殖尾水的凈化效果研究

宋元照, 李佳蕙, 董曉曉, 杜文勇, 姜海濱, 李 賢, 李 軍

小球藻對(duì)不同鹽度海水養(yǎng)殖尾水的凈化效果研究

宋元照1, 2, 李佳蕙2, 董曉曉2, 杜文勇1, 2, 姜海濱2, 李 賢3, 李 軍4

(1. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306; 2. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院, 山東 煙臺(tái) 264006; 3.中國(guó)海洋大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院, 山東 青島 266071; 4. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071)

微藻處理養(yǎng)殖尾水已成為熱點(diǎn)研究方向, 有關(guān)一定鹽度范圍內(nèi)海水養(yǎng)殖尾水的微藻處理研究較少。本試驗(yàn)調(diào)配了兩種鹽度(16和26)的海水養(yǎng)殖尾水, 以空白組作對(duì)照, 設(shè)置小球藻()初始接種密度梯度(5×105、1×106、2×106和3×106個(gè)/mL), 研究小球藻對(duì)海水養(yǎng)殖尾水中不同形態(tài)氮和磷的去除效果。結(jié)果表明, 小球藻在海水養(yǎng)殖尾水中生長(zhǎng)良好, 可有效去除尾水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽, 16鹽度組中各初始藻密度組對(duì)NH4+、NO3–和總?cè)芙鈶B(tài)氮(total dissolved nitrogen, TDN)的去除率分別為85.03%～85.87%、60.87%～63.70%和54.53%～57.64%, 組間無顯著差異(>0.05); 26鹽度組中除5×105組外, 其余藻密度組對(duì)NH4+、NO3–和TDN的去除率分別為87.23%～88.16%、56.70%～57.79%和53.31%～54.62%, 且組間無顯著差異(>0.05), 表明小球藻初始接種密度對(duì)尾水中氮鹽的去除無顯著影響。除5×105個(gè)/mL組外, 16與26鹽度組中對(duì)TDN的去除率無顯著差異, 表明鹽度變化對(duì)氮的去除無影響。隨著初始藻密度的升高, 16和26處理組對(duì)總?cè)芙鈶B(tài)磷(total dissolved phosphorus, TDP)的去除率均上升, 分別為76.13%～99.53%和63.72%～96.83%, 表明藻初始接種密度的升高可促進(jìn)尾水中磷的去除, 且鹽度升高沒有影響小球藻對(duì)磷的去除。本研究獲得了不同初始接種密度小球藻對(duì)一定鹽度范圍的海水養(yǎng)殖尾水的吸收利用特點(diǎn), 可為海水養(yǎng)殖尾水的生態(tài)化處理提供一定的理論基礎(chǔ)。

小球藻(); 鹽度; 接種密度; 海水; 水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水

在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色健康發(fā)展的國(guó)家方針政策的指導(dǎo)下, 高效處理海水養(yǎng)殖尾水并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]是保障水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。海水養(yǎng)殖尾水中含有較高濃度的有機(jī)物和N、P營(yíng)養(yǎng)鹽, 具有排放水量大、鹽度高等特點(diǎn)[2-3]。近年來, 隨著海水養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展, 大量未經(jīng)處理的養(yǎng)殖尾水直接排放到周圍環(huán)境中, 導(dǎo)致海洋環(huán)境惡化[4-5]。為有效治理養(yǎng)殖尾水污染, 防止養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化及赤潮等災(zāi)害的發(fā)生, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水質(zhì)調(diào)控開展了大量的研究工作[6-8]。物理法可濾除大顆粒懸浮物, 但無法深度處理養(yǎng)殖尾水; 化學(xué)法須注意藥劑殘留及副產(chǎn)物問題[9]; 生物法對(duì)無機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果有限[10]; 微藻能夠高效利用水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、凈化養(yǎng)殖水體、在養(yǎng)殖尾水中生長(zhǎng)迅速, 回收的藻類生物質(zhì)可用于開發(fā)生物燃料等高價(jià)值產(chǎn)品, 是一種優(yōu)良的生態(tài)處理方法[10-11]。

丁一等[12]對(duì)比了固定化海水小球藻()和懸浮藻液對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的處理效果, 發(fā)現(xiàn)固定化小球藻對(duì)氮磷去除效果更好, 將固定化藻球應(yīng)用于光生物反應(yīng)器可去除84.49%和72.17%的氨氮和磷酸鹽。對(duì)比不同接種濃度(0.1、0.2、0.3和0.4 g/L)海水小球藻對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的去除效果, 結(jié)果表明0.2 g/L組小球藻生長(zhǎng)狀況最好, 且對(duì)總?cè)芙鈶B(tài)氮(total dissolved nitrogen, TDN)和總?cè)芙鈶B(tài)磷(total dissolved phosphorus, TDP)的去除率最高, 分別為66.4%和94.3%[13]。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外研究主要涉及不同種類微藻[14]、光生物反應(yīng)器[15-16]、藻菌共生[17-18]和固定化技術(shù)[12, 19]等對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水的處理, 而對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的研究較少。海水養(yǎng)殖水體因養(yǎng)殖對(duì)象的適鹽范圍不同而具有不同的鹽度差異, 如凡納濱對(duì)蝦和斑節(jié)對(duì)蝦養(yǎng)殖尾水鹽度分別為20和21～24[20-21], 紅鰭東方鲀適宜鹽度范圍為15～35[22], 對(duì)一定鹽度范圍內(nèi)的海水養(yǎng)殖尾水的研究較為匱乏, 對(duì)不同接種密度微藻處理一定鹽度范圍內(nèi)的海水養(yǎng)殖尾水的研究甚少。

本研究以小球藻為研究對(duì)象, 將其接種于16和26海水養(yǎng)殖尾水中, 分析小球藻在兩種鹽度海水養(yǎng)殖尾水中的生長(zhǎng)狀況, 對(duì)比不同接種密度小球藻對(duì)海水養(yǎng)殖尾水中氮、磷的去除效果。旨在確定最佳藻接種密度, 為小球藻處理海水養(yǎng)殖尾水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 藻種的制備

試驗(yàn)藻種海水小球藻(編號(hào): ToCL007)由中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所提供, 適應(yīng)鹽度為16。試驗(yàn)前, 將藻種接入250 mL錐形瓶(含有100 mL的16‰滅菌f/2培養(yǎng)基)中, 進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng), 生長(zhǎng)7～8 d后, 將藻液分別轉(zhuǎn)移至16‰和26‰海水f/2培養(yǎng)基, 進(jìn)行16‰和26‰的擴(kuò)繁和鹽度馴化培養(yǎng)。每7～8 d轉(zhuǎn)接1次, 共轉(zhuǎn)接3～4次, 待小球藻處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期, 且藻數(shù)目達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí), 即可作為試驗(yàn)藻種, 離心(5 000 r/min, 4 ℃, 10 min)濃縮備用。

1.1.2 海水養(yǎng)殖尾水

基于前期對(duì)海水養(yǎng)殖尾水的調(diào)查測(cè)定, 配置了模擬養(yǎng)殖尾水, 高溫高壓滅菌后冷卻至室溫待用, 水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 模擬養(yǎng)殖尾水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)組共設(shè)9組, 分為16和26兩個(gè)鹽度及空白對(duì)照組, 每個(gè)鹽度組設(shè)4個(gè)藻濃度梯度, 分別為5× 105、1×106、2×106和3×106個(gè)/mL。每組設(shè)3個(gè)平行。在1 000 mL錐形瓶中加入500 mL模擬養(yǎng)殖尾水, 分別接入不同濃度的小球藻, 使錐形瓶中的初始藻數(shù)目分別達(dá)到5×105、1×106、2×106、3×106個(gè)/mL, 16‰系列表示為16 S-LD(5×105, Low Density)、16 S-MD(1× 106, Medium Density)、16 S-HD(2×106, High Den-si-ty)和16 S-MAD(3×106, Maximum Density), 對(duì)照組表示為16 S-Control; 26‰系列表示為26 S-LD、26 S-MD、26 S-HD和26 S-MAD, 對(duì)照組表示為26 S-Control。

1.3 培養(yǎng)條件及指標(biāo)測(cè)定

所有處理組錐形瓶在光照培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng), 設(shè)置溫度為25 ℃, 光照強(qiáng)度4 600 lx, 光暗比為24 h: 0 h進(jìn)行培養(yǎng)。試驗(yàn)持續(xù)72 h, 每隔8 h取樣45 mL, 測(cè)定藻液光密度OD750和葉綠素等藻生長(zhǎng)指標(biāo), 經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后測(cè)定氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、磷酸鹽、總氮和總磷等水質(zhì)指標(biāo)。

氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和磷酸鹽測(cè)定分別采用次溴酸鈉氧化法、萘乙二胺分光光度法、紫外分光光度法和磷鉬藍(lán)分光光度法[23], 總氮和總磷測(cè)定采用聯(lián)合消化法[24]。DO、pH和電導(dǎo)率測(cè)定采用YSI Professional Plus型水質(zhì)分析儀, 藻計(jì)數(shù)使用光學(xué)顯微鏡(XSP-BM-8ACS, 彼愛姆)和血球計(jì)數(shù)板。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Office ExcelTM處理數(shù)據(jù), 使用SPSS Statistics 24.0對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),<0.05為差異顯著, 試驗(yàn)制圖采用Originlab Origin Pro 2021TM。比生長(zhǎng)速率公式如下:

式中,為比生長(zhǎng)速率(單位為d–1),0是初始藻細(xì)胞密度(個(gè)/mL),N是時(shí)間后的藻細(xì)胞密度(個(gè)/mL),為培養(yǎng)時(shí)間(d)。

營(yíng)養(yǎng)鹽去除率()計(jì)算公式如下:

0和C分別為營(yíng)養(yǎng)鹽初始濃度和小時(shí)之后的質(zhì)量濃度(mg/L)

葉綠素測(cè)定參照RITCHIE[25]的公式, 如下:

Chl= 0.060 4×A632 nm?4.522 4×A649 nm+

13.296 9×A665 nm?1.745 3×A696 nm.(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 小球藻生長(zhǎng)情況

由圖1可知, 在72 h的培養(yǎng)期中, 小球藻的OD750值和葉綠素含量顯著增加(<0.05), 且沒有明顯的停滯期, 表明在不同鹽度、不同接種密度條件下, 小球藻均能快速適應(yīng), 且生長(zhǎng)良好。如圖2(a)所示, 16 S中LD、MD、HD和MAD各組間的比生長(zhǎng)速率均有顯著性差異(<0.05), 且隨著接種密度的升高, 小球藻比生長(zhǎng)速率逐漸下降, 各組比生長(zhǎng)速率分別為0.612、0.505、0.360和0.272/d。藻接種密度和比生長(zhǎng)速率的相關(guān)性分析顯示兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(= –0.989,<0.05), 26 S中各組間比生長(zhǎng)速率也是如此(= –0.975,<0.05), 各組比生長(zhǎng)速率分別為0.648、0.512、0.412和0.312/d。這一結(jié)果表明, 低接種密度有利于小球藻在養(yǎng)殖尾水保持較高的比生長(zhǎng)速率。

圖1 不同接種密度小球藻在海水養(yǎng)殖尾水中的OD750值(a)和葉綠素a濃度(b)變化特征

16 S-LD, 16 S-5×105組; 16 S-MD, 16 S-1×106組; 16 S-HD, 16 S-2×106組; 16 S-MAD, 16 S-3×106組; 26 S-LD, 26 S-5×105組; 26 S-MD, 26 S-1×106組; 26 S-HD, 26 S-2×106組; 26 S-MAD, 26 S-3×106組; 下同

16 S-LD, 16 S-5×105group; 16 S-MD, 16 S-1×106group; 16 S-HD, 16 S-2×106group; 16 S-MAD, 16 S-3×106group; 26 S-LD, 26 S-5×105group; 26 S-MD, 26 S-1×106group; 26 S-HD, 26 S-2×106group; 26 S-MAD, 26 S-3×106group; et sequential

圖2 不同接種密度小球藻在海水養(yǎng)殖尾水中的比生長(zhǎng)速率(a)及相關(guān)性分析圖(b)

如圖2(a)所示, 26 S中LD、HD和MAD組的比生長(zhǎng)速率顯著高于16 S中對(duì)應(yīng)藻密度組(<0.05), 分別高出5.56%、10.44%和12.82%, 而兩個(gè)鹽度間MD藻密度的比生長(zhǎng)速率無顯著差異(>0.05)。金偉[26]指出在一定鹽度范圍內(nèi), 藻類增長(zhǎng)隨著鹽度的升高而加快, 而超過一定范圍后, 鹽度越大, 藻生長(zhǎng)越慢。

2.2 小球藻對(duì)NH4+-N的去除效果

由圖3可知, 試驗(yàn)一開始16 S和26 S中各個(gè)藻密度組的NH4+-N濃度均顯著低于對(duì)照組(<0.05), 其中16 S中各個(gè)藻密度組的NH4+-N濃度在48～56 h降至最低值, 26 S在16～24 h降至最低。72 h后, 16 S中LD、MD、HD和MAD組的NH4+-N去除率分別為85.03%、85.59%、85.87%和85.31%(表2), 組間無顯著性差異(>0.05); 72 h后, 26 S中LD、MD、HD和MAD組的NH4+-N去除率分別為86.92%、87.59%、88.16%和87.23%, 組間無顯著性差異(> 0.05)。由圖3可知, 幾乎所有處理組均可實(shí)現(xiàn)NH4+-N的高效去除, 且藻初始接種密度對(duì)氨氮的最終去除率無顯著影響。

圖3 不同處理組對(duì)海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)氨氮的去除效果分析

表2 不同初始接種密度對(duì)小球藻去除營(yíng)養(yǎng)鹽效率的影響

注: 表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一列右上角含有相同英文字母表示無顯著差異(>0.05)

由于16 S中的各藻密度組的NH4+-N從56 h開始緩慢上升, 而26 S中的NH4+-N一直保持低濃度至試驗(yàn)結(jié)束, 使得同一藻密度組在兩個(gè)鹽度間對(duì)NH4+-N的去除率具有顯著性差異(<0.05), 且26 S對(duì)NH4+-N的去除率整體高于16 S體系(表2), 因此小球藻在26 S中的NH4+-N去除效果好于16 S中的去除效果。

2.3 小球藻對(duì)NO3–-N的去除效果

由圖4可知, 所有藻密度組均表現(xiàn)出很好的NO3–-N去除能力。16 S中各藻密度組的NO3–-N濃度從24 h后開始顯著下降(<0.05), 至72 h時(shí)LD、MD、HD和MAD組的NO3–-N去除率分別為62.57%、61.66%、63.70%和60.87%(表2), 各組間沒有顯著差異(>0.05), 表明16 S中的藻初始接種密度對(duì)NO3–-N去除率無顯著影響。26 S中的各藻密度組間NO3–-N開始下降的時(shí)間有差別, MAD組的NO3–-N從8 h后開始下降, MD和HD組的NO3–-N從16 h后開始下降, 而LD組的NO3–-N從24 h開始減少, 至72 h時(shí)LD、MD、HD和MAD組的NO3–-N去除率分別為45.68%、57.79%、56.70%和56.99%, 其中LD組對(duì)NO3–-N去除效果不佳, 去除率顯著低于其余組別(<0.05); 而隨著接種密度的升高, NO3–-N去除率并未表現(xiàn)出差異, 表明26 S中較高的藻初始接種密度對(duì)NO3–-N去除率無顯著影響。從經(jīng)濟(jì)方面考慮, 在去除率無顯著差異的情況下, 優(yōu)先選擇低接種密度, 因此16 S-LD、16 S-MD和26 S-MD組效果最好。

圖4 不同處理組對(duì)海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)硝態(tài)氮的去除效果分析

試驗(yàn)結(jié)束時(shí), 兩個(gè)鹽度中同一初始藻密度對(duì)NO3–-N的去除率顯示, 26 S-LD組去除率顯著低于16 S-LD組(<0.05), HD組也存在相同的現(xiàn)象(<0.05), 其余藻密度(MD和MAD)在兩個(gè)鹽度間對(duì)NO3–-N的去除率無顯著性差異(>0.05)。如表2所示, 16 S的NO3–-N去除率整體高于26 S, 表明小球藻在16 S中的NO3–-N去除效果好于26 S中的去除效果。

2.4 小球藻對(duì)NO2–-N濃度的影響

從圖5可知, 16 S和26 S各藻密度組的NO2–-N濃度呈整體上升趨勢(shì)。72 h后, 16 S中LD、MD、HD和MAD組的NO2–-N濃度分別由最初的0.209 mg/L上升至0.354、0.562、0.559和0.513 mg/L, 26 S中LD、MD、HD和MAD組分別由最初的0.198 mg/L上升至0.368、0.452、0.516和0.526 mg/L。表明小球藻在吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的過程中, 水體中產(chǎn)生了NO2–-N的積累。

2.5 小球藻對(duì)TDN的去除效果

16 S和26 S中各藻密度組(LD、MD、HD和MAD組)對(duì)養(yǎng)殖尾水中TDN的去除效果如圖6所示。16 S中, TDN濃度從第0 小時(shí)開始下降, 至試驗(yàn)結(jié)束時(shí), LD、MD、HD和MAD組的TDN去除率分別為54.53%、57.64%、55.53%和54.98%, 各組間沒有顯著差異(> 0.05), 表明16 S中的藻接種密度對(duì)TDN去除率無顯著影響; 26 S中, TDN濃度從第0小時(shí)開始下降, 至試驗(yàn)結(jié)束時(shí), LD、MD、HD和MAD組總氮去除率分別為44.23%、54.13%、54.62%和53.31%。其中MD組在16～ 56 h內(nèi)去除效果不及其余各組, 但至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)對(duì)TDN的去除率升至54.13%, 與HD和MAD組(去除率為54.62%)沒有顯著差異(>0.05)。LD組對(duì)TDN的去除率最低, 為44.23%(<0.05), 表明26 S中較高接種密度組對(duì)TDN的去除率沒有差異, 因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮, 16 S-LD、16 S-MD和 26 S-MD組去除TDN效果最好。

圖5 不同處理組在海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)亞硝態(tài)氮的變化情況

圖6 不同處理組對(duì)海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)總?cè)芙鈶B(tài)氮的去除效果分析

兩個(gè)鹽度下同一接種密度對(duì)TDN的去除率顯示, 26 S-LD組的TDN去除率顯著低于16 S-LD組(<0.05); 其余藻密度對(duì)TDN的去除率均無顯著差異(>0.05), 表明小球藻在16 S和26 S中對(duì)TDN的去除效果相同。

2.6 小球藻對(duì)PO43–-P的去除效果

對(duì)尾水中PO43–-P的去除結(jié)果顯示(圖7), 各個(gè)藻密度組從試驗(yàn)開始即對(duì)PO43–-P表現(xiàn)出迅速吸收的趨勢(shì)。至試驗(yàn)結(jié)束, 16 S中的LD、MD、HD和MAD藻密度組對(duì)PO43–-P的去除率分別為79.38%、88.27%、97.72%和99.71%(表2), HD組和MAD組間無顯著差異(0.05), 且去除率均顯著高于其余組別(<0.05), LD的PO43–-P去除率顯著低于MD組(<0.05), 表明16 S中HD和MAD組的PO43–-P去除效果最好; 26 S的LD、MD、HD和MAD藻密度組對(duì)PO43–-P的去除率分別為59.87%、91.25%、98.90%和99.05%, HD和MAD組無顯著性差異(0.05), 且去除率均顯著高于其余組別(<0.05), LD組的PO43–-P去除率顯著低于MD組(<0.05), 即初始接種密度升高, PO43–-P去除率隨之升高, 表明26 S中HD和MAD組的PO43–-P去除效果最好。

圖7 不同處理組對(duì)海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)磷酸鹽的去除效果分析

兩個(gè)鹽度中同一藻密度組對(duì)PO43–-P的最終去除率顯示, 16 S-LD組顯著高于26 S-LD組(0.05), 16 S-MD和26 S-MD組間無顯著差異(0.05), HD組和MAD組均存在相同的現(xiàn)象(0.05), 表明在較高藻密度(MD、HD和MAD)下, 鹽度對(duì)同一初始藻接種密度的PO43–-P去除率無顯著影響。

2.7 小球藻對(duì)海水養(yǎng)殖尾水中TDP的去除效果

如圖8所示, TDP下降趨勢(shì)與PO43–-P下降趨勢(shì)一致。72 h后, 16 S中的LD、MD、HD和MAD藻密度組對(duì)TDP的去除率分別為76.13%、86.07%、98.31%和99.53%, HD組和MAD組間無顯著差異(0.05), 且去除率均顯著高于其余組別(<0.05), LD的TDP去除率顯著低于MD組(<0.05), 表明16 S中HD和MAD組的TDP去除效果最好; 26 S中的LD、MD、HD和MAD組對(duì)TDP的去除率分別為63.72%、91.80%、96.83%和96.52%, HD和MAD組間無顯著性差異(0.05), 且去除率均顯著高于其余組別(< 0.05), LD組的TDP去除率顯著低于MD組(<0.05), 表明26 S中HD和MAD組的TDP去除效果最好。

圖8 不同處理組對(duì)海水養(yǎng)殖尾水16 S(a)和26 S(b)總?cè)芙鈶B(tài)磷的去除效果分析

對(duì)比兩個(gè)鹽度中同一藻密度組對(duì)TDP的去除率, 16 S-LD組TDP去除率顯著高于26 S-LD組的去除率(<0.05), 16 S-MD組TDP去除率顯著低于26 S-MD組, 16 S-HD和26 S-HD組間無顯著性差異(0.05), 16 S-MAD組TDP去除率顯著低于26 S-MAD組, 表明較高接種密度(HD和MAD)下, 鹽度變化沒有對(duì)小球藻去除TDP產(chǎn)生影響。

3 討論

3.1 不同接種密度對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)的影響

本研究中, 鹽度和藻接種密度的變化未對(duì)小球藻生長(zhǎng)造成影響, 該藻株在16和26尾水中均表現(xiàn)出良好的生長(zhǎng)狀況。16 S和26 S中, 隨著藻初始接種密度的升高, 小球藻的比生長(zhǎng)速率顯著下降, 表明起始接種密度影響了小球藻的生長(zhǎng), 兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。NASIR等[27]研究發(fā)現(xiàn), 小球藻在初始接種濃度10%、20%和30%時(shí)的比生長(zhǎng)速率較高, 而在40%、50%和60%時(shí)的比生長(zhǎng)速率降低。LIU等[28]報(bào)道, 擬小球藻(TY)的最大比生長(zhǎng)速率出現(xiàn)在25～100 mg/L接種濃度范圍內(nèi), 顯著高于200和400 mg/L的藻接種濃度, 與本研究結(jié)果趨勢(shì)一致。本研究使用批次模式培養(yǎng)小球藻, 一個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)尾水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是有限的, 隨著初始接種密度的升高, 藻對(duì)有限養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)加劇, 抑制了藻生物量對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收同化, 致使高接種密度藻比生長(zhǎng)速率下降[29-30]。低密度藻生長(zhǎng)迅速, 在節(jié)省成本的同時(shí)可以獲得較好的藻生長(zhǎng)狀況。

對(duì)比兩個(gè)鹽度中同一藻密度組的比生長(zhǎng)速率, 除1×106組無顯著差異外, 16 S體系中的其余藻密度組的比生長(zhǎng)速率均低于26 S中的對(duì)應(yīng)藻密度組(< 0.05), 表明小球藻在26 S中的生長(zhǎng)效果整體優(yōu)于16 S。盡管有許多研究表明鹽度升高抑制藻生長(zhǎng)[31-33], 然而對(duì)于適鹽范圍廣的藻而言, 在一定鹽度范圍內(nèi), 藻類增長(zhǎng)隨著鹽度的升高而加快, 而超過一定范圍后, 鹽度越大, 藻生長(zhǎng)越慢[26]。劉加慧等[34]的研究表明, 小球藻(spCHX-1)比生長(zhǎng)速率在15～ 30的鹽度范圍內(nèi)隨鹽度升高呈上升趨勢(shì)。MOHSENI等[35]發(fā)現(xiàn), 在5～15 g/L總鹽度(Total Dissolved Sali-nity, TDS)范圍內(nèi), 微擬球藻()的比生長(zhǎng)速率(SGR)由0.24/d上升至0.30/d。本試驗(yàn)結(jié)果表明小球藻在16～26鹽度范圍內(nèi)生長(zhǎng)良好, 可應(yīng)用于海水養(yǎng)殖尾水的生態(tài)處理。

3.2 不同接種密度小球藻對(duì)養(yǎng)殖尾水中NH4+-N的去除

16 S和26 S各個(gè)藻密度組對(duì)NH4+-N展現(xiàn)了很高的去除率。至試驗(yàn)結(jié)束, 同一鹽度(16 S或26 S)中不同接種密度小球藻對(duì)NH4+-N的去除率沒有顯著性差異(>0.05)。然而LIU等[28]的研究發(fā)現(xiàn), 在25～ 400 mg/L擬小球藻接種濃度范圍內(nèi), 100 mg/L組對(duì)NH4+-N的去除率最高, 從高濃度6.25 mg/L降至0.24 mg/L; 而龐昊[36]接種0.1、0.2、0.3和0.4 g/L海水小球藻處理海水養(yǎng)殖廢水, 發(fā)現(xiàn)0.2 g/L組對(duì)廢水中1 mg/L的NH4+-N去除效果最好。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究不一致, 可能是因?yàn)樵撝晷∏蛟寰哂休^強(qiáng)的NH4+-N去除能力, 且初始NH4+-N濃度較低。相比吸收其他形態(tài)的氮(如硝酸鹽), 藻吸收NH4+-N消耗的能量最低, 因而吸收速率較快[37]。試驗(yàn)后期16 S體系養(yǎng)殖尾水的NH4+-N濃度有所上升, 26 S中的小球藻對(duì)NH4+-N的去除率整體高于16 S體系, 可能是因?yàn)槭褂梦⒃宓壬锓椒ㄈコ隣I(yíng)養(yǎng)鹽的過程中會(huì)伴隨生物體的衰亡[38], 實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)了部分藻的死亡分解而導(dǎo)致氨氮升高。

3.3 不同接種密度小球藻對(duì)養(yǎng)殖尾水中NO3–-N的去除

由于藻細(xì)胞吸收NH4+-N所需的能量最少, 能量效率最高, 因此絕大部分藻類優(yōu)先利用水體中的NH4+-N, 而NO3–-N吸收順序在NH4+-N之后, 這是因?yàn)镹O3–-N需通過酶還原為NO2–-N再還原成NH4+-N才能被同化利用[37, 39]。本研究中, 小球藻對(duì)3種形態(tài)氮的吸收具有明顯的先后特性。首先是NH4+-N濃度快速下降, 而后開始吸收NO3–-N和NO2–-N。16 S中, NO3–-N從24 h開始下降, 此時(shí)各組NH4+-N濃度均已降至0.2 mg/L以下; 26 S體系中, 盡管各組NO3–-N下降時(shí)間不一致, 但NH4+-N濃度均降至0.2 mg/L以下后NO3–-N開始下降。

16 S和26 S各個(gè)藻密度組對(duì)NO3–-N展現(xiàn)了較高的去除率。16 S中不同接種密度小球藻對(duì)NO3–-N的去除率沒有顯著性差異(>0.05); 26 S體系中, 5×105組去除率顯著低于其余組別(<0.05), 其余組間無顯著性差異(>0.05)。表明小球藻的接種密度對(duì)NO3–-N的去除率沒有顯著影響。微藻同化吸收是去除水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的主要途徑, 因此微藻的生長(zhǎng)是影響廢水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除的主要因素[40-41], 對(duì)比圖1、圖2和圖4可知, 尾水中NO3–-N的去除與小球藻生長(zhǎng)明顯相關(guān), 因此可以推斷小球藻的生長(zhǎng)促進(jìn)了NO3–-N的去除。對(duì)比兩個(gè)鹽度中同一藻密度組對(duì)NO3–-N的去除量, 除5×105個(gè)/mL組外, 其余組間對(duì)NO3–-N的去除率均無顯著差異, 表明鹽度變化對(duì)小球藻吸收NO3–-N無顯著影響, 因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮, 可選擇低接種密度, 16 S-5×105、16 S-1×106和26 S-1×106組效果最好, 該株小球藻可以應(yīng)用于16～26鹽度范圍內(nèi)的養(yǎng)殖尾水的處理。

3.4 養(yǎng)殖尾水中NO2–-N濃度升高

16 S和26 S中的不同藻密度組的NO2–-N從第8 小時(shí)開始均明顯上升, 這一結(jié)果與吳楠[42]的研究結(jié)果類似, 可能是小球藻對(duì)NO3–-N的利用轉(zhuǎn)化造成的。藻細(xì)胞吸收NO3–-N需要通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶將其轉(zhuǎn)化為NH4+-N才能被同化利用[39]。同時(shí)硝酸鹽還原酶是一種底物誘導(dǎo)酶, 水體中高濃度的NO3–-N會(huì)導(dǎo)致藻體內(nèi)的硝酸鹽還原酶活性升高, 當(dāng)硝酸鹽還原酶形成的亞硝酸鹽大于亞硝酸鹽還原酶降低的亞硝酸鹽時(shí), 水體中亞硝酸鹽就會(huì)發(fā)生積累[43-45]。本試驗(yàn)中NO2–-N持續(xù)上升至試驗(yàn)結(jié)束, 可能是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)間較短, NO3–-N還未降至較低濃度, 而后藻細(xì)胞才能大量吸收利用NO2–-N。馬紅芳等[44]利用柵藻處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水時(shí)發(fā)現(xiàn), 隨著NO3–-N濃度的降低, 試驗(yàn)第8天后, 廢水中試驗(yàn)前期所積累的NO2–-N含量迅速降低, 至第16 天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)NO2–-N已降至0.07 mg/L。

3.5 不同接種密度小球藻對(duì)養(yǎng)殖尾水中TDN的去除

各處理組對(duì)TDN的去除趨勢(shì)與NO3–-N的一致, 即從試驗(yàn)開始至結(jié)束一直保持快速下降趨勢(shì), 最終16 S體系中各藻密度組的TDN去除率無顯著差異, 26 S中除LD組外, MD、HD和MAD組的TDN去除率均較高, 且無顯著差異。PANG等[13]接種不同濃度(0.1、0.2、0.3和0.4 g/L干質(zhì)量)海水小球藻, 其中0.2 g/L組的TDN去除率顯著高于其余組別, 本試驗(yàn)結(jié)果與其不一致, 可解釋為本試驗(yàn)所用小球藻不同于前人所用藻, 且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除與生物量增長(zhǎng)密切相關(guān)[38], 表明小球藻的生長(zhǎng)促進(jìn)了TDN的去除。

對(duì)比兩個(gè)鹽度中同一藻密度組對(duì)TDN的去除率, 除16 S-5×105組去除率顯著高于26 S-5×105組外, 其余各組間均無顯著差異(>0.05), 表明鹽度變化對(duì)小球藻吸收TDN無顯著影響, 并可選擇合適的接種密度(1×106和2×106個(gè)/mL)處理16‰和26‰海水養(yǎng)殖尾水。

3.6 不同接種密度小球藻對(duì)磷的去除

尾水中磷濃度在試驗(yàn)初期呈快速下降趨勢(shì)(圖7、圖8)。16 S中, 各接種密度組對(duì)PO43–-P的去除率為79.38%～99.71%, 對(duì)TDP的去除率為76.13%～ 99.53%; 26 S中, 各接種密度下的小球藻對(duì)PO43–-P的去除率為59.87%～99.05%, 對(duì)TDP的去除率為63.72%～96.83%(表2)。隨著藻接種密度的升高, 磷的去除率也隨之升高, 表明藻初始接種密度的升高可促進(jìn)尾水中磷的去除。呂俊平等[46]設(shè)置25、50、100、200和400 mg/L接種濃度綠球藻(GD)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水, 其中100 mg/L接種濃度藻的總磷去除率最高, 為97.44%。NASIR等[27]研究發(fā)現(xiàn), 相較于其他體積分?jǐn)?shù)(10%、20%、40%和50%)的小球藻接種濃度, 30%接種濃度對(duì)PO43–-P去除率最高。本試驗(yàn)結(jié)果不同于前人的研究,這是因?yàn)槲⒃鍖?duì)磷的吸收有兩種機(jī)制, 分別為藻生物量的同化(例如磷脂等)和奢侈性吸收, 其中奢侈性吸收指的是微藻可以過量吸收PO43–-P, 并以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞中[47-48]。已有研究發(fā)現(xiàn)在一些微藻中觀察到了PO43–-P的過量吸收, 如柵藻(sp.)、小球藻(sp. KJ654316)和微擬球藻等[48-50]。本試驗(yàn)中可能存在奢侈性磷吸收現(xiàn)象, 同時(shí)小球藻生物量的增加促進(jìn)了磷的同化。

本試驗(yàn)結(jié)果表明, 鹽度變化對(duì)PO43–-P去除率無顯著影響, 且在較高初始藻密度(2×106和3×106個(gè)/mL)下對(duì)TDP的去除率在96.52%～99.53%范圍內(nèi), 鹽度變化未對(duì)TDP去除造成影響。MOHSENI等[35]發(fā)現(xiàn)鹽度升高(5～15 g/L TDS)并未導(dǎo)致微擬球藻對(duì)城市污水反滲透濃縮液中PO43–-P去除率的下降, 一方面是與NO3?和Cl?在高鹽度水平(>5 g/L TDS)的競(jìng)爭(zhēng)相比, PO43?和Cl?離子的吸收不具有競(jìng)爭(zhēng)性[51], 另一方面則是奢侈性吸收機(jī)制保證了鹽度升高期間的磷吸收速率。

4 結(jié)論

盡管有研究認(rèn)為藻初始濃度越高, 氮磷去除速率越快、最終去除量也越高[52], 但本研究發(fā)現(xiàn), 在低密度范圍(5×105～1×106個(gè)/mL)內(nèi), 氮磷去除率會(huì)隨著藻接種密度的升高而升高, 然而藻接種密度超過1×106個(gè)/mL后, 不同形態(tài)氮鹽的去除率并未明顯升高。因此需要選擇合適的藻接種密度, 提高氮磷去除效果的同時(shí)節(jié)省成本。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 初始接種密度為1×106個(gè)/mL(即MD組)時(shí), 小球藻對(duì)海水養(yǎng)殖尾水中富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)的去除效果優(yōu)于其他接種密度的處理效果, 或在去除效果相同的情況下, 單位藻密度的處理效率更高, 因此以1×106個(gè)/mL作為小球藻接種的最佳密度, 其能夠高效處理16～26鹽度范圍內(nèi)的海水養(yǎng)殖尾水, 在吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的同時(shí)高效積累生物質(zhì), 對(duì)小球藻用于海水養(yǎng)殖尾水的大規(guī)模處理很有裨益。

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Study on the purification effect ofon mari-culture wastewater at different salinities

SONG Yuan-zhao1, 2, LI Jia-hui2, DONG Xiao-xiao2, DU Wen-yong1, 2, JIANG Hai-bin2, LI Xian3, LI Jun4

(1. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shandong Marine Resource and Environment Research Institute, Yantai 264006, China; 3. Fisheries College, Ocean University of China, Qingdao 266001, China; 4. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Aquaculture wastewater treatment by microalgae has become a research hotspot, but few studies on mariculture wastewater treatment by microalgae in a certain salinity range have been published. In this work, we prepared two salinities (16 and 26) of mariculture wastewater, with four initial inoculation density gradients (5×105, 1×106, 2×106, and 3×106cells/mL) of(ToCL007) and blank as control. We investigated the effects ofon the removal of nitrogen and phosphorus in different ratios in mariculture wastewater. Both the satisfactory growth ofand its effective removal of nitrogen and phosphorus nutrients in the mariculture wastewater were observed. At a salinity of 16, removal rates of 85.03%–85.87%, 60.87%–63.70%, and 54.53%–57.64% for NH4+, NO3?, and total dissolved nitrogen (TDN) were measured in the initial algae density groups, respectively [no significant difference between groups (0.05)]. At a salinity of 26, except for the 5×105group, removal rates of 87.23%–88.16%, 56.70%–57.79%, and 53.31%–54.62% for NH4+, NO3?, and TDN, respectively, were calculated in the other algae density groups [no significant differences among groups (0.05)]. This shows that the initial inoculation density had no significant effect on nitrogen removal in wastewater. Except for the 5×105cells?mL?1group, there was no significant difference in TDN removal rates between salinities of 16 and 26, indicating that a change in salinity had no effect on nitrogen removal. With increasing initial algal density, the total dissolved phosphorus (TDP) removal rate increased for the 16 and 26 treatment groups, from 76.13% to 99.53% and 63.72% to 96.83%, indicating that increasing initial algal density promoted phosphorus removal in wastewater and increasing salinity did not inhibit phosphate removal by. In addition, the characteristics of assimilation and utilization of mariculture wastewater bywith different initial inoculation densities were obtained, providing a theoretical basis for the ecological treatment of mariculture wastewater.

; salinity; inoculation density; seawater; aquaculture wastewater

May 25, 2022

S949

A

1000-3096(2022)11-0126-13

10.11759/hykx20220525005

2022-05-25;

2022-06-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2020YFD0900600); 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-47); 山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(SD2019YY011)

[The National Key R&D Program of China, No. 2020YFD0900600; China Agriculture Research System, No. CARS-47; Major Agricultural Application Technology Innovation Project of Shandong Province, No. SD2019YY011]

宋元照(1997—), 男, 山西文水人, 碩士研究生, 主要從事養(yǎng)殖尾水處理及資源化利用研究, E-mail: 1324055403@qq.com; 李賢(1985—),通信作者, E-mail: lixian@ouc.edu.cn

(本文編輯: 譚雪靜)