三種不同小球藻去除亞硝態氮和氨氮能力的研究

趙文豪， 田啟文， 唐 維， 吳 晶， 楊 帆，劉 培,2， 賀 帥,2*， 李相前,2*

1.淮陰工學院 生命科學與食品工程學院，江蘇 淮安 223003；2.江蘇省益生制劑重點建設實驗室，江蘇 淮安 223003

水體氮和磷的污染、重金屬污染以及由此造成的水體富營養化問題已成為許多國家以及科學家共同關注的問題[1]。早在1957年，就有學者提出利用藻類培養作為深度生物處理污水的方法，以去除N、P等的營養物質[2]。隨著我國社會經濟的發展和工業化水平的提高，污水排放量日益增長，污染物成分愈發復雜，污水排放標準更加嚴格，水污染成為環境治理的難題。目前污水處理方法包括化學法、物理法、活性污泥法和微藻法等[3]。微藻處理法的原理是基于藻類是自養生物，生長過程對污水中有機質要求低，以光作為能源，將氮、磷等營養物質合成復雜的小分子化合物，從而使污水得到凈化[4]。

近年來，水產養殖業的迅猛發展，滿足了人們對水產品日益增長的需求[5]。但集約化的養殖過程對水環境造成嚴重的污染，并且高密度養殖期間氨氮、亞硝態氮含量的超標，引起水產養殖動物免疫力下降，導致疾病的爆發[6,7]。同時養殖污水的肆意排放更是對附近生態平衡造成嚴重的危害，由此衍生的水產養殖污染問題日益顯著[8,9]。因此，有效降低養殖水體中有害物質含量、改善養殖環境、防治養殖疾病備受科研界關注[10,11]。微藻是一類廣泛存在于海洋和陸地上的、低等的、可利用光合作用的藻類微生物總稱[12]。單細胞微藻能夠以光照為能源，利用水中氮、磷等營養物質進行光合作用，合成自身生長所需有機物質[13-15]。使用微藻處理養殖污水不僅安全、環保，而且微藻可以作為魚蝦的理想餌料。因此微藻生物防治的特性成為目前研究熱點[16,17]。在本實驗研究中，根據三株小球藻在不同濃度的氨氮和亞硝態氮為唯一氮源的模擬污水中的生長情況，探究其對氨氮和亞硝態氮的去除能力。研究結果對于小球藻處理污水、凈化水資源具有一定現實意義。

1 材料與方法

1.1 藻種來源

本實驗所有小球藻CV315-1(Chlorellasp.)、小球藻CV315-2(Chlorellasorokiniana)和小球藻CV315-3(Chlorellapyrenoidosa)均選自于淮陰工學院益生制劑重點實驗室菌種庫。

1.2 培養基成分

實驗采用的是改良后BG11培養基，培養基pH值為7.1，且培養基、微量元素母液均由去離子水配制。培養基及微量元素母液配方如表1和表2所示。試劑純度均為分析純(AR)，下述所有實驗試劑全部購自上海生工生物有限公司。

表1 BG11培養基主要成分

表2 微量元素母液配方

1.3 儀器設備

SW-CJ-2D雙人單面凈化臺(江蘇通凈凈化設備有限公司)、T-6紫外可見分光光度計(南京菲勒儀器有限公司)、G180T全自動立式高壓滅菌器(河北信騰生物科技有限公司)、5424R高速冷凍離心機(Eppendorf)、GRH-400光照培養箱(浙江托普云農科技有限公司)。

1.4 藻種制備

將多次劃線純化后的微藻接入已滅菌的BG11液體培養基中，于溫度26 ℃，光照強度8 000 Lux，光暗比為12 h∶12 h的光照培養箱中培養3～4 d，達到對數生長期后，再轉到另一瓶滅菌的BG11液體培養基中，培養至對數生長期，如此反復轉接培養3次，使3株微藻均處于對數生長期。在無菌操作臺上取對數生長期的藻液，于溫度4 ℃，轉速4 000r/min的超低溫離心機中離心10 min，棄掉上清液，用改良液體BG11反復洗滌3次，消除原培養基中氮元素的影響。

1.5 實驗設計

2 結果與分析

2.1 三種藻對氨氮去除特性比較

圖1 模擬污水中CV315-1對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

圖2 模擬污水中CV315-2對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

圖3 模擬污水中CV315-3對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

2.2 三種藻對亞硝態氮去除特性比較

圖4 模擬污水中CV315-1對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

圖5 模擬污水中CV315-2對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

圖6 模擬污水中CV315-3對不同濃度的去除率(R)及藻液濃度(OD680)變化

3 討論

亞硝態氮對養殖生物具有很大的毒性，高濃度的亞硝態氮能夠直接抑制菌體的生長，致使水產動物疾病甚至死亡[18]。KUMAR P K等[19]研究微藻對工業污水的生物修復作用，發現微藻能夠利用污水中營養物質，在2 d的批量生產模式下去除污水中60%的亞硝酸鹽與30%的氮。ZHENG H L等[20]研究在無糞豬廢水中培養小球藻，發現廢水中C∶N為25∶1時小球藻生長效果最佳，并且氨氮的去除率達到100%。正因小球藻這種獨特的代謝途徑，因而備受養殖戶青睞。

在本實驗研究中，CV315-1和CV315-2能夠在168 h內完全去除6 mg/L的氨氮，而CV315-3在144 h時，氨氮濃度為6 mg/L的去除率達到100%，并且整個實驗過程藻液生長良好，結果表明，三種不同的小球藻中，CV315-3具有更好的氨氮去除能力。CV315-1能夠在48 h內完全去除2 mg/L的亞硝態氮，并且在120 h時，10 mg/L組亞硝態氮的去除率達到100%，而CV315-2和CV315-3在144 h時完全去除8 mg/L、10 mg/L的亞硝態氮，結果表明，三種不同的小球藻中，CV315-1具有更好的亞硝態氮去除能力。

劉盼等[21]研究蛋白核小球藻和斜生柵藻在14 d內對水體中氨氮和亞硝態氮去除效果，發現蛋白核小球藻對8 mg/L的氨氮和亞硝氮的去除率最高，分別為82.5%和75.75%，斜生柵藻對4 mg/L的氨氮和0.5 mg/L的亞硝態氮的去除率最高，分別為86.75%和83.75%。

本研究表明，小球藻能夠有效的減低水體中氨氮和亞硝氮的含量。與已有的研究報道對比，本研究中所用小球藻CV315-3(Chlorellapyrenoidosa)對于氨氮的去除能力遠大于劉盼等[21]實驗中的斜生柵藻對于氨氮的去除能力。在對于小球藻對亞硝態氮去除能力研究中，本實驗中所用小球藻CV315-1(Chlorellasp.)對于亞硝態氮的去除能力明顯優于劉盼等[21]實驗中的蛋白核小球藻、斜生柵藻對于亞硝態氮的去除能力。

4 結論

(1) 研究表明CV315-1、CV315-2和CV315-3均能以亞硝態氮為唯一氮源生長，并且具有良好的去除能力。

(2) CV315-3對氨氮具有良好去除能力，能夠在144 h時完全去除6 mg/L的氨氮，并且在168 h時對8 mg/L和10 mg/L組的去除率分別達到75.6%和56.99%。

(3) CV315-1對亞硝態氮有高效的去除能力，能夠在48 h時完全去除2 mg/L的亞硝態氮，并且在120 h時完全去除10 mg/L的亞硝態氮。