光强对菌藻共生生物膜群落结构的影响

朱 林，车 轩，曾宪磊，刘兴国，刘 晃，王小冬，陈芳旭，黄 达

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业部渔业装备与工程技术重点试验室，上海200092）

随着我国现代经济的高速发展和人口剧增，水体污染、富营养化已成为我国最为关注的环境问题之一[1]。当前国内在污水处理技术方面普遍存在耗能高、成本高、占地大等一系列问题，传统的物理处理法效率低、处理不彻底且能耗较大；化学处理使用的试剂一般具有毒性，会对环境造成二次污染。生物处理法因其符合经济节约型和环境友好型社会的宗旨，成为近年来的发展趋势[2]。

淡水藻类是一种很早以前就在地球上生存的生物，在上亿年的生物进化演变中，淡水藻类的基本功能没有发生改变，其以水、阳光和二氧化碳为初始养分，利用氮、磷等营养物质，通过光合作用来合成自身生长所需要的有机物质，因此，淡水藻类是水体的初级生产者，在有光的情况下对水体中的重金属及有机物有吸收富集的作用[3-4]。细菌是一种没有真正细胞核的原核生物，广泛分布于土壤和水中，与其他生物共生，它们起到将自然界中的各种有机物分解成无机物的作用，又能合成有机物[5]。细菌中一大类好氧菌在自然界的物质循环中的地位无可替代。菌藻的有效结合符合自然生态原则，可以促进有效的N循环，不会引起二次污染，还具有保护环境的积极作用[6-7]。

菌藻共生系统不仅能够吸收空气中的CO2，还能利用藻类和细菌两类生物之间的生理功能协同作用来净化污水的生态系统[8]。微藻和菌类之间的相互关系可提高微藻生物量，促进脂质和糖类等化合物的生产。与微藻共培养的菌体能为微藻生长提供维生素及铁载体等，降低微藻生物量积累的成本。在污水处理中，藻类通过光合作用吸收污水中的氮、磷等营养物质，菌利用植物光合作用产生的O2，降解有机物，菌藻共生系统能高效去除污水中的氮磷营养物质、重金属及抗生素等，因而在污水处理领域日益受到广泛的关注[9]。

因菌藻共生生物膜细菌群落组成对生物修复作用效率具有重要影响。本试验构建了3组生物膜反应器，设置不同的光照强度，对3组菌藻共生生物膜的水质数据及细菌群落进行监测和分析，以期为菌藻关系研究提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验系统构建

生物膜反应器如图1所示，面积0.5 m2（长1 m，宽0.5 m），水层厚度2 cm，由6 mm厚的PVC板制成。生物膜反应器上方30 cm设置5个日光灯（光照强度0～8 000 lx，可调）。对照组、1#试验组及2#试验组光照强度依次设置为0，4 750，7 580 lx，反应器前设置容积100 L的进水池，由水泵驱动进水，流量5 L/h，水力停留时间2 h，每组3个重复。

1.2 反应器接种和硝化功能构建

试验采用人工配水进行反应器硝化功能构建，废水营养盐成分列于表1。

表1 废水营养盐成分

系统启动后，进行微藻和细菌接种。微藻接种液为淡水池塘养殖水，接种量100 mL，细菌接种液为淡水养殖池塘底泥，接种量5 g。每2 d取水样检测水质指标，当氨氮降为0 mg/L后投加NH4Cl，投加之后马上测量理化数据。使用水质多参数分析仪（YSI6920）测定水体理化特征，主要包括水温、pH值、溶氧（DO）、氧化还原电位及叶绿素浓度，在复旦大学先进材料实验室进行菌藻共生生物膜细菌群落电镜观察。

2 结果与分析

2.1 菌藻共生生物膜细菌群落环境因子分析

由图2可知，对照组、1#试验组及2#试验组的平均水温分别为（24.9±0.2），（24.9±0.3），（25±0.2）℃，整个试验过程中基本保持稳定。由图3可知，对照组、1#试验组及2#试验组的平均pH值分别为 6.07±0.99，6.42±0.76，6.70±0.68，其中，对照组及1#试验组随着试验进行，pH值均呈现下降的趋势，2#试验组随着试验进行，pH值呈现先下降后上升的趋势。由图4可知，对照组、1#试验组及2#试验组的平均溶解氧质量浓度分别为（6.15±1.21），（6.8±0.92），（7.14±0.68）mg/L，对照组呈现下降的趋势，1#试验组及2#试验组溶解氧质量浓度基本保持稳定。由图5可知，对照组、1#试验组及2#试验组的平均叶绿素质量浓度分别为（0.71±0.42），（5.25±2.36），（235.12±86.06）μg/L。

2.2 菌藻共生生物膜细菌群落电镜观察

菌藻共生生物膜细菌群落电镜观察显示，在10 μm水平上，1#试验组和2#试验组均观察到藻类细胞，其中，1#试验组藻类形状为正圆形和椭圆形（图6），2#试验组藻类形状为椭圆形和长扁圆形（图7），对照组没有观察到藻类细胞（图8），对照组、1#试验组及2#试验组均观察到细菌，说明有光照的情况下菌藻共生生物膜才能形成。

3 结论与讨论

藻类和细菌是水生态系统和氧化塘系统中两类有密切关系的生物，它们在水体的物质循环和污水净化中都起着非常重要的作用[10]。微藻可对重金属和造成水体富营养化的营养物等进行有效地去除[11]，细菌、真菌等微生物可降解大分子有机物、氨氮等。将两类生物的功能结合起来，就形成了复杂的菌藻共生系统[12]。光照是藻类进行光合作用的必要条件，在一定光强范围内，光合作用速率随光强的增加而增加[13]，这可能是导致对照组菌藻共生生物膜叶绿素质量浓度随着试验的进行越来越低，1#试验组的叶绿素质量浓度比2#试验组低的重要原因；另一方面，藻类和细菌等微生物之间存在复杂的相互关系，它们可能竞争环境中的营养物质而相互抑制，也可能相互利用与促进，甚至可能相互依赖形成复杂的共生系统，微藻利用CO2和废水中的碳酸盐物质，将细菌产生的无机物通过光合作用转化为有机物储存在细胞内，同时释放出氧气，增加水中的溶氧量，营造好氧环境，进而促进好氧细菌和真菌的生长繁殖[14]，所以，菌藻共生生物膜溶解氧质量浓度为对照组低于1#试验组，1#试验组低于2#试验组。

由于CO2的过度消耗和微藻的嗜碱特性[15]，单藻系统的pH通常达到9以上，然而过高的pH会抑制一般微生物的生长且不利于水的再利用[16]，额外添加化学试剂，或者通过曝气、通入CO2等手段调节pH不仅增加经济成本，而且还增加了环境成本[17-18]。菌藻共生系统可以解决这个问题，有效调节系统pH至微碱性，微藻进行光合作用需要利用CO2和废水中的硝酸盐物质[19]，对照组及1#试验组随着试验的进行，pH值均呈现下降的趋势，2#试验组随着试验的进行，pH值呈现先下降后上升的趋势，设置光照强度越大，试验过程中pH值平均值越高，通过电镜观察得出1#试验组及2#试验组有藻类细胞，对照组没有藻类细胞，藻类进行光合作用需要消耗CO2，且对照组、1#试验组及2#试验组平均水温基本持平，都在25℃左右，是藻类进行光合作用的适宜温度[20-21]，所以，1#试验组的平均pH值高于对照组，而2#试验组的平均光照强度高于1#试验组，藻类细胞密度也更高，平均pH值更高。