固定化光合细菌对水体富营养化的去除效果

常会庆,王世华,寇太记

(河南科技大学农学院,河南洛阳 471003)

固定化光合细菌对水体富营养化的去除效果

常会庆,王世华,寇太记

(河南科技大学农学院,河南洛阳 471003)

为了探索对富营养化水体的微生物修复方法,采用固定化光合细菌进行人工模拟的富营养化水体处理试验。试验结果表明,接种固定化光合细菌比对照可明显地降低水体中的养分。19d的处理时间,TN、NH4-N、NO3-N、TP和COD的去除率分别达到了65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,78.06%,并且接种光合细菌对水体中的藻类也起到一定的抑制作用。接种光合细菌增加了水体的DO和pH值,同时也提高了硝化率以及光合细菌数,而水体中这些因素的变化都与水体中养分的去除效果密切相关。因此富营养化水体修复中接种固定化光合细菌可以起到去除养分的目的。

富营养化;固定化光合细菌;养分去除

近年来,地表水体富营养化的进程已经成为人们关注的问题之一[1],中国地表水体富营养化问题尤为突出,已威胁到饮用水的供应和安全,即便在水源丰富的地区也由于水质的下降导致淡水缺乏。美国2048个水体中,大约有61%的水体TN、TP含量没有达到EPA标准[2]。我国污水处理厂的N、P排放标准(GB18918—2002)分别为15mL/L和1.5mL/L,也已经超出地表三类水质要求的30倍。如果这些污水没有进行深度处理就直接排出,势必导致受纳水体富营养化现象的发生,甚至会引起许多位于较偏僻山区作为饮用水源地的水库发生富营养化现象[3-4]。因此,发展新的、投资较低的技术来去除污染水体中过量的养分是必要的,以便重新建立起一个健康并具有自净能力的水生态系统。

光合细菌主要以游离细胞的形式被应用。但是游离细胞在流水条件下易被水流冲走,在静水条件下易被其他生物所食用,并且缺乏吸附和生长繁殖的载体时其难以稳定地长期发挥功能。近年来,固定化细胞技术的兴起为微生物的应用增添了新的活力,固定化光合细菌的应用研究已有许多报道[5-6],尤其在水产养殖业取得的成果引人注目,能起到净化池塘水质的效果[7-8]。应用固定化光合细菌及其净化污水的研究,表明固定化细胞能够克服游离细胞的不足,具有良好的发展前景[9-10]。目前针对富营养化水体过量养分去除效果及机理的研究鲜见报道。因此,笔者采用固定化光合细菌来处理人工模拟的富营养化水体,意在为富营养化水体微生物修复提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

产氧光合细菌由中国科学院微生物研究所提供,标号为120(1.2352),采用血球板计数法。主要试验仪器包括WFZUV-2100紫外可见分光光度计、FA1004 A电子分析天平、250D光照培养箱、BCD-185型冰箱等。

1.2 试验方法

1.2.1 试验用品配制

a.光合细菌培养基,配制成分如下:硫酸二氢钾1.0g,氯化镁 0.5g,氯化铵 1.0g,氯化钙 0.1g,氯化钠1.0g,醋酸钠 1.0g,琥珀酸钠1g,酵母膏0.5g,碳酸氢钠3.0g,蛋白胨0.5g,蒸馏水1L。

b.微量元素液(1 mL/L),配制成分如下:FeCl2.4H2O 1.8g,CoCl2.6H2O 0.25g,NiCl6H2O 0.01g,CuCl2.H2O 0.01g,MnCL24H2O 0.7g,ZnCL20.1g,硼酸0.5 g,Na2SeO3.5H2O 0.01 g,NaMoO42H2O 0.03g,水1L。

c.维生素溶液(1mL/L),配制成分如下:维生素Biotin 0.1g,烟酸0.35g,烟酸硫胺素0.3g,对氨基苯甲酸0.2g,泛酸钙0.1g,维生素B120.05g,盐酸吡哆胺0.1g,水 1L。将配制好的溶液调节pH值为6.80,灭菌后在30℃条件下培养3d,离心收获细胞(4℃,4000r/min离心20min),然后用蒸馏水洗2遍后立即固定。

1.2.2 细胞固定

海藻酸钙固定化:用50mL体积分数为4%的海藻酸钠灭菌5min(73.5kPa)后冷却到45℃,然后用培养好的光合细菌(OD600=0.5)细胞悬浮液50mL和海藻酸钠混合,立即倒入孔径约1mm的自制造粒器中,使形成的固定化颗粒滴入5%的CaCl2溶液中,再放置24h,最后滤出颗粒,用生理盐水洗净,备用。

1.3 试验实施

试验包括 2个处理,分别为:①CK-对照;②P-固定化光合细菌。每个处理设3次重复,使用培养容器为60L的圆塑料桶(直径为0.6m,有效深度为0.6m,表面积为0.28m2)。采用人工模拟的富营养化水体,在试验处理前加入葡萄糖、NH4NO3和NaH2PO4,使得水体中TN、TP、NH4-N、COD 和叶绿素a的质量浓度分别为40.2mg/L、7.99mg/L、19.85mg/L、41.26mg/L和75.46μ M/L,pH值为7.02。

约50g的固定化光合细菌载体放入孔径0.5mm的尼龙袋中,悬挂于水面下约0.3m处,光合细菌的处理放置3个固定化的光合细菌载体。试验期间气温在22.4～35.3℃之间变化,水温在23.20～32.6℃范围内,试验处理19d后结束。

1.4 取样和分析

水样分别在 0d 、2d、6d、12d、19d 进行采集 ,每次采样时间固定在上午8:00,用100mL的量筒在水面下0.35m处的3个地方进行采样。试验参数测定根据标准的水和废水监测分析方法[11]。

反硝化率的测定依据对NO3-N消耗的方法进行计算[13]。反硝化率以24h培养时间内N在有硝化作用抑制剂条件下的变化来决定。硝化作用的抑制剂可以阻止NH3-N向NO3-N转化,因此NO3-N的减少可以被认为是反硝化作用过程的结果。

2 试验结果与讨论

2.1 富营养化水体中总氮、铵态氮和硝酸盐的变化

对于总氮而言,随着试验的进行,对照和光合细菌反应系统中TN质量浓度都会降低。试验结束时光合细菌的处理和对照处理中TN的质量浓度分别为(13.06±0.85)mg/L和18.81mg/L。NH4-N的质量浓度在试验中呈下降趋势,试验结束时2个处理NH4-N的质量浓度分别为(10.96±1.04)mg/L和(4.01±0.76)mg/L,固定化光合细菌对NH4-N的降低率比对照多35.02%。NH4-N的去除主要是由于硝化作用的进行,以及一定程度NH3-N的挥发。对照和光合细菌系统中除了藻类和光合细菌对NH4-N的吸收外,NH3-N挥发可能是导致NH4-N降低的另外一个因素。硝酸盐的变化与TN的变化有相似的趋势,在19d后2个处理的硝酸盐质量浓度分别降低到(0.31±0.22)mg/L和(4.23±0.059)mg/L。NO3-N在对照中的降低效果明显,主要是由于对照有相对较小的DO浓度,并且反硝化作用较强,因此使得NO3-N在相对厌氧的条件下降低得较快,试验结束时其质量浓度降低了98.45%。硝化和反硝化作用发生在所有的处理中(表1),而且受到许多环境因素的影响,例如底泥成分、水体中的溶解氧含量、光照、悬浮物、pH值和盐度等[14-15]。笔者的研究表明,NH3-N可以被硝化细菌进行氧化,而且硝化和亚硝化细菌可以附着在光合细菌固定化载体的表面,这些条件有利于水体中TN的降低。图 1为CK-对照以及P-固定化光合细菌对富营养化水体中TN 、NH3-N、NO3-N 的影响。

表1 CK-对照以及P-固定化光合细菌在0d,10d,19d时硝化率和反硝化率的变化 mg/(L◦h)

图1 CK-对照以及P-固定化光合细菌对富营养化水体中TN、NH3-N、NO3-N 的影响

2.2 富营养化水体中TP的变化

图2表明2个培养系统中TP的变化过程。在第2天时2个处理中由于pH值上升导致TP有显著降低的趋势,随后TP的下降趋于平缓。在试验结束时CK-对照和P-固定化光合细菌处理中TP的值分别为(3.94±0.17)mg/L和(2.96±0.15)mg/L。微生物的吸收利用或许是减少TP的一个因素,接种的光合细菌正好起到这个作用。在水体中每天pH值的变化也对P的有效性起着重要作用[16],P在高pH值条件下可以与Ca2+发生沉淀反应。然而,这些导致养分降低的机制仍然需要做进一步的研究[17-18]。

图2 CK-对照以及P-固定化光合细菌对富营养化水体中TP的影响

2.3 富营养化水体中COD和叶绿素a的变化

接种光合细菌可以明显降低水体中的COD含量(图3)。试验结束时COD的去除率为78.06%,而对照处理COD去除率仅有59.39%。COD的降低原因之一主要是依靠系统中微生物和藻类的生长对其中碳源的利用,采用固定化接种的方法可以明显提高水体中光合细菌的数量(表2),光合细菌在降低水体有机物含量方面有着显著的作用,这样可以避免由于水体中的C/N过高,异氧微生物繁殖过快抑制硝化菌生长,影响到微生物的脱氮作用[19]。水体中叶绿素a的含量与水体中藻类的含量成正相关,接种光合细菌在一定程度上降低了水体中的叶绿素a。这主要是由于光合细菌吸收了水体中的养分从而抑制了藻类的生长。

图3 CK-对照以及P-固定化光合细菌对富营养化水体中COD和叶绿素a的影响

表2 光合细菌在CK-对照以及P-固定化光合细菌间的数量变化

2.4 富营养化水体中pH值和DO的变化

富营养化水体开始的pH值为7.02,pH值在对照和光合细菌处理中都有不同程度的增加。光合细菌处理与对照相比,pH值约增加了2(图4)。较高的pH值有利于降低系统中磷的可溶性和生物有效性。DO的初始浓度为2.64mg/L,接种光合细菌有利于DO增加,表明光合细菌在白天可以增加光合作用的产氧量。在第6天时,由于藻类光合作用的贡献使得DO在光合细菌的处理中达到最高。2个系统中不同的DO水平主要是由于光合细菌和藻类共同作用造成的差异。

图4 CK-对照以及P-固定化光合细菌对富营养化水体中pH值和DO的影响

3 结 论

接种固定化光合细菌不但有利于改善富营养化水体的质量,而且对水体中的多种养分都有较明显的去除效果。研究结果表明:在19d的处理时间中固定化光合细菌对TN、NH4-N、硝酸盐、TP和COD的去除率分别达到 65.94%、79.84%、78.80%、62.95%、78.06%。因此探索该系统在实际工程中的应用,评价由于季节不同引起光照和温度的变化对研究结果的影响是必要的。对接种光合细菌于原位生态修复工程中的养分去除最佳条件的探索仍然需要做进一步研究。

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Effects of immobilized photosynthetic bacteria on eutrophic water

CHANG Hui-qing,WANG Shi-huang,KOU Tai-ji
(College of Agriculture,Henan University Science and Technology,Luoyang471003,China)

In order to find a feasible biotechnology to remediate eutrophic water,an experiment of treating the artificial eutrophic water with immobilized photosynthetic bacteria was carried out.The results showed that the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could reduce the nutrients in water effectively.The removal rates of TN,NH4-N,NO3-N,TP,and COD were 65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,and 78.06%,respectively,after 19 days of treatment.Furthermore,immobilized photosynthetic bacteria inhibited algae growth in the water.The inoculation of immobilized photosynthetic bacteria also increased DO,pH value,the rate of nitrification,and the number of photosynthetic bacteria,and the change of all these factors had an impact on nutrient removal efficiency in water.Therefore,the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could achieve the goal of nutrient removal in the eutrophic water remediation.

eutrophication;immobilized photosynthetic bacteria;nutrient removal

X171

A

1004-6933(2010)03-0064-04

国家科技部中澳合作项目(国科外函[2002]168)

常会庆(1974—),男,山西太谷人,博士,研究方向为富营养化水体的生态修复机理。E-mail:hqchang@126.com

2008-12-05 编辑:高建群)