利用淡水微藻去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中氮、磷的研究進(jìn)展

張寶龍 趙子續(xù) 曲 木 趙學(xué)倩 黃 建 翟勝利

(天津現(xiàn)代晨輝科技集團(tuán)有限公司；天津市水族動(dòng)物功能性飼料企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 301800)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模由小而散，向大型化、集約化方向發(fā)展，滿足了人們的物質(zhì)需求和精神需求，但凸顯的環(huán)境問題也不容小覷。水產(chǎn)動(dòng)物攝食后的殘餌，排泄的糞便等，以及養(yǎng)殖過程中施用的各類藥物殘留在水體中并逐漸富集，引起水體總氮、總磷水平升高。例如，池塘養(yǎng)殖1kg鯉魚，每天要消耗水體溶解氧500L，排出氨300mg，產(chǎn)生含有大量氮肥的污水[1]；又如，池塘生產(chǎn)1t蝦，養(yǎng)殖水中就增加0.2t氮和0.05t磷[2]。水體中的氮、磷含量一旦超過其自身承載能力，就會(huì)進(jìn)入富營養(yǎng)化狀態(tài)[3]。如果養(yǎng)殖廢水沒有得到及時(shí)、有效的處理，就會(huì)造成養(yǎng)殖水不斷惡化，誘發(fā)水產(chǎn)動(dòng)物爆發(fā)性疾病，大幅度降低水產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，還會(huì)影響周圍水體環(huán)境、農(nóng)田土壤和空氣，甚至引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)失衡[4]。因此，養(yǎng)殖尾水的處理，特別是氮、磷的去除是水產(chǎn)養(yǎng)殖至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其方式的開發(fā)和選擇關(guān)系到水產(chǎn)養(yǎng)殖的健康和可持續(xù)發(fā)展。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)上已有一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用[5-9]。其中，物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)各有優(yōu)勢，但均對水體含N、P物質(zhì)的去除效果不佳。近年來，利用微藻，尤其是淡水微藻來實(shí)施水體生物修復(fù)，成為養(yǎng)殖尾水處理技術(shù)的開發(fā)重點(diǎn)之一。

微藻可以通過光合作用獲得能量，將水中的氮、磷原子等締合到碳骨架上，在細(xì)胞內(nèi)形成各種更為復(fù)雜的有機(jī)物，在有效去除水體營養(yǎng)鹽的同時(shí)也促進(jìn)了氮、磷等元素的循環(huán)。此外，許多微藻富含多糖、油脂或蛋白質(zhì)等，可作為動(dòng)物飼料、肥料或其他化工原料等。因此，利用具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的微藻進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理，可兼收環(huán)境和經(jīng)濟(jì)利益，其應(yīng)用前景廣泛。目前，處理養(yǎng)殖尾水的微藻種類有小球藻、柵藻、螺旋藻等，主要為淡水微藻。

其應(yīng)用于尾水處理的形式主要有單一活性微藻、游離態(tài)藻—菌共生系統(tǒng)和固定化藻—菌共生技術(shù)。

一、淡水微藻

(一)小球藻

小球藻是一類在淡水水域廣泛分布的單細(xì)胞綠藻。其中，普通小球藻、蛋白核小球藻較為常見。小球藻能夠吸收利用水中的N、P及其他營養(yǎng)物質(zhì)，能夠減少養(yǎng)殖水中N、P等物質(zhì)的含量。陳春云等[10]在模擬工廠對蝦養(yǎng)殖尾水中培養(yǎng)小球藻4d后，測得尾水中氨氮去除率可達(dá)到80%以上，活性磷去除率可達(dá)到85%以上，小球藻4d的增長量是初始量的10倍。這表明小球藻在該水體中生長良好，能夠有效吸收尾水中的氮、磷。當(dāng)?shù)⒘缀勘葹?時(shí)，小球藻的吸收能力最佳，且最有利于其生長。張桐雨等[11]利用小球藻去除對蝦養(yǎng)殖尾水中N、P，發(fā)現(xiàn)小球藻對尾水中活性磷的去除率達(dá)到95.1%，氨態(tài)氮的去除率為87.1%，但小球藻去除尾水中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮能力不明顯。小球藻也可顯著降低草金魚養(yǎng)殖尾水中總氮、總磷、亞硝酸氮及氨態(tài)氮的含量[12]，對氨態(tài)氮的作用尤其明顯，且這些物質(zhì)的去除效果與小球藻密度相關(guān)。白曉磊[13]在鱘魚養(yǎng)殖尾水中培養(yǎng)小球藻，發(fā)現(xiàn)小球藻能夠吸收利用尾水中的氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和活性磷等污染物，并且實(shí)現(xiàn)藻細(xì)胞的增殖。當(dāng)養(yǎng)殖尾水氨態(tài)氮濃度為0.93、2.33、4.22 mg/L時(shí)，接種小球藻12、24、48h后，氨態(tài)氮去除率均為100%；當(dāng)養(yǎng)殖尾水硝態(tài)氮濃度為10.96、11.38、12.10 mg/L時(shí)，接種小球藻8d后，硝態(tài)氮去除率均為100%；當(dāng)養(yǎng)殖尾水活性磷濃度為0.15、0.24、0.41mg/L時(shí)，栽培小球藻4、5、8h后，活性磷去除率都為100%。這說明小球藻能夠有效去除鱘魚養(yǎng)殖尾水中的氨態(tài)氮和活性磷。王黎穎[14]將小球藻、杜氏鹽藻和螺旋藻三種微藻對紅鰭東方養(yǎng)殖尾水凈化能力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)小球藻的尾水凈化能力最佳，水體中總氮、總磷、氨氮、亞硝態(tài)氮及硝態(tài)氮的去除率分別為53%、84%、92%、71%和40%。劉盼等[15]將蛋白核小球藻接種在0.5、1、2、4、8 mg/L 5個(gè)濃度的亞硝態(tài)氮、氨態(tài)氮的培養(yǎng)液中培養(yǎng)14d，發(fā)現(xiàn)氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量為8.0mg/L時(shí)，蛋白核小球藻對其去除率最高，分別為82.5%和75.75%；在氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高時(shí)，蛋白核小球藻更易增殖。

(二)柵藻

柵藻是淡水中常見的浮游綠藻之一，通常由4～8個(gè)細(xì)胞組成定型群體，在富營養(yǎng)狀態(tài)水體中分布較多[16]，對富含氮、磷的污水凈化效果顯著[17]。馬紅芳等[18，19]研究了淡水柵藻去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中N、P的特性，結(jié)果表明，在柵藻培養(yǎng)至穩(wěn)定期后，其對尾水氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及活性磷的去除率分別為95.5%、85.8%、96.3%和98.8%。此后又比較了月牙藻與柵藻對養(yǎng)魚尾水氮磷去除效果，發(fā)現(xiàn)月牙藻與柵藻對尾水總氮的去除率分別為72.5%和85.1%，對總磷的去除率為79.7%和82.6%，但柵藻比月牙藻更容易產(chǎn)生較多的亞硝態(tài)氮釋放到藻液。楊福利[20]在鱘魚養(yǎng)殖尾水中培養(yǎng)柵藻，18d后發(fā)現(xiàn)，柵藻對氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、活性磷和總無機(jī)氮的最大去除率依次為20.8%、40.6%、98.4%和34.5%，并且柵藻密度得到大幅提升。劉盼等[15]將斜生柵藻接種在含有0.5～8.0mg/L的氨態(tài)氮與亞硝態(tài)氮的培養(yǎng)液中14d，發(fā)現(xiàn)在氨態(tài)氮含量為4.0mg/L時(shí)，斜生柵藻對其去除率最高為86.75%；在亞硝態(tài)氮含量為0.5mg/L時(shí)，斜生柵藻對其去除率最高為83.75%；在水體氨態(tài)氮和硝態(tài)氮呈中低濃度時(shí)，斜生柵藻最容易增殖。

(三)螺旋藻

螺旋藻是藍(lán)藻的一種，其適應(yīng)能力強(qiáng)、生長繁殖快、營養(yǎng)價(jià)值高，在水產(chǎn)動(dòng)物飼料領(lǐng)域應(yīng)用較廣[21]。螺旋藻可在氮磷比較低的水體中快速生長，利用水體中含氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還能有效提高水體氮磷比，為養(yǎng)殖水培育綠藻提供有利條件[22]。胡海燕[23]研究發(fā)現(xiàn)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水氨氮濃度為50mg/L以下，pH為6～11，溫度25～40℃時(shí)，螺旋藻凈化效果最好，并且水體中添加有機(jī)質(zhì)可提高螺旋藻生長速度，螺旋藻最佳接種密度為91×104個(gè)/mL。郝聚敏等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在蝦養(yǎng)殖尾水中添加5% Zarrouk培養(yǎng)基可以穩(wěn)定培養(yǎng)螺旋藻，當(dāng)pH為8，初始密度A560為0.3，光照強(qiáng)度為2500lx時(shí)，螺旋藻對尾水氮、磷均有較好的去除效果，尾水中硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、氨態(tài)氮及活性磷的去除率分別為41.9%、67.1%、64.5%和43.9%。田立丹[25]利用添加小蘇打和硝酸鹽的淡水養(yǎng)殖尾水培養(yǎng)螺旋藻，發(fā)現(xiàn)水體總氮減少98.88%、氨態(tài)氮減少52.63%、未檢測到總磷及活性磷。李偉濱等[22]利用螺旋藻凈化南美白對蝦養(yǎng)殖水，發(fā)現(xiàn)螺旋藻可以在養(yǎng)殖水中生長，添加一定量的小蘇打可以加快其生長速度，培養(yǎng)11d后，螺旋藻能夠明顯降低水體中的N、P，養(yǎng)殖水體中總氮去除率達(dá)到57.27%，總磷的去除率達(dá)到88.76%。

二、游離態(tài)—菌共生

隨著微藻對水體的凈化作用及藻類與微生物在水體中相互作用研究的深入，藻-菌共生系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水處理上也有一些應(yīng)用研究。在藻-菌共生系統(tǒng)中，藻類利用養(yǎng)殖水中的碳、磷、氮及其他營養(yǎng)物質(zhì)，合成氨基酸和蛋白質(zhì)等自身細(xì)胞組成成分，并釋放出氧氣；好氧細(xì)菌則利用氧氣分解、轉(zhuǎn)化水中的污染物質(zhì)，其產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)可被藻類生長利用，如此不間斷地循環(huán)，能夠有效地凈化養(yǎng)殖尾水[26]。

孟睿等[27]研究發(fā)現(xiàn)，月牙藻、四尾柵藻、地衣芽孢桿菌、硝化細(xì)菌接種量分別為1.95×106 cfu/mL、1.89×106cfu/mL、2.01×106cfu/mL、2.18×106cfu/mL，體積比為2：2：1：2時(shí)，組成的藻-菌體系去除水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮和可溶性磷的去除率分別為89.16%、100%、98.62%、100%。我們通過分析得出，月牙藻、四尾柵藻、地衣芽孢桿菌和硝化細(xì)菌分別對氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮及可溶性磷具有較好的去除效果。周武旋等[28]將飼喂羅非魚7天后的養(yǎng)殖廢水作為試驗(yàn)樣本，探討藻-菌共生體系對水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水中N、P的去除效果。結(jié)果表明，當(dāng)藻-菌體積比為月牙藻：四尾柵藻：地衣芽孢桿菌：硝化細(xì)菌=2：2：3：1時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行24h后發(fā)現(xiàn)，氨態(tài)氮的去除率達(dá)到98%。當(dāng)藻-菌體積比為月牙藻：四尾柵藻：地衣芽孢桿菌：硝化細(xì)菌=3：2：1：1時(shí)，試驗(yàn)進(jìn)行168h后發(fā)現(xiàn)，該體系水體中可溶性磷酸鹽去除率可達(dá)到100%。這說明藻-菌共生體系能夠有效去除養(yǎng)殖尾水中的氮、磷。王高學(xué)等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在藻-菌共生系統(tǒng)中柵藻、小球藻、亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌數(shù)量配比關(guān)系為2.13：1：2.38：3.73，該系統(tǒng)對池塘老化水體氨態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的去除率分別為97.3%和68.8%，明顯高于單藻、單菌。同時(shí)，該系統(tǒng)產(chǎn)出的藻類能夠成為水產(chǎn)動(dòng)物的餌料，其含量為1.6×106cfu/mL。

三、固定化藻-菌共生

固定化藻-菌共生是利用微藻與細(xì)菌的協(xié)同作用，利用物理和化學(xué)方法將選定的微藻與細(xì)菌按一定比例固定在特定載體中的技術(shù)。它是1980年代借鑒游離態(tài)藻-菌共生技術(shù)和固定化微生物細(xì)胞技術(shù)發(fā)展而來的重要生物工程技術(shù)[30]。由于游離態(tài)藻-菌共生系統(tǒng)尚存在，如藻類活性和穩(wěn)定性低、密度小、不容易收集等問題，固定化藻-菌技術(shù)通過將游離細(xì)胞定位于限定的空間區(qū)域，保持了藻類的生物活性并能夠反復(fù)使用。在固定化藻-菌系統(tǒng)中，微藻和細(xì)菌細(xì)胞濃度高、流失量小、反應(yīng)速度快、負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，且微藻易于與水分離。同時(shí)，該系統(tǒng)還能提高微藻合成代謝活性，在一定程度上降低了分解代謝活性，并且載體本身也對氮、磷有一定的吸收作用。因此，固定化藻-菌系統(tǒng)相較于游離態(tài)，前者對氮、磷的凈化效能要顯著高于后者[31]。

袁夢冬[32]發(fā)現(xiàn)，藻-菌固定化小球可去除甲魚養(yǎng)殖尾水中氮、磷。當(dāng)藻-菌固定化體積比為四尾柵藻：蛋白核小球藻：反硝化細(xì)菌：枯草芽孢桿菌=3：3：2：3，載體構(gòu)成成分為4%的海藻酸鈉，3%的氯化鈣，2%的PVA時(shí)，此系統(tǒng)對養(yǎng)殖尾水中亞硝態(tài)氮、氨態(tài)氮和低濃度總磷去除率均達(dá)到100%，對高濃度的總磷去除率超過80%。這表明，該固定化藻-菌共生系統(tǒng)對水體氮、磷類物質(zhì)去除作用顯著，同時(shí)與水體原有的藻、菌協(xié)同互作，增強(qiáng)了脫氮除磷效果，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。李永華[33]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匾滤奈矕旁濉⒃卵涝濉⒀挎邨U菌和硝化細(xì)菌接種量比例為2：2：1：2時(shí)，采用PVA-硼酸包埋法建立固定化藻-菌體系來凈化模擬養(yǎng)魚尾水水質(zhì)，其效果要明顯優(yōu)于游離態(tài)藻-菌系統(tǒng)。當(dāng)?shù)⒘妆葹?2.5，溫度為30℃，光照強(qiáng)度為3000lx，光暗周期為16h：8h時(shí)，該系統(tǒng)凈化模擬養(yǎng)魚尾水氮、磷效果最佳。鄒萬生等[34-35]研究表明，固定化藻-菌系統(tǒng)中藻菌混合包埋(A)和藻內(nèi)菌外的分層包埋(B2)對珍珠蚌養(yǎng)殖尾水氮的去除率顯著高于藻外菌內(nèi)的分層包埋(B1)，A和B1對尾水磷的去除率顯著高于B2。光照強(qiáng)度低于6000lx時(shí)，B2對氮的去除率顯著高于A和B1；光照強(qiáng)度高于6000lx時(shí)，A和B2氮的去除率顯著高于B1，A和B1對磷的去除率顯著高于B2。在20～30℃時(shí)，三種不同包埋方式去除氮、磷的效果最佳。當(dāng)光照強(qiáng)度為4000lx時(shí)，CEAMI對水體總氮去除率達(dá)到峰值；當(dāng)光照強(qiáng)度為5000lx時(shí)，CEAMI對水體總氮去除率最高。此時(shí)，CEMI和CAMI對水體總氮、總磷去除率均達(dá)到峰值。這表明影響藻菌固定化去除氮、磷的效果不僅與光照強(qiáng)度、溫度相關(guān)，還與固定化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和成分相關(guān)。

四、存在的問題及未來研究目標(biāo)

目前已有研究表明，淡水微藻在水產(chǎn)養(yǎng)殖尾水氮、磷處理上效果顯著，能夠起到凈化養(yǎng)殖尾水、改善養(yǎng)殖水質(zhì)、保持水域生態(tài)平衡的作用。但是，目前也有一些問題制約其廣泛應(yīng)用，如現(xiàn)有用于水質(zhì)凈化的藻類品種不多、對水體氮、磷去除效果一般；藻-菌固定化載體強(qiáng)度和傳質(zhì)性能不佳，影響系統(tǒng)生物凈化效能發(fā)揮；收集處理尾水之后藻類的方法單一，且收獲少、收獲較困難等。應(yīng)對這些問題，我們今后需要進(jìn)一步篩選、培育和改良對氮、磷類物質(zhì)的降解能力更強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的藻類。我們研究固定化藻-菌體系生理、生化特性和凈化機(jī)制，研發(fā)強(qiáng)度、傳質(zhì)性能均優(yōu)良的復(fù)合固定化載體及其保存和活化方法，并批量生產(chǎn)；探究更加經(jīng)濟(jì)、有效的方法將微藻與經(jīng)過凈化的養(yǎng)殖尾水分離，回收利用微藻資源，同時(shí)使尾水水質(zhì)達(dá)到排放或循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)。