鈦酸鹽納米材料和斜生四鏈藻協同處理農村生活污水的效應研究

李淵 葛歧利 吉莉 畢永紅

摘 要：當前我國農村生活污水治理形勢依然嚴峻.藻類和納米材料結合可以有效地處理生活污水，探究納米材料對生活污水中藻類的影響十分重要.基于鈦酸鹽納米材料的調控，研究斜生四鏈藻處理生活污水的效應.結果表明，低質量濃度鈦酸鹽納米材料添加到生活污水中后，斜生四鏈藻細胞經過6 d的適應期，表現出一定的生長促進作用，在10 d的培養過程中藻細胞增長了近97%.在質量濃度0.1 g/L的添加下，鈦酸鹽納米材料對藻類生物量增長的影響最大，在0.2 g/L的添加質量濃度下，藻細胞生長受到抑制.

關鍵詞：藻類；生活污水；納米材料；鈦酸鹽；生長抑制實驗

中圖分類號：X703.1文獻標志碼：A

農村生活污水具有范圍廣、產量大、處理率低、氮磷排放負荷高等特點，農村生活污水的安全處置問題，已對農村飲用水源的安全構成嚴重威脅［1］.據2017年《第二次全國污染源普查公報》顯示，全國農村生活污水排放量為75.91×108 m3，COD排放量占生活源排放總量的50.8%，NH3-N，TN和TP 排放量分別占生活源排放總量的35.0%，30.5%，38.7%［2-3］.藻類在生活污水深度處理方面有著明顯的優勢.藻類能夠充分利用生活污水中的氮、磷等營養元素，降低污染物指標的同時，還能積累優質蛋白和脂質，可用于生產優質肥料和生物燃料［4-5］.除了水質改善之外，污水處理與藻類培養結合還可提供可再生能源，而且不需要占用農業用地.因此，許多國家和地區已將藻類培養作為實現污水生態處理和可再生能源生產的戰略發展目標.然而，在處理養殖廢水時需要對污水進行大量稀釋（10%～30%），以消除對藻類的生長抑制［6］.藻類會由于底物中某些污染物質量濃度過高，導致生物量大幅度下降甚至死亡［7-9］.許多揮發性脂肪酸、酚類及重金屬等物質都會抑制藻類的生長，嚴重影響藻類對污水的處理效果，很大程度上制約了其大規模的應用.納米材料由于其特殊物理化學性質（如熒光特性、高催化性、良好的導熱導電性、特殊的表面張力），已被廣泛應用于環境修復［10-11］.

低劑量的納米顆粒能夠有效地降低環境污染物毒性，促進藻類生物質能源的積累，對微藻生長具有一定的正向調節作用，并提高其光合固碳效率和蛋白質代謝水平［12-15］.然而，不同納米材料對微藻生長的促進作用存在差異，納米材料的添加劑量和添加方式也有待探究，弄清其對微藻處理污水效應的影響是解決問題的關鍵步驟.因此，本研究以斜生四鏈藻（Tetradesmus obliquus）處理生活污水為切入點，選擇鈦酸鹽納米材料（Titanate Nanomaterials，TNTs）為目標添加物，探究納米材料對微藻生長狀況和污水處理效應的影響，研究結果可為生活污水的高效無害處理提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 藻種來源與培養條件

本實驗選用的斜生四鏈藻（Tetradesmus obliquus，FACHB416）來自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫（FACHB）.實驗前將藻種在無菌條件下接種在BG-11培養基的錐形瓶中，置于光照培養箱中進行擴大培養.培養條件：溫度25 ℃，光照強度2 000 lx，光暗比12 h∶12 h，每天定時輕搖錐形瓶3次.

1.2 納米材料的制備

本實驗鈦酸鹽納米材料用P25型納米TiO2顆粒（包含質量分數80%銳鈦礦和20%金紅石，Evonik，德國），100目活性炭（DARCO，美國）.實驗選用的鈦酸鹽納米材料（TNTs）用一步堿熱合成法完成：

（1）將TiO2顆粒和活性炭100目按照1∶1的質量比例混合在一起，并將其分散到10 mol/L的NaOH溶液中.

（2）用磁力攪拌器充分攪拌溶液24 h，將混合溶液轉移到聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，放到電熱鼓風干燥箱中130 ℃合成反應72 h.

（3）反應后的混合溶液冷卻至室溫，用高速離心機6 000 r/min離心8 min，棄掉上面的液體.

（4）離心得到的黑色材料用去離子水反復洗至pH降到9～10，將材料放置到培養皿中，用80 ℃烘箱烘干，然后研磨即可得到鈦酸鹽納米材料.

1.3 實驗污水的制備

本實驗污水采用人工配水，1 L污水的具體配方如下：葡萄糖 400.00 mg；NH4SO4 189.00 mg；NaNO3 243.00 mg；KH2PO4 43.90 mg；NaHCO3 100.00 mg；NaCl 64.00 mg；MgSO4·7H2O 185.00 mg；FeSO4·7H2O 9.10 mg；CaCl2 25.00 mg；H3BO3 2.86 mg；CuSO4·5H2O 0.08 mg；CoCl2·6H2O 0.05 mg.水化學指標的模擬結果：pH為7.50，NH4-N為47.22 mg/L，TN為50.56 mg/L，TP為11.23 mg/L.

1.4 實驗設計

1.4.1 鈦酸鹽納米材料和藻類混合液制備

在光照培養箱中培養斜生四鏈藻至對數生長期，然后取20 mL斜生四鏈藻藻液用離心機6 000 r/min離心5 min，棄掉上清液，得到藻細胞.將鈦酸鹽納米材料加入到人工生活污水中，超聲混勻，質量濃度梯度分別是：0.00 g/L，0.05 g/L，0.10 g/L，0.15 g/L和0.20 g/L.最后，將藻細胞加入到含有200 mL納米材料和人工生活污水的250 mL錐形瓶中，震蕩搖勻，放入光照培養箱中培養待用.每個組設置3個平行，所有操作均在超凈工作臺上進行無菌操作.

1.4.2 鈦酸鹽納米材料和藻類混合物的表征

晶體結構（XRD）的測定：實驗取足量的斜生四鏈藻細胞和鈦酸鹽納米材料得混合液，用冷凍干燥機處理24 h，得到粉末狀混合物質，將粉末狀的混合物質均勻地放置到樣品槽內，壓實后用X射線衍射儀（XRD）對材料的晶體結構及礦物種類進行掃描測定，Cu靶，Ka輻射，工作電壓40 Kv，電流30 mA，停留時間0.01，步長0.01°.掃描范圍：2θ=10°～80°.物質表面元素（XPS）的測定利用X射線激發試樣的電子能譜，進一步分析物質表面元素，它的分析基礎方程式為Einstein光電發射放射方程：hv=EK+EB，

其中，h為普朗克常數，v為入射光頻率，EK為光電子所獲的動能，EB為電子的結合能.通過測定樣品的電子結合能，來測定樣品中所包含的元素.測試時，在面積1 cm2的雙面膠帶的一面均勻地鋪撒樣品，樣品要覆蓋膠帶，另一面要貼在試樣臺上.測試以Al靶為發射源，射線功率為150 W.

1.5 實驗測定方法與統計分析

1.5.1 藻類干質量的測定

對于藻類干質量的測定，以干藻細胞質量計算測量藻類生物產量.每次測量時，人工搖動藻液混勻.每次取用10 mL藻液；用0.45 μm醋酸纖維素膜過濾收集細胞，以測定藻類生物量.然后，將空白的醋酸纖維素膜和具有藻類細胞的醋酸纖維素膜烘箱中105 ℃，干燥24 h，分別稱量干質量.藻類質量濃度C（mg/L），根據以下公式計算：C=（Wti-Wt0）/V，其中，Wti和Wt0分別指帶有藻類細胞的過濾器的干質量和空白過濾器的干質量，V是藻類培養物的體積.

1.5.2 葉綠素熒光參數測定

使用便攜式PAM熒光計AquaPen-C AP-C 100測量葉綠素熒光參數.每次測量時，用3 mL藻類培養物填充反應杯，并用塞子關閉反應杯.在室溫下暗適應15 min后，使用OJIP測試通過PAM熒光計自動獲得Fv/Fo和Fv/Fm值.實驗葉綠素熒光參數如下，Fo：初始熒光（F50 μs，熒光強度為50 μs）；Fm：最大熒光強度；Fv：最大可變熒光（Fm-Fo）；Fv/Fo：PSII的潛在活性；Fv/Fm：PSII光化學的最大量子產額（（Fm-Fo）/Fm，0＜Fv/Fm＜1），反映了所有PSII反應中心處于開放狀態時的量子產額.

1.5.3 試驗數據采用Sigmaplot 14.0分析，數據測試均重復3次，組間差異比較采用t檢驗.

2 結果與討論

2.1 納米材料添加量對斜生四鏈藻生長狀況的影響

不同TNTs質量濃度對藻液的pH變化影響將斜生四鏈藻培養在含有不同質量濃度鈦酸鹽納米顆粒的生活污水中，培養液pH隨時間的變化如圖1所示.結果顯示，藻類培養過程中，在不同TNTs質量濃度下，pH均呈現出緩慢增長的變化趨勢，培養前2～3 d，pH略有下降，未添加TNTs的培養液pH波動最大，隨培養時間的增長.在培養前5 d，加入納米顆粒的量對pH的變化影響不顯著，當生長到第7 d的時候，低TNTs質量濃度下（0.00，0.05，0.10 g/L）pH增長明顯，第7 d的pH最大值范圍是9.2～10.3.納米顆粒質量濃度較高時，能維持pH的相對穩定.

當藻細胞進行光合作用時可以吸收水中的CO2，而呼吸作用則可以產生CO2，對HCO-3和CO2-3之間的平衡有著一定影響［13］，打破了原始的酸堿狀態.當高質量濃度的納米顆粒加入斜生四鏈藻培養體系中，超過0.1 g/L時，納米顆粒覆蓋到藻細胞的周圍或者水體中，這就造成藻細胞的光合作用減弱，同時對于藻類的生長出現一定的抑制效果，減少了對于CO2的利用，故而pH增長緩慢.而當納米顆粒的質量濃度小于0.1 g/L時，藻細胞光合作用速率大于呼吸作用速率，導致CO2的利用大于產出，這樣就導致水體中pH升高.同時對于藻細胞生長依靠氮源和碳源，培養水體中碳源和氮源的利用消耗，也是導致pH增長的重要原因.

2.2 不同TNTs質量濃度下斜生四鏈藻生長的影響

實驗觀察發現，隨著培養時間的增長，藻細胞會出現增長（圖2）.以此監測藻類生物量的變化，根據圖中對于鈦酸納米顆粒的質量濃度不同，發現對于納米材料質量濃度小于0.10 g/L時，藻類生物量隨培養時間呈迅速增長的趨勢.而在納米材料質量濃度是0.15 g/L時，藻類生物量增長緩慢，增長率是僅為27%，在納米材料質量濃度為0.20 g/L時，藻類生物量呈負增長或生物量無明顯變化.根據圖中的生物量增長比率，當納米材料質量濃度是0.10 g/L時，藻細胞生物量增長迅速，第2 d生物量質量濃度是205 mg/L，第10 d達到405 mg/L.在培養結束的時候，未添加納米材料的實驗組，生物量增長率是75%，納米材料質量濃度是0.10 g/L，生物量增長率可以達到97%，生物量增長接近2倍（圖3）.一定的低質量濃度改性鈦酸鹽納米材料對斜生四鏈藻產生的促進作用可能由于分解出少量的Ti離子對藻細胞存在一定的營養作用.低質量濃度的納米材料對藻類生理性質產生影響，表明刺激藻細胞多糖和酶活性的增長，會導致藻細胞表現一定的促進生長特性［16］.

不同微藻的種類和鈦酸鹽納米材料協同處理對于模擬生活污水污染物的去除效果雖然存在一些差異，但在由于鈦酸鹽納米材料的加入中對污染物去除存在的藻種依賴性減弱.實驗最終發現先用鈦酸鹽納米材料處理前2 d，再加入藻細胞的培養方式對于污水中COD、氮磷營養元素的處理時間變短，去除效率變高，適合建立微藻-納米材料協同處理體系.實驗表明，微藻-納米材料協同處理體系能縮短污水處理的時間，提高去除效率，為強化微藻處理能力提供一種可行性研究.通過微藻生物修復和納米顆粒相結合以克服技術局限性，將成為開發新的有效修復技術的潛在機會［17］.

2.3 不同TNTs質量濃度下斜生四鏈藻葉綠素熒光特性的影響

通過在培養斜生四鏈藻的污水中添加不同質量濃度的改性鈦酸鹽納米材料，設置0.00，0.05，0.10，0.15，0.20 g/L 5個不同質量濃度，測定藻類在不同質量濃度的納米材料下的光合特性，如圖4所示.

在無微藻添加的情況下，納米材料的Fv/Fo和Fv/Fm分別為0.114和0.243.在設定的5個組中，高質量濃度的納米材料0.15 g/L和0.20 g/L的Fv/Fo和Fv/Fm值隨著培養時間的增長而緩慢下降，表現出高質量濃度納米材料對藻的生長出現一定抑制的情況.在前4 d未添加納米材料的0.00 g/L和0.05 g/L質量濃度的組，Fv/Fo和Fv/Fm值的快速增長，表現出很高的生長潛力.實驗研究發現在納米材料質量濃度為0.1 g/L時，藻細胞的潛在活性Fv/Fo值一直呈上升趨勢，在前6 d的時間里表現出對于納米材料加入的適應性，在第6 d的實驗組Fv/Fo值高出沒有添加納米材料0 g/L的組.納米材料對于藻細胞生長表現出一定的促進作用，這與NATARAJAN等［18］研究一致.在培養的第6～10 d時，納米材料質量濃度是0.1 g/L的Fv/Fo和Fv/Fm值都在一個相對較高的值，表現出較好的葉綠素熒光特性，生長潛力良好.

不同納米材料添加質量濃度，培養微藻的污水pH均呈現不斷增長的狀態，由于藻細胞光合作用吸收CO2高于呼吸作用，破壞污水中HCO-3和CO2-3之間的化學平衡.鈦酸鹽納米材料質量濃度越高，培養過程中污水pH值上升的趨勢越緩慢，高質量濃度納米材料（＞0.1 g/L）因納米顆粒存在附著在藻細胞的表面，導致光合作用減弱，pH值增長減緩.Fv/Fo和Fv/Fm值反映出微藻細胞的生長情況，微藻的葉綠素熒光特性，在培養的前6 d納米材料質量濃度時0.1 g/L時Fv/Fo和Fv/Fm值一直處于上升狀態，并在第6 d達到甚至超過0 g/L和0.05 g/L時藻細胞Fv/Fo和Fv/Fm值.在納米材料質量濃度為0.1 g/L時，表現出對藻細胞一定的生長促進作用，可能是由于藻細胞刺激以提高酶活性的原因，同時使得胞外多糖增加［19］.

2.4 TNTs和斜生四鏈藻混合物表征結果影響

XRD圖譜顯示（圖5），2θ在9.5°，24.2°，28.1°，48.1°和61.7°處，鈦酸鈉鹽的晶格衍射和相對應位置的衍射峰值是相符合的，代表其為單斜層狀鈦酸鹽晶體組成［18］.鈦酸鹽的層狀結構主要體現在9.5°處，而在26°的衍射峰值則代表的活性炭中的石墨結構，峰值表現不明顯，分析是由于被鈦酸鹽納米材料覆蓋導致.添加藻類后實驗可以進行XRD測定，并可以確定里面含有鈦酸鹽納米材料，這樣就表明處理過后藻類沉淀物中含有鈦酸鹽納米材料.

實驗結果顯示出添加納米材料的藻細胞沉淀物，在結合能1 071.18 eV出現Na 1s含量占比1.57%，相比于單獨的藻細胞1 071.18 eV出現Na 1s含量占比0.59%高出很多，表明藻細胞表面有鈉元素物質附著（圖6）.在結合能458.38 eV處出現Ti元素，含量占比達4.63%，根據 TNTs 的基本鈦酸鈉結構，即NaxH2-xTi3O7·nH2O，說明藻細胞沉淀物表面含有鈦酸鹽納米材料.分析出添加TNTs的藻細胞的元素比例，包括Na（1.57%），Ti（4.63%），O（33.84%），C（57.63%）（表2，表3）.

3 結論與建議

（1）鈦酸鹽納米材料對生活污水中的斜生四鏈藻具有一定的生長促進作用.

（2）在0.1 g/L的添加質量濃度下，斜生四鏈藻細胞經過6 d的適應期，表現出最強的生長促進效應.

（3）在0.2 g/L的添加質量濃度下，藻細胞生長受到抑制.

微藻生長消耗與納米材料吸附降解作用相結合處理農村生活污水具有一定的應用前景，但納米材料處理與藻類培養在工藝流程上未做到分離串聯，可能相互影響.因此，探討鈦酸鹽納米材料處理后的二級廢水對微藻生理特征影響是進一步的研究方向.本實驗所用到的人工模擬生活污水對農村生活污水的還原度不夠高，今后需搜集有代表性的農村污水、城市污水處理廠污水、煤礦工業區污水和工業廢水，利用納米材料和微藻協同處理進行比較.

參 考 文 獻

［1］ ?LI X，LI Y Y，LV D Q，et al.Nitrogen and phosphorus removal performance and bacterial communities in a multi-stage surface flow constructed wetland treating rural domestic sewage［J］.Science of the Total Environment，2020，709：136235.

［2］中華人民共和國生態環境部.第二次全國污染源普查公報［J］.環境保護，2020，48（18）：8-10.

Ministry of Ecology and Environment of the People's Republic of China.The second national pollution source census bulletin［J］.Environmental Protection，2020，48（18）：8-10.

［3］王俊能，趙學濤，蔡楠，等.我國農村生活污水污染排放及環境治理效率［J］.環境科學研究，2020，33（12）：2665-2674.

WANG J N，ZHAO X T，CAI N，et al.Pollution discharge and environmental treatment efficiency of rural domestic sewage in China［J］.Research of Environmental Sciences，2020，33（12）：2665-2674.

［4］SAUNDERS R J，PAUL N A，HU Y，et al.Sustainable sources of biomass for bioremediation of heavy metals in waste water derived from coal-fired power generation［J］.PLoS One，2012，7（5）：e36470.

［5］YADAV G，SHANMUGAM S，SIVARAMAKRISHNAN R，et al.Mechanism and challenges behind algae as a wastewater treatment choice for bioenergy production and beyond［J］.Fuel，2021，285：119093.

［6］CHO S，LEE N，PARK S，et al.Microalgae cultivation for bioenergy production using wastewaters from a municipal WWTP as nutritional sources［J］.Bioresource Technology，2013，131：515-520.

［7］楊佩昀，徐婷婷，高偉，等.溫度、光照和磷質量濃度對小環藻、大型溞和金魚藻共培養的影響［J］.河南師范大學學報（自然科學版），2016，44（1）：110-116.

YANG P Y，XU T T，GAO W，et al.Influences of temperature，illumination and phosphorus mass concentration on Co-cultivation among Cyclotella sp.，Daphnia magna and Ceratophyllum demersum［J］.Journal of Henan Normal University（Natural Science Edition），2016，44（1）：110-116.

［8］呂俊平，折雨亭，劉洋，等.不同接種質量濃度綠球藻對水產養殖廢水凈化的影響［J］.水生生物學報，2021，45（3）：617-624.

LYU J P，ZHE Y T，LIU Y，et al.Effect of chlorococcum sphacosum gd with different inoculation concentrations on the purification of aquaculture wastewater［J］.Acta Hydrobiologica Sinica，2021，45（3）：617-624.

［9］PRAVEEN P，GUO Y C，KANG H，et al.Enhancing microalgae cultivation in anaerobic digestate through nitrification［J］.Chemical Engineering Journal，2018，354：905-912.

［10］雷立，李學釗，晉銀佳，等.溫和水熱法合成鈦酸鹽納米管及其對水中重金屬離子的吸附研究［J］.環境科學學報，2016，36（5）：1663-1671.

LEI L，LI X Z，JIN Y J，et al.Synthesis of titanate nanotubes through a facile hydrothermal method and their adsorption behaviors for heavy metal ions from waters［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2016，36（5）：1663-1671.

［11］MA J，LI F，QIAN T W，et al.Natural organic matter resistant powder activated charcoal supported titanate nanotubes for adsorption of Pb（II）［J］.Chemical Engineering Journal，2017，315：191-200.

［12］梁旭鵬.鐵氧體磁性復合材料去除陰離子污染物的研究進展［J］.化工時刊，2022，36（2）：17-21.

LIANG X P.Application progress of ferrite magnetic composites in removal of anionic pollutants［J］.Chemical Industry Times，2022，36（2）：17-21.

［13］張政，馮長生，張曉瑞，等.鈦酸鹽納米管對水中氨氮的吸附特性［J］.環境科學，2019，40（7）：3135-3145.

ZHANG Z，FENG C S，ZHANG X R，et al.Ammonium adsorption characteristics in aqueous solution by titanate nanotubes［J］.Environmental Science，2019，40（7）：3135-3145.

［14］ZHANG B，MENG F P，CUI H W，et al.Microalgal cultivation in secondary effluents：enhancement of algal biomass，nutrient removal，and lipid productivity［J］.Journal of Ocean University of China，2020，19（6）：1461-1470.

［15］MIN K J，OH D Y，PARK K Y.Pilot-scale cultivation of water-net in secondary effluent using an open pond raceway for nutrient removal and bioethanol production［J］.Chemosphere，2021，277：130129.

［16］戴英奇.納米顆粒強化微藻生長與油脂積累及其機制探究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

DAI Y Q.The mechanisms of enhanced microalgal growth and lipid accumulation by nanoparticle addition［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2019.

［17］JI L，GE Q L，LI Y，et al.A comparative study of the growth and nutrient removal effects of five green microalgae in simulated domestic sewage［J］.Water，2021，13（24）：3613.

［18］NATARAJAN S，LAKSHMI D S，THIAGARAJAN V，et al.Antifouling and anti-algal effects of chitosan nanocomposite（TiO2/Ag）and pristine（TiO2 and Ag）films on marine microalgae Dunaliella salina［J］.Journal of Environmental Chemical Engineering，2018，6（6）：6870-6880.

［19］YADAV B C，YADAV A，SINGH S，et al.Nanocrystalline zinc titanate synthesized via physicochemical route and its application as liquefied petroleum gas sensor［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2013，177：605-611.

Effect on the treatment of rural domestic sewage using Tetrastreptococcus obliquus and titanate nano materials

Li Yuan1，2， Ge Qili1， Ji Li1， Bi Yonghong2

（1. School of Environment and Resources， Taiyuan University of Science and Technology， Taiyuan 030024， China;

2. State Key Laboratory of Fresh Water Ecology and Biotechnology， Institute of Hydrobiology，

Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430072， China）

Abstract： At present， the situation of rural domestic sewage treatment in China is still grim. The combination of algae and nano materials can effectively treat domestic sewage. Therefore， it is very important to understand the impact of nano materials on algae in domestic sewage. Based on the regulation of titanate nano materials， the effects of Tetrastreptococcus obliquus on domestic sewage treatment are studied. The results showed that low concentrations of titanate nano materials showed the growth promoting effect after a 6-day adaptation period， the algal cells increased by 97% after 10 d. Titanate nano materials had the greatest impact on the growth of algae biomass at the concentration of 0.1 g/L. The growth of algae cells was inhibited at the concentration of 0.2 g/L.

Keywords： algae; domestic sewage; nanomaterials; titanate; growth inhibition test

［責任編校 劉洋 楊浦］

收稿日期：2022-06-04;修回日期：2022-07-22.

基金項目：國家自然科學基金（31971477;42177057;42207528）；山西省重點研發計劃項目（2022ZDYF125）.

作者簡介：李淵（1987-），男，山西太原人，太原科技大學副教授，博士，研究方向為水域生態學，E-mail：liyuan_198711@sina.com.

通信作者：畢永紅，E-mail：biyh@ihb.ac.cn.