光强对栅藻净化市政污水水质的影响研究*

周晓琴，苏 翔，毛雪梅，左轻扬，安雅敏

(重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067)

微藻是大自然中广泛存在的自养型微生物，种类繁多且繁殖迅速，在生长过程中能够利用N、P，并且对重金属也有一定的去除效果，对Zn、Hg、Cd等富集可达几千倍，吸附作用强而净化速率高［1］。藻类在生长过程中，以CO2和碳酸盐作为碳源，以水体中的氮素作为氮源，同时能够以多种无机磷酸盐作为磷源，通过藻类细胞中叶绿素进行光能自养，完成细胞增殖并释放出氧［2］。20世纪50年代，美国的Oswald和Gotaas最早提出利用藻类来净化污水［3］。20世纪80年代，生物技术迅速发展，国内外对于利用藻类来净化污水的研究也越来越多，取得了较大进展［4-9］。在污水深度处理与生物柴油生产耦合系统中，藻种的筛选与驯化是实现该工艺的前提和重点。针对耦合目的，藻种筛选原则应为:在生活污水条件下生长速率快、氮磷去除效率高、生物质产量高及单位藻细胞生物量的油脂产量高［10］。

光照是影响微藻生长的最重要的环境因子之一。光照对微藻的生长、繁殖、藻体颜色、细胞形态及胞外多糖积聚都有重要影响。不同的微藻都有最适于其生长的最佳光照环境。在微藻培养中，研究光照的作用，应用适当的光照技术加快培养对象的生长繁殖，调节其营养成分，是提高油脂产量和生物量的重要途径。

综观国内外这方面的报道，目前研究尚处于个体情况的资料积累阶段。其中，光强和光周期的调节容易实现，相关研究较多。实验以油脂含量较高的栅藻为实验藻种，用当地城市生活污水作为培养基，考察了栅藻在不同光照强度和不同污水浓度下的生长情况、藻细胞油脂的积累情况以及对TN、TP的去除率，研究了光强对栅藻的影响，以期为栅藻净化水质以及提取油脂的研究提供基础数据和支撑。

1 材料和方法

1.1 实验用水和水质

实验用水采自重庆市茶园新区污水处理厂，每次采样均采用格栅出水，具体实验水质可能略有浮动。

表1 实验用水(污水)水质

1.2 实验藻种

通过对污水净化和产油藻种的相关文献分析，选取栅藻(Scenedesmus sp.)为实验藻种，编号为FACHB-1229。实验所用藻种购自中国科学院野生生物种质库——淡水藻种库。

1.3 实验方法

1.3.1 培养方法

因购买的藻种体积不足以完成实验，需要在无菌条件对其进行转接并扩大培养。采用人工气候箱进行培养，培养温度为25±1℃，光照条件2 000 Lux，12 Hr昼/12 Hr夜，培养期间每天定时摇动3次，使得藻分布均匀。藻类在污水中生长时条件相同。

1.3.2 藻类生物量的测定

藻细胞干重的测定:取50 mL烧杯在105℃烘箱干燥24 h后，称重记为m1，取一定体积藻液加入到离心管中，在8 000 r下离心15 min后弃去上清液，将浓缩藻液转移到已经称重的干燥烧杯中，在放入105℃烘箱干燥 24 h 后，称重记为 m2，计算藻细胞干重 m2－ m1［11］。

藻密度测定:将藻种接种于液体培养基中，每天定时取样，在放大倍数为10×40的显微镜下观察藻类形态并计算藻细胞数量。血球计数板计算公式:细胞数/mL=80小格内藻细胞个数/80×400×104×稀释倍数。

1.3.3 水质测定

实验采用不同于培养条件的光强(2 000 lux)，考察了藻类在弱光照1 000 lux和较强光照3 000 lux下的生长情况，并设了两组平行样，分析其藻密度以及对污水TN、TP的降解效率。

实验测定TN，TP各指标均采用《水和废水监测分析方法》(第四版)［12］的国标方法。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，TP用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法。

2 结果和分析

2.1 光照强度对栅藻生长的影响

将培养处在对数期的栅藻分别接种至污水中，在人工气候箱中培养，采用不同光强，考察了藻类在弱光照1 000 lux和较强光照3 000 lux下的生长情况，并设了两组平行样，分析其藻密度以及对污水TN、TP的降解效率。

图1 藻密度对比

由图1可知，栅藻在3 000 lux光照强度下藻的活性最高，且生长最好，藻密度达到268×105个/mL，栅藻在1 000 lux的条件下，藻密度远远低于3 000 lux下培养的藻密度约为49×105个/mL，污水中也存在相同的情况，即光照强度较大的时候藻类长势较好，在培养后期由于藻密度不断增大，光照强度低的条件下，相对每个藻细胞得到的光照就小，在阳光水平低或高浓度的生物量细胞相互的阴影作用下会导致负的光合作用率(呼吸作用)的暗区内部的作用形成。这将导致整体的光合效率降低和生物生产力下降［13］。但实验选取的光照强度只有2组，因此没有考察极强光强下栅藻的生长情况。

对于光强的作用规律，一般表现为各种藻类都存在某个最适合生长的光强范围，此范围之内的光强照射能够推动较高的生长速率，此范围之外的光强照射将导致生长速率的下降。

2.2 不同光强下栅藻对TN、TP的降解

栅藻在光照强度为3 000 lux的条件下，细胞活性明显大于1 000 lux强度下，由图2、图3可看出，栅藻在13 d左右进入稳定期，之前降解TN和TP的速率非常高，进入稳定器之后，由于细胞生长较之前缓慢，因此降解速率也随之降低，其中最终栅藻可以将污水中的TP降低到检测线一下。原污水组在1 000 lux和3 000 lux的条件下，培养的前面几天内对TN和TP的降解均没有栅藻组好，在后期约第8 d时，由于污水中生长了较多的混合藻类，因此降解效果也相应得到提升。

图2 不同光强下栅藻对TN的降解

图3 不同光强下栅藻对TP的降解

总之，较强的光照强度有利于藻细胞的生长以及对污染物质的降解。具体的去除效率见图4、图5。

不同光强下，栅藻对TN的去除效率对比见图4，栅藻1 000 lux和栅藻3 000 lux条件下TN去除率分别为90%和94%，污水1 000 lux和污水3 000 lux条件培养下，后期由于长出了较多的藻类，对TN的去除效率分别为71%和85%。综合对比可知，栅藻对净化水质有着巨大的作用，且对污染物的去除速率很快，污水中长出的藻类也多为绿藻中的栅藻，栅藻在较强光照强度下各方面都比弱光照下有优势，因此可以认为较强光强能够促进栅藻的生长，并提高降解TN的速率和效果。

由图5可知不同光强下，栅藻对TP的去除效率情况基本与TN的趋势一致，栅藻1 000 lux和栅藻3 000 lux条件下TN去除率分别为98%和99%，污水1 000 lux和污水3 000 lux条件培养下，后期由于长出了较多的藻类，对TN的去除效率分别为67%和94%。栅藻对TP的净化能力较强，且对TP的去除速率很快，除了1 000 lux污水效果不好以外，其他3组都能够很快的降解TP。同理一定范围内的强光照能够促进藻细胞生长并提高对水质中TP的净化效率。

图4 不同光强下TN的去除效率

图5 不同光强下TP的去除效率

3 结论

(1)在不同光照强度下，栅藻的藻密度在3 000 lux条件下要高于1 000 lux，其中栅藻在3 000 lux下培养时最大藻密度为268×105个/mL，明显高于其他三组，但在后期藻类的生长速率变慢，可能是因为随着藻生物量的增大而产生了相互间的隐蔽作用，从而降低了有效光强。

(2)不同光强下，栅藻在光照为1 000 lux和3 000 lux条件下TN去除率分别为90%和94%，污水1 000 lux和污水3 000 lux条件培养下，后期由于长出了较多的藻类，对TN的去除效率分别为71%和85%。

(3)栅藻对TP的去除效率情况基本与TN的趋势一致，栅藻1 000 lux和栅藻3 000 lux条件下TP去除率分别为98%和99%，高于相应污水组的67%和94%。

(4)从对照组和实验组的对比结果可知，栅藻能够有效的净化污水中TN、TP等营养物质，且在当地市政污水中生长良好，可进一步研究开发应用栅藻来处理城市生活污水。

(5)由于藻类的生长和营养物的吸收不仅受到可用性营养物和藻种的影响，而且还依靠诸多环境因素，如pH、光照、温度等，未来的工作重点仍然是藻种的筛选，寻求培养条件的优化，从而更好的利用藻类来造福环境。

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