2种微藻对养殖水体中氨氮和亚硝态氮的净化作用

刘 盼，贾成霞，杨 慕，曲疆奇，张 楠，张清靖

( 1.北京市水产科学研究所， 渔业生物技术北京市重点实验室，北京 100068；2.农业部北方地区渔业资源环境科学观测实验站，北京 100068 )

集约化养殖业迅速发展，而水体污染已成为水产养殖业发展的瓶颈之一。养殖过程中的排泄物、残饵以及用药等，都会造成水产养殖水体的富营养化[1]。其中氨氮(NH4+-N)和亚硝态氮(NO2--N)是影响水产养殖水体健康的主要含氮污染物[2-4]。水体中的NH4+-N可在一定条件下转化为NO2--N，而NO2--N是强氧化剂，可导致低氧血症，使水产品的抗逆性下降[5-6]。目前治理水体富营养化主要是利用水生植物吸收水体中的营养盐[7]，但在水产养殖水体中应用较少。单细胞藻类及高等水生植物生长过程均需吸收营养物质，起到一定的净化水体作用，又可以实现水资源的再生利用[8]。近些年，有关藻类对富营养化水体中氮、磷等营养物的去除作用已有报道。张继平等[9]研究表明，当NO2--N质量浓度一定时，接种密度为2.0×104个/mL的小球藻(Chlorella)对水体中的NO2--N有较高的去除效果。黄翔鹄等[10]研究指出，当牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)密度为0.6×108～1.0×108个/L时，水体中NH4+-N和NO2--N的去除率较高[10]。蛋白核小球藻(C.pyrenoidosa)不仅可作为水生经济动物的优质天然饵料，还可吸收水中的氮、磷等元素，降低水体的富营养化水平，净化水质[11-12]。栅藻(Scenedesmus)是常见的浮游藻类，其中斜生栅藻(S.obliquus)是绿球藻目中定形群体类型的常见藻类，也是富营养化水体中甲型中污带的指示种[13]。

实验室条件下，笔者模拟水产养殖水体中NH4+-N和NO2--N质量浓度，研究了蛋白核小球藻和斜生栅藻对NH4+-N和NO2-N的吸收速率和藻类的生长曲线，探讨2种藻类去除这2种营养盐的能力，为应用生物控制技术调控水产养殖富营养化水体水质提供参考。

1 材料与方法

1.1 藻种和培养基

蛋白核小球藻和斜生栅藻购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库，编号分别为FACHB-5和FACHB-12。

采用BG11培养基为基础进行培养，改变培养基中氮的含量，所有试剂均为分析纯。

1.2 藻种的扩繁

将蛋白核小球藻和斜生栅藻储备培养物转接在新鲜无菌的BG11培养基中，于温度26 ℃、光照8000 lx、光暗比12 h∶12 h下培养，使藻类在2～3 d达到对数生长期后，再转接到新鲜BG11培养基中达到对数生长期，之后再次转接到新鲜培养基，如此反复转接培养2～3次，经检查2种藻类生长旺盛并处于对数生长期后，用来进行试验。

将藻类母液以8000 r/min离心10 min后，弃掉上清液，用无菌水反复洗涤3次，去除附着在藻类表面的营养盐。试验开始前先将藻类在低质量浓度营养盐(0.01 mg/L)培养基中驯养3 d。实际藻类培养体积设为150 mL，藻体接种量为10%(体积比)，日摇瓶2次，锥形瓶随机摆放，以减少光照度对藻类生长的影响。试验开始时对藻类进行计数。

1.3 两种微藻对不同NH4+-N质量浓度的去除率试验

将培养基中的硝酸钠换为氯化铵，使NH4+-N质量浓度分别为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每个质量浓度设3个平行。未添加氯化铵组为空白对照组。

1.4 两种藻类对不同NO2--N质量浓度的去除率试验

将培养基中的硝酸钠更换为亚硝酸钠，使NO2--N质量浓度分别为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L和8.0 mg/L，每个质量浓度设3个平行。未添加亚硝酸钠组为空白对照组。

每隔2 d测定藻细胞密度及NH4+-N和NO2--N质量浓度。数据采用Excel 2007进行统计和分析。试验结果中的去除率均为已扣除空白对照组的数据。

2 结 果

2.1 蛋白核小球藻对NH4+-N和NO2--N的去除效率

在5个NH4+-N质量浓度试验组中，试验开始4 d，去除率曲线的斜率最大，说明蛋白核小球藻吸收NH4+-N的能力急速增强。随着试验时间延长，蛋白核小球藻对NH4+-N的去除率逐渐增加。经统计分析可知，自试验开始8 d至试验结束，蛋白核小球藻对NH4+-N 8 mg/L组的降解效果显著高于0.5 mg/L组的降解效果(P<0.05)，而4、2 mg/L和1 mg/L组间则差异不显著(P>0.05)。说明蛋白核小球藻在高NH4+-N质量浓度水体下更能发挥其吸收能力(图1)。

与NH4+-N组类似，在5个试验组别中，随着培养基NO2--N质量浓度增高，蛋白核小球藻对NO2--N的去除率逐渐增大。自试验开始第6 d，蛋白核小球藻对NO2--N 8 mg/L组的去除效果显著高于4、2、1、0.5 mg/L(P<0.05)组，而NO2--N 4、2、1、0.5 mg/L组间差异不显著(P>0.05)(图2)。

图1 蛋白核小球藻对NH4+-N的去除率

图2 蛋白核小球藻对NO2--N的去除率

2.2 斜生栅藻对NH4+-N和NO2--N的去除效率

斜生栅藻对NH4+-N的去除效率见图3。14 d时5个试验组斜生栅藻对NH4+-N的去除率为54%～87%。斜生栅藻自试验开始的第3～4 d开始吸收NH4+-N，NH4+-N 4 mg/L组和2 mg/L组的去除率最高。经统计分析可知，斜生栅藻对NH4+-N 4 mg/L组和2 mg/L组的去除效果显著高于1 mg/L组和0.5 mg/L组(P<0.05)，而NH4+-N 4 mg/L组与2 mg/L组组间则差异不显著(P>0.05)。说明斜生栅藻对NH4+-N 2 mg/L和4 mg/L组具有比较高的去除率。

斜生栅藻对NO2--N的去除效率见图4。14 d时5个试验组对NO2--N的去除率为52%～83%，其中去除效率最高的是NO2--N 0.5 mg/L组，其去除率达83.75%。统计分析结果显示，斜生栅藻对NO2--N 0.5 mg/L组的去除效果显著高于8 mg/L组(P<0.05)，而NO2--N 4 mg/L组、2 mg/L组和1 mg/L组组间差异不显著(P>0.05)。这说明斜生栅藻在NO2--N 0.5 mg/L时能较好地发挥作用。

2.3 蛋白核小球藻和斜生栅藻对NH4+-N和NO2--N去除率的比较

蛋白核小球藻和斜生栅藻对NH4+-N的去除效率比较见图5、图6(同一试验组内，a、b示差异显著，a、a示差异不显著)。在NH4+-N 4 mg/L时，斜生栅藻的去除率显著高于蛋白核小球藻(P<0.05)；而在NH4+-N 8 mg/L组中，蛋白核小球藻对NH4+-N的去除率又显著高于斜生栅藻(P<0.05)；在其余3个NH4+-N质量浓度(2、1、0.5 mg/L)下，2种藻类对NH4+-N的去除率差异并不显著(P>0.05)。

在NO2--N 8 mg/L组和NO2--N 0.5 mg/L组中，蛋白核小球藻和斜生栅藻对NO2--N的去除率差异极显著(P<0.01)；而在NO2--N 2 mg/L组，2种藻类的去除率则差异不显著(P>0.05)。

图3 斜生栅藻对NH4+-N的去除率

图4 斜生栅藻对NO2--N的去除率

图5 蛋白核小球藻和斜生栅藻对NH4+-N去除率的比较

图6 蛋白核小球藻和斜生栅藻对NO2--N去除率的比较

2.4 蛋白核小球藻细胞密度的变化

蛋白核小球藻在5个NH4+-N质量浓度试验组中的细胞密度变化见图7。自试验开始约第4 d，蛋白核小球藻迅速增殖，之后逐渐进入稳定增长期；随着NH4+-N质量浓度降低，蛋白核小球藻的密度也逐渐减小。至14 d结束，NH4+-N 8 mg/L组蛋白核小球藻密度显著高于0.5 mg/L组(P<0.05)，其细胞密度分别达到15.33×106个/L和3.67×106个/L。说明蛋白核小球藻在高质量浓度NH4+-N环境下更易增殖。

蛋白核小球藻在5个NO2--N质量浓度试验组中的细胞密度变化见图8。与NH4+-N试验组类似，自试验开始第4 d，蛋白核小球藻开始迅速增殖，之后进入相对稳定的增殖期。至14 d，NO2--N 8 mg/L组和4 mg/L组蛋白核小球藻的细胞密度显著高于1 mg/L组和0.5 mg/L组(P<0.05)，而NO2--N 8 mg/L组、 4 mg/L组与1 mg/L组、0.5 mg/L组组间差异不显著(P>0.05)。

图7 NH4+-N试验组中蛋白核小球藻的密度变化

图8 NO2--N试验组中蛋白核小球藻的密度变化

2.5 斜生栅藻的细胞密度变化

斜生栅藻自试验开始第3～4 d增殖速率递增，与蛋白核小球藻试验组不同的是，NH4+-N 4 mg/L组和2 mg/L组的斜生栅藻细胞密度显著高于8 mg/L组、 1 mg/L组和0.5 mg/组(P<0.05)；但是NH4+-N 4 mg/L组与2 mg/L组间及1 mg/L组、0.5 mg/L组间则差异不显著(P>0.05)(图9)。

与斜生栅藻细胞密度随NO2--N质量浓度的增大而减小。至14 d结束，NO2--N 0.5 mg/L组的细胞密度显著高于8 mg/L组，其数量分别为10.26×106个/L和3.51×106个/L； NO2--N 1.0 mg/L组、2.0 mg/L组、4.0 mg/L组的斜生栅藻细胞密度则差异不显著(P>0.05)(图10)。

图9 NH4+-N试验组中斜生栅藻的密度变化

图10 NO2--N试验组中斜生栅藻的密度变化

3 讨 论

3.1 藻类去除不同形态氮的机理

藻类去除水产养殖富营养化水体中不同形态氮的机理分为两种，一种是直接作用，即在自然光照条件下，藻类以CO2或有机碳为碳源，主动消耗水中的含氮营养物质以满足自身生长的需要，同时释放氧气，增加水体中的溶解氧质量浓度，提高水体质量。因此，藻类的生长特性很大程度上决定了去除水体中营养物质的效率。另外一种为间接的物理化学作用，即当藻类在富营养化水体中生长繁殖迅速时，消耗水体中的H+，使得水体中pH增高而呈弱碱性，弱碱性的水环境有利于促进氨的挥发，达到去除水体中含氮营养物的效果[14-15]。

3.2 2种微藻的生长曲线与对NH4+-N和NO2--N的去除关系

本试验结果表明，蛋白核小球藻和斜生栅藻对不同质量浓度的NH4+-N和NO2--N均有较强的去除能力，但优势各有不同。在NH4+-N 8 mg/L和NO2--N 8 mg/L试验组下，蛋白核小球藻繁殖更为迅速，去除效果也最强。这与宋培学等[16]的研究结果相似。培养前4 d是蛋白核小球藻生长的适应期，溶液中的NH4+-N和NO2--N质量浓度变化较小，培养至第4 d后，蛋白核小球藻开始进入对数生长期，NH4+-N和NO2--N的质量浓度下降幅度最大。而到试验的第8 d，蛋白核小球藻的生长进入稳定期，对NH4+-N和NO2--N的去除也呈平稳趋势。各营养盐质量浓度中蛋白核小球藻的去除率趋势大体相同，最终去除NH4+-N和NO2--N的量随小球藻数量的增加而增加。斜生栅藻在NH4+-N试验组中培养到约第5 d进入对数生长期，但与蛋白核小球藻不同的是，斜生栅藻对NH4+-N的去除率最高为2 mg/L和4 mg/L试验组；在NO2--N试验组中，去除率最高的为0.5 mg/L试验组。斜生栅藻的细胞密度随NO2--N质量浓度增大而减小，表明低NO2--N质量浓度对斜生栅藻有一定的促进作用。随着NO2--N质量浓度的增大，对斜生栅藻的生长有一定的抑制作用。这一研究结果与报道的低于2.0 mg/L的NO2--N能够促进四尾栅藻(S.quadricanda)的生长的研究结果[2]相似。

3.3 应用2种微藻净化水质的注意事项

藻类的生长过程表明，蛋白核小球藻和斜生栅藻多在培养4～5 d 后，进入对数生长期，对水体中NH4+-N和NO2--N的利用较好。在生产中，可以将培养4 d的蛋白核小球藻和斜生栅藻作为水质改良剂使用，来降低水环境中NH4+-N和NO2--N的含量。蛋白核小球藻和斜生栅藻来源广，生长繁殖迅速，对环境的适应力强，易培养，能释放氧气、降低水体富营养化，保持良好的水环境，实现废水资源的再生利用。在适宜的条件下还可获得生物柴油、蛋白质等高附加值产品[17]，具有良好的应用前景。但要注意藻类在吸收水体中营养盐的同时，也代谢出一些自身代谢产物，对水体产生一定影响。因此，应根据水体中具体富营养化程度，接种或培养适宜密度的藻类，既提高对营养盐的去除速率，又避免水体的二次污染。

在水产养殖富营养化水体中增殖蛋白核小球藻或斜生栅藻是一种简便又行之有效的方法，通过控制藻体密度，提高藻去除水体中NH4+-N和NO2--N的效率，从而达到净化水体的目的。

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