2種微藻對養殖水體中氨氮和亞硝態氮的凈化作用

劉 盼，賈成霞，楊 慕，曲疆奇，張 楠，張清靖

( 1.北京市水產科學研究所， 漁業生物技術北京市重點實驗室，北京 100068；2.農業部北方地區漁業資源環境科學觀測實驗站，北京 100068 )

集約化養殖業迅速發展，而水體污染已成為水產養殖業發展的瓶頸之一。養殖過程中的排泄物、殘餌以及用藥等，都會造成水產養殖水體的富營養化[1]。其中氨氮(NH4+-N)和亞硝態氮(NO2--N)是影響水產養殖水體健康的主要含氮污染物[2-4]。水體中的NH4+-N可在一定條件下轉化為NO2--N，而NO2--N是強氧化劑，可導致低氧血癥，使水產品的抗逆性下降[5-6]。目前治理水體富營養化主要是利用水生植物吸收水體中的營養鹽[7]，但在水產養殖水體中應用較少。單細胞藻類及高等水生植物生長過程均需吸收營養物質，起到一定的凈化水體作用，又可以實現水資源的再生利用[8]。近些年，有關藻類對富營養化水體中氮、磷等營養物的去除作用已有報道。張繼平等[9]研究表明，當NO2--N質量濃度一定時，接種密度為2.0×104個/mL的小球藻(Chlorella)對水體中的NO2--N有較高的去除效果。黃翔鵠等[10]研究指出，當牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)密度為0.6×108～1.0×108個/L時，水體中NH4+-N和NO2--N的去除率較高[10]。蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)不僅可作為水生經濟動物的優質天然餌料，還可吸收水中的氮、磷等元素，降低水體的富營養化水平，凈化水質[11-12]。柵藻(Scenedesmus)是常見的浮游藻類，其中斜生柵藻(S.obliquus)是綠球藻目中定形群體類型的常見藻類，也是富營養化水體中甲型中污帶的指示種[13]。

實驗室條件下，筆者模擬水產養殖水體中NH4+-N和NO2--N質量濃度，研究了蛋白核小球藻和斜生柵藻對NH4+-N和NO2-N的吸收速率和藻類的生長曲線，探討2種藻類去除這2種營養鹽的能力，為應用生物控制技術調控水產養殖富營養化水體水質提供參考。

1 材料與方法

1.1 藻種和培養基

蛋白核小球藻和斜生柵藻購自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫，編號分別為FACHB-5和FACHB-12。

采用BG11培養基為基礎進行培養，改變培養基中氮的含量，所有試劑均為分析純。

1.2 藻種的擴繁

將蛋白核小球藻和斜生柵藻儲備培養物轉接在新鮮無菌的BG11培養基中，于溫度26 ℃、光照8000 lx、光暗比12 h∶12 h下培養，使藻類在2～3 d達到對數生長期后，再轉接到新鮮BG11培養基中達到對數生長期，之后再次轉接到新鮮培養基，如此反復轉接培養2～3次，經檢查2種藻類生長旺盛并處于對數生長期后，用來進行試驗。

將藻類母液以8000 r/min離心10 min后，棄掉上清液，用無菌水反復洗滌3次，去除附著在藻類表面的營養鹽。試驗開始前先將藻類在低質量濃度營養鹽(0.01 mg/L)培養基中馴養3 d。實際藻類培養體積設為150 mL，藻體接種量為10%(體積比)，日搖瓶2次，錐形瓶隨機擺放，以減少光照度對藻類生長的影響。試驗開始時對藻類進行計數。

1.3 兩種微藻對不同NH4+-N質量濃度的去除率試驗

將培養基中的硝酸鈉換為氯化銨，使NH4+-N質量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每個質量濃度設3個平行。未添加氯化銨組為空白對照組。

1.4 兩種藻類對不同NO2--N質量濃度的去除率試驗

將培養基中的硝酸鈉更換為亞硝酸鈉，使NO2--N質量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每個質量濃度設3個平行。未添加亞硝酸鈉組為空白對照組。

每隔2 d測定藻細胞密度及NH4+-N和NO2--N質量濃度。數據采用Excel 2007進行統計和分析。試驗結果中的去除率均為已扣除空白對照組的數據。

2 結 果

2.1 蛋白核小球藻對NH4+-N和NO2--N的去除效率

在5個NH4+-N質量濃度試驗組中，試驗開始4 d，去除率曲線的斜率最大，說明蛋白核小球藻吸收NH4+-N的能力急速增強。隨著試驗時間延長，蛋白核小球藻對NH4+-N的去除率逐漸增加。經統計分析可知，自試驗開始8 d至試驗結束，蛋白核小球藻對NH4+-N 8 mg/L組的降解效果顯著高于0.5 mg/L組的降解效果(P<0.05)，而4、2 mg/L和1 mg/L組間則差異不顯著(P>0.05)。說明蛋白核小球藻在高NH4+-N質量濃度水體下更能發揮其吸收能力(圖1)。

與NH4+-N組類似，在5個試驗組別中，隨著培養基NO2--N質量濃度增高，蛋白核小球藻對NO2--N的去除率逐漸增大。自試驗開始第6 d，蛋白核小球藻對NO2--N 8 mg/L組的去除效果顯著高于4、2、1、0.5 mg/L(P<0.05)組，而NO2--N 4、2、1、0.5 mg/L組間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖1 蛋白核小球藻對NH4+-N的去除率

圖2 蛋白核小球藻對NO2--N的去除率

2.2 斜生柵藻對NH4+-N和NO2--N的去除效率

斜生柵藻對NH4+-N的去除效率見圖3。14 d時5個試驗組斜生柵藻對NH4+-N的去除率為54%～87%。斜生柵藻自試驗開始的第3～4 d開始吸收NH4+-N，NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的去除率最高。經統計分析可知，斜生柵藻對NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的去除效果顯著高于1 mg/L組和0.5 mg/L組(P<0.05)，而NH4+-N 4 mg/L組與2 mg/L組組間則差異不顯著(P>0.05)。說明斜生柵藻對NH4+-N 2 mg/L和4 mg/L組具有比較高的去除率。

斜生柵藻對NO2--N的去除效率見圖4。14 d時5個試驗組對NO2--N的去除率為52%～83%，其中去除效率最高的是NO2--N 0.5 mg/L組，其去除率達83.75%。統計分析結果顯示，斜生柵藻對NO2--N 0.5 mg/L組的去除效果顯著高于8 mg/L組(P<0.05)，而NO2--N 4 mg/L組、2 mg/L組和1 mg/L組組間差異不顯著(P>0.05)。這說明斜生柵藻在NO2--N 0.5 mg/L時能較好地發揮作用。

2.3 蛋白核小球藻和斜生柵藻對NH4+-N和NO2--N去除率的比較

蛋白核小球藻和斜生柵藻對NH4+-N的去除效率比較見圖5、圖6(同一試驗組內，a、b示差異顯著，a、a示差異不顯著)。在NH4+-N 4 mg/L時，斜生柵藻的去除率顯著高于蛋白核小球藻(P<0.05)；而在NH4+-N 8 mg/L組中，蛋白核小球藻對NH4+-N的去除率又顯著高于斜生柵藻(P<0.05)；在其余3個NH4+-N質量濃度(2、1、0.5 mg/L)下，2種藻類對NH4+-N的去除率差異并不顯著(P>0.05)。

在NO2--N 8 mg/L組和NO2--N 0.5 mg/L組中，蛋白核小球藻和斜生柵藻對NO2--N的去除率差異極顯著(P<0.01)；而在NO2--N 2 mg/L組，2種藻類的去除率則差異不顯著(P>0.05)。

圖3 斜生柵藻對NH4+-N的去除率

圖4 斜生柵藻對NO2--N的去除率

圖5 蛋白核小球藻和斜生柵藻對NH4+-N去除率的比較

圖6 蛋白核小球藻和斜生柵藻對NO2--N去除率的比較

2.4 蛋白核小球藻細胞密度的變化

蛋白核小球藻在5個NH4+-N質量濃度試驗組中的細胞密度變化見圖7。自試驗開始約第4 d，蛋白核小球藻迅速增殖，之后逐漸進入穩定增長期；隨著NH4+-N質量濃度降低，蛋白核小球藻的密度也逐漸減小。至14 d結束，NH4+-N 8 mg/L組蛋白核小球藻密度顯著高于0.5 mg/L組(P<0.05)，其細胞密度分別達到15.33×106個/L和3.67×106個/L。說明蛋白核小球藻在高質量濃度NH4+-N環境下更易增殖。

蛋白核小球藻在5個NO2--N質量濃度試驗組中的細胞密度變化見圖8。與NH4+-N試驗組類似，自試驗開始第4 d，蛋白核小球藻開始迅速增殖，之后進入相對穩定的增殖期。至14 d，NO2--N 8 mg/L組和4 mg/L組蛋白核小球藻的細胞密度顯著高于1 mg/L組和0.5 mg/L組(P<0.05)，而NO2--N 8 mg/L組、 4 mg/L組與1 mg/L組、0.5 mg/L組組間差異不顯著(P>0.05)。

圖7 NH4+-N試驗組中蛋白核小球藻的密度變化

圖8 NO2--N試驗組中蛋白核小球藻的密度變化

2.5 斜生柵藻的細胞密度變化

斜生柵藻自試驗開始第3～4 d增殖速率遞增，與蛋白核小球藻試驗組不同的是，NH4+-N 4 mg/L組和2 mg/L組的斜生柵藻細胞密度顯著高于8 mg/L組、 1 mg/L組和0.5 mg/組(P<0.05)；但是NH4+-N 4 mg/L組與2 mg/L組間及1 mg/L組、0.5 mg/L組間則差異不顯著(P>0.05)(圖9)。

與斜生柵藻細胞密度隨NO2--N質量濃度的增大而減小。至14 d結束，NO2--N 0.5 mg/L組的細胞密度顯著高于8 mg/L組，其數量分別為10.26×106個/L和3.51×106個/L； NO2--N 1.0 mg/L組、2.0 mg/L組、4.0 mg/L組的斜生柵藻細胞密度則差異不顯著(P>0.05)(圖10)。

圖9 NH4+-N試驗組中斜生柵藻的密度變化

圖10 NO2--N試驗組中斜生柵藻的密度變化

3 討 論

3.1 藻類去除不同形態氮的機理

藻類去除水產養殖富營養化水體中不同形態氮的機理分為兩種，一種是直接作用，即在自然光照條件下，藻類以CO2或有機碳為碳源，主動消耗水中的含氮營養物質以滿足自身生長的需要，同時釋放氧氣，增加水體中的溶解氧質量濃度，提高水體質量。因此，藻類的生長特性很大程度上決定了去除水體中營養物質的效率。另外一種為間接的物理化學作用，即當藻類在富營養化水體中生長繁殖迅速時，消耗水體中的H+，使得水體中pH增高而呈弱堿性，弱堿性的水環境有利于促進氨的揮發，達到去除水體中含氮營養物的效果[14-15]。

3.2 2種微藻的生長曲線與對NH4+-N和NO2--N的去除關系

本試驗結果表明，蛋白核小球藻和斜生柵藻對不同質量濃度的NH4+-N和NO2--N均有較強的去除能力，但優勢各有不同。在NH4+-N 8 mg/L和NO2--N 8 mg/L試驗組下，蛋白核小球藻繁殖更為迅速，去除效果也最強。這與宋培學等[16]的研究結果相似。培養前4 d是蛋白核小球藻生長的適應期，溶液中的NH4+-N和NO2--N質量濃度變化較小，培養至第4 d后，蛋白核小球藻開始進入對數生長期，NH4+-N和NO2--N的質量濃度下降幅度最大。而到試驗的第8 d，蛋白核小球藻的生長進入穩定期，對NH4+-N和NO2--N的去除也呈平穩趨勢。各營養鹽質量濃度中蛋白核小球藻的去除率趨勢大體相同，最終去除NH4+-N和NO2--N的量隨小球藻數量的增加而增加。斜生柵藻在NH4+-N試驗組中培養到約第5 d進入對數生長期，但與蛋白核小球藻不同的是，斜生柵藻對NH4+-N的去除率最高為2 mg/L和4 mg/L試驗組；在NO2--N試驗組中，去除率最高的為0.5 mg/L試驗組。斜生柵藻的細胞密度隨NO2--N質量濃度增大而減小，表明低NO2--N質量濃度對斜生柵藻有一定的促進作用。隨著NO2--N質量濃度的增大，對斜生柵藻的生長有一定的抑制作用。這一研究結果與報道的低于2.0 mg/L的NO2--N能夠促進四尾柵藻(S.quadricanda)的生長的研究結果[2]相似。

3.3 應用2種微藻凈化水質的注意事項

藻類的生長過程表明，蛋白核小球藻和斜生柵藻多在培養4～5 d 后，進入對數生長期，對水體中NH4+-N和NO2--N的利用較好。在生產中，可以將培養4 d的蛋白核小球藻和斜生柵藻作為水質改良劑使用，來降低水環境中NH4+-N和NO2--N的含量。蛋白核小球藻和斜生柵藻來源廣，生長繁殖迅速，對環境的適應力強，易培養，能釋放氧氣、降低水體富營養化，保持良好的水環境，實現廢水資源的再生利用。在適宜的條件下還可獲得生物柴油、蛋白質等高附加值產品[17]，具有良好的應用前景。但要注意藻類在吸收水體中營養鹽的同時，也代謝出一些自身代謝產物，對水體產生一定影響。因此，應根據水體中具體富營養化程度，接種或培養適宜密度的藻類，既提高對營養鹽的去除速率，又避免水體的二次污染。

在水產養殖富營養化水體中增殖蛋白核小球藻或斜生柵藻是一種簡便又行之有效的方法，通過控制藻體密度，提高藻去除水體中NH4+-N和NO2--N的效率，從而達到凈化水體的目的。

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