外源有機(jī)碳濃度對藻菌關(guān)系及氮磷去除的影響

秦攀偉，吳克明，劉俊琢，吳永紅

(1. 武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081； 2. 中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京, 210008)

如何高效且環(huán)境友好地去除與回收水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)從而凈化水質(zhì)一直是全球資源環(huán)境研究者關(guān)注的焦點問題[1]。藻類通過吸收水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行光合作用，可以凈化水質(zhì)并固定二氧化碳，減少溫室氣體的排放，該方法不僅經(jīng)濟(jì)高效，而且符合生態(tài)規(guī)律。

長期以來，利用藻類去除氮、磷的研究主要集中于藻種的篩選及其去除效果的比較，經(jīng)常忽略異養(yǎng)細(xì)菌在其中所起的作用[2]。藻類和細(xì)菌間存在著共生、競爭、拮抗等相互關(guān)系，但這種相互關(guān)系如何影響藻類對水體氮、磷的去除能力還需開展深入研究。此外，可溶性有機(jī)碳含量對藻、菌相互關(guān)系具有顯著影響，在藻菌體系中，雖然只有異養(yǎng)細(xì)菌的生長受可溶性有機(jī)碳的限制[3]，但細(xì)菌的生長和代謝變化會使藻、菌相互關(guān)系發(fā)生變化，并改變水體中的pH和溶解氧等環(huán)境因子，進(jìn)一步影響藻菌體系整體的生理和生態(tài)功能。本文以地衣芽孢桿菌和絲藻的復(fù)合體系為研究對象，重點研究了不同濃度有機(jī)碳條件下藻、菌關(guān)系及其氮、磷去除能力，探討如何通過調(diào)控外源碳濃度來提升藻菌體系富集營養(yǎng)物的能力，以期為優(yōu)化利用藻菌體系凈化水質(zhì)提供參考。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗藻種與菌種

實驗藻種選用絲藻(Ulothrixsp.，中國科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫，編號FACHB-494)，純藻液使用滅菌處理后的WC培養(yǎng)基[4]在25 ℃光照恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光照度為4000 lux，光暗比為12 h∶12 h。實驗菌種選用地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis，中國普通微生物菌種保藏中心，編號CGMCC 1.807)，經(jīng)恢復(fù)培養(yǎng)后接種于LB培養(yǎng)基，放置在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為100 r/min的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后備用。

1.2 人工模擬含氮、磷廢水制備

為避免諸多不確定因素對實驗結(jié)果的干擾，以不含氮、磷的WC培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，加入(NH4)2SO4及KH2PO4(均為分析純)模擬含氮、磷廢水，水體中主要化學(xué)物質(zhì)質(zhì)量濃度指標(biāo)：TN為15mg/L、TP為1.5mg/L、CaCl2·2H2O為 36.76 mg/L、MgSO4·7H2O為36.79 mg/L、NaHCO3為12.6mg/L、Na2SiO3·9H2O為28.42 mg/L、H3BO3為24 mg/L。將模擬廢水置于高溫滅菌鍋中121 ℃滅菌處理30 min，隨后冷卻至室溫，再用0.1 mol/L的鹽酸或氫氧化鈉將其pH值調(diào)至7。

1.3 實驗過程

1.3.1 有機(jī)碳的加入

將模擬廢水分為5組，其中4組分別添加適量葡萄糖(分析純)使水體中葡萄糖質(zhì)量濃度ρ依次為20、50、100、150 mg/L。

1.3.2 接種處理

絲藻接種時取無菌培養(yǎng)的純種絲藻，將其經(jīng)鑷子擠壓至無明顯水分析出后稱取0.1 g轉(zhuǎn)接至100 mL模擬廢水中；地衣芽孢桿菌接種時吸取菌液2 mL(大約106CFU/mL)，以4000 r/min的速率離心處理10 min，去除上清液后，用無菌水洗滌2次，然后接種到100 mL模擬廢水中；藻菌組合接種處理時按上述步驟分別將絲藻及地衣芽孢桿菌接種至同一裝有100 ml模擬廢水的錐形瓶中。5組模擬廢水均按上述步驟分別進(jìn)行絲藻、地衣芽胞桿菌以及藻菌組合的接種處理，每種處理重復(fù)3次。以上操作全部在無菌條件下進(jìn)行，接種完成后錐形瓶覆以透氣無菌封口膜，置于25℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光暗比為12h∶12h。

1.3.3 指標(biāo)測定

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所得實驗數(shù)據(jù)借助SPSS 21.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行比較和分析。模擬水體中氮、磷的去除率計算公式為

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 絲藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒庵底兓治?/h3>

水體中絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵禍y試結(jié)果如圖1所示。由如圖1(a)可以看出，在不含葡萄糖的模擬水體中，藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實時熒光值從實驗開始一直高于純絲藻體系相應(yīng)值，并在實驗第5日達(dá)到最大值5123，比純絲藻體系相應(yīng)值4537增加了12.9%，表明地衣芽孢桿菌促使絲藻的生物量顯著增加(p<0.05)，這與Liang等[7]的研究結(jié)果一致。然而到了實驗第7日，藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實時熒光值明顯下降，而純藻體系中絲藻細(xì)胞的相應(yīng)值持續(xù)增加最終超過前者。造成這種現(xiàn)象的原因可能是藻菌快速生長使培養(yǎng)基微環(huán)境發(fā)生變化，如有毒代謝物的產(chǎn)生、營養(yǎng)物不足或環(huán)境pH值的改變等，從而導(dǎo)致絲藻生長過程衰退[8]；從圖1(b)可知，同樣的現(xiàn)象發(fā)生在葡萄糖質(zhì)量濃度為20mg/L的水體環(huán)境中，藻菌體系的生物量從實驗開始至實驗第5日始終高于純絲藻體系相應(yīng)值(p<0.05)，但二者差距較未添加葡萄糖時有所減小。實驗第7日藻菌體系的生物量急劇下降，而純絲藻體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實時熒光值繼續(xù)上升達(dá)至最大值5108，這與藻菌體系在實驗第5日獲得的最大葉綠素?zé)晒庵?226無明顯差異(p>0.05)，上述結(jié)果表明，地衣芽孢桿菌在外加有機(jī)碳濃度較低時促進(jìn)了絲藻的生長，縮短了絲藻的生長周期；由圖 1(c)可見，當(dāng)模擬水體中葡萄糖質(zhì)量濃度為50 mg/L時，純絲藻和藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵底兓€基本重合，二者熒光強(qiáng)度無明顯差異；當(dāng)葡萄糖質(zhì)量濃度增加到100 mg/L(圖1(d))和150 mg/L(圖1(e))時，純絲藻和藻菌體系絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵涤珠_始出現(xiàn)明顯差異(p<0.05)，但與圖1(a)、1(b)測試結(jié)果不同的是，此時地衣芽孢桿菌明顯抑制了絲藻的生長，表明細(xì)菌和藻類的相互作用并非一成不變，而是隨著水體環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這與Guo等[9]的研究結(jié)果一致，當(dāng)培養(yǎng)條件從光合自養(yǎng)變?yōu)楣夂袭愷B(yǎng)時，小球藻與假單胞菌的關(guān)系從共生轉(zhuǎn)變?yōu)楦偁?。地衣芽孢桿菌對絲藻生長的抑制作用可能是因藻菌對限制性營養(yǎng)物質(zhì)競爭所造成[10]，由于水體中葡萄糖濃度增加，細(xì)菌生長速度加快，它們的迅速增殖將消耗更多的營養(yǎng)物質(zhì)，造成藻類生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)缺乏從而導(dǎo)致其生長受到限制，因此本文中高濃度葡萄糖添加條件下絲藻的葉綠素?zé)晒庵碉@著低于無葡萄糖添加條件下的相應(yīng)值(p<0.05)。

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

2.2 水體中氮濃度的變化分析

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

2.3 水體中磷濃度的變化分析

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)水體中葡萄糖質(zhì)量濃度不高于20 mg/L時，藻菌組合體系中地衣芽孢桿菌可以促進(jìn)絲藻生長，并能顯著促進(jìn)絲藻體系對水體中的氮、磷的去除；當(dāng)水體中葡萄糖質(zhì)量濃度高于50 mg/L時，地衣芽孢桿菌抑制絲藻生長，藻菌組合處理對水體中氮、磷的去除能力下降。

(2) 通過改變外源有機(jī)碳濃度可以調(diào)控藻、菌相互關(guān)系，從而使藻菌組合體系在實際應(yīng)用中能最大限度地發(fā)揮其污水凈化能力。

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