利用淡水微藻去除水产养殖尾水中氮、磷的研究进展

张宝龙 赵子续 曲 木 赵学倩 黄 建 翟胜利

(天津现代晨辉科技集团有限公司；天津市水族动物功能性饲料企业重点实验室 天津 301800)

水产养殖业的规模由小而散，向大型化、集约化方向发展，满足了人们的物质需求和精神需求，但凸显的环境问题也不容小觑。水产动物摄食后的残饵，排泄的粪便等，以及养殖过程中施用的各类药物残留在水体中并逐渐富集，引起水体总氮、总磷水平升高。例如，池塘养殖1kg鲤鱼，每天要消耗水体溶解氧500L，排出氨300mg，产生含有大量氮肥的污水[1]；又如，池塘生产1t虾，养殖水中就增加0.2t氮和0.05t磷[2]。水体中的氮、磷含量一旦超过其自身承载能力，就会进入富营养化状态[3]。如果养殖废水没有得到及时、有效的处理，就会造成养殖水不断恶化，诱发水产动物爆发性疾病，大幅度降低水产品的质量和产量，还会影响周围水体环境、农田土壤和空气，甚至引发生态系统失衡[4]。因此，养殖尾水的处理，特别是氮、磷的去除是水产养殖至关重要的一个环节，其方式的开发和选择关系到水产养殖的健康和可持续发展。

现阶段，国内外在水产养殖尾水处理技术上已有一定的研究基础和应用[5-9]。其中，物理技术和化学技术各有优势，但均对水体含N、P物质的去除效果不佳。近年来，利用微藻，尤其是淡水微藻来实施水体生物修复，成为养殖尾水处理技术的开发重点之一。

微藻可以通过光合作用获得能量，将水中的氮、磷原子等缔合到碳骨架上，在细胞内形成各种更为复杂的有机物，在有效去除水体营养盐的同时也促进了氮、磷等元素的循环。此外，许多微藻富含多糖、油脂或蛋白质等，可作为动物饲料、肥料或其他化工原料等。因此，利用具有一定经济价值的微藻进行水产养殖尾水处理，可兼收环境和经济利益，其应用前景广泛。目前，处理养殖尾水的微藻种类有小球藻、栅藻、螺旋藻等，主要为淡水微藻。

其应用于尾水处理的形式主要有单一活性微藻、游离态藻—菌共生系统和固定化藻—菌共生技术。

一、淡水微藻

(一)小球藻

小球藻是一类在淡水水域广泛分布的单细胞绿藻。其中，普通小球藻、蛋白核小球藻较为常见。小球藻能够吸收利用水中的N、P及其他营养物质，能够减少养殖水中N、P等物质的含量。陈春云等[10]在模拟工厂对虾养殖尾水中培养小球藻4d后，测得尾水中氨氮去除率可达到80%以上，活性磷去除率可达到85%以上，小球藻4d的增长量是初始量的10倍。这表明小球藻在该水体中生长良好，能够有效吸收尾水中的氮、磷。当氮、磷含量比为8时，小球藻的吸收能力最佳，且最有利于其生长。张桐雨等[11]利用小球藻去除对虾养殖尾水中N、P，发现小球藻对尾水中活性磷的去除率达到95.1%，氨态氮的去除率为87.1%，但小球藻去除尾水中硝态氮、亚硝态氮能力不明显。小球藻也可显著降低草金鱼养殖尾水中总氮、总磷、亚硝酸氮及氨态氮的含量[12]，对氨态氮的作用尤其明显，且这些物质的去除效果与小球藻密度相关。白晓磊[13]在鲟鱼养殖尾水中培养小球藻，发现小球藻能够吸收利用尾水中的氨态氮、亚硝态氮、硝态氮和活性磷等污染物，并且实现藻细胞的增殖。当养殖尾水氨态氮浓度为0.93、2.33、4.22 mg/L时，接种小球藻12、24、48h后，氨态氮去除率均为100%；当养殖尾水硝态氮浓度为10.96、11.38、12.10 mg/L时，接种小球藻8d后，硝态氮去除率均为100%；当养殖尾水活性磷浓度为0.15、0.24、0.41mg/L时，栽培小球藻4、5、8h后，活性磷去除率都为100%。这说明小球藻能够有效去除鲟鱼养殖尾水中的氨态氮和活性磷。王黎颖[14]将小球藻、杜氏盐藻和螺旋藻三种微藻对红鳍东方养殖尾水净化能力进行比较，发现小球藻的尾水净化能力最佳，水体中总氮、总磷、氨氮、亚硝态氮及硝态氮的去除率分别为53%、84%、92%、71%和40%。刘盼等[15]将蛋白核小球藻接种在0.5、1、2、4、8 mg/L 5个浓度的亚硝态氮、氨态氮的培养液中培养14d，发现氨态氮和硝态氮含量为8.0mg/L时，蛋白核小球藻对其去除率最高，分别为82.5%和75.75%；在氨态氮和硝态氮含量较高时，蛋白核小球藻更易增殖。

(二)栅藻

栅藻是淡水中常见的浮游绿藻之一，通常由4～8个细胞组成定型群体，在富营养状态水体中分布较多[16]，对富含氮、磷的污水净化效果显著[17]。马红芳等[18，19]研究了淡水栅藻去除水产养殖尾水中N、P的特性，结果表明，在栅藻培养至稳定期后，其对尾水氨态氮、硝态氮、亚硝态氮及活性磷的去除率分别为95.5%、85.8%、96.3%和98.8%。此后又比较了月牙藻与栅藻对养鱼尾水氮磷去除效果，发现月牙藻与栅藻对尾水总氮的去除率分别为72.5%和85.1%，对总磷的去除率为79.7%和82.6%，但栅藻比月牙藻更容易产生较多的亚硝态氮释放到藻液。杨福利[20]在鲟鱼养殖尾水中培养栅藻，18d后发现，栅藻对氨态氮、硝态氮、活性磷和总无机氮的最大去除率依次为20.8%、40.6%、98.4%和34.5%，并且栅藻密度得到大幅提升。刘盼等[15]将斜生栅藻接种在含有0.5～8.0mg/L的氨态氮与亚硝态氮的培养液中14d，发现在氨态氮含量为4.0mg/L时，斜生栅藻对其去除率最高为86.75%；在亚硝态氮含量为0.5mg/L时，斜生栅藻对其去除率最高为83.75%；在水体氨态氮和硝态氮呈中低浓度时，斜生栅藻最容易增殖。

(三)螺旋藻

螺旋藻是蓝藻的一种，其适应能力强、生长繁殖快、营养价值高，在水产动物饲料领域应用较广[21]。螺旋藻可在氮磷比较低的水体中快速生长，利用水体中含氮、磷等营养物质，还能有效提高水体氮磷比，为养殖水培育绿藻提供有利条件[22]。胡海燕[23]研究发现，在水产养殖尾水氨氮浓度为50mg/L以下，pH为6～11，温度25～40℃时，螺旋藻净化效果最好，并且水体中添加有机质可提高螺旋藻生长速度，螺旋藻最佳接种密度为91×104个/mL。郝聚敏等[24]研究发现，在虾养殖尾水中添加5% Zarrouk培养基可以稳定培养螺旋藻，当pH为8，初始密度A560为0.3，光照强度为2500lx时，螺旋藻对尾水氮、磷均有较好的去除效果，尾水中硝态氮、亚硝态氮、氨态氮及活性磷的去除率分别为41.9%、67.1%、64.5%和43.9%。田立丹[25]利用添加小苏打和硝酸盐的淡水养殖尾水培养螺旋藻，发现水体总氮减少98.88%、氨态氮减少52.63%、未检测到总磷及活性磷。李伟滨等[22]利用螺旋藻净化南美白对虾养殖水，发现螺旋藻可以在养殖水中生长，添加一定量的小苏打可以加快其生长速度，培养11d后，螺旋藻能够明显降低水体中的N、P，养殖水体中总氮去除率达到57.27%，总磷的去除率达到88.76%。

二、游离态—菌共生

随着微藻对水体的净化作用及藻类与微生物在水体中相互作用研究的深入，藻-菌共生系统在水产养殖尾水处理上也有一些应用研究。在藻-菌共生系统中，藻类利用养殖水中的碳、磷、氮及其他营养物质，合成氨基酸和蛋白质等自身细胞组成成分，并释放出氧气；好氧细菌则利用氧气分解、转化水中的污染物质，其产生的营养物质可被藻类生长利用，如此不间断地循环，能够有效地净化养殖尾水[26]。

孟睿等[27]研究发现，月牙藻、四尾栅藻、地衣芽孢杆菌、硝化细菌接种量分别为1.95×106 cfu/mL、1.89×106cfu/mL、2.01×106cfu/mL、2.18×106cfu/mL，体积比为2：2：1：2时，组成的藻-菌体系去除水产养殖尾水氨态氮、亚硝态氮、硝态氮和可溶性磷的去除率分别为89.16%、100%、98.62%、100%。我们通过分析得出，月牙藻、四尾栅藻、地衣芽孢杆菌和硝化细菌分别对氨态氮、亚硝态氮、硝态氮及可溶性磷具有较好的去除效果。周武旋等[28]将饲喂罗非鱼7天后的养殖废水作为试验样本，探讨藻-菌共生体系对水产养殖尾水中N、P的去除效果。结果表明，当藻-菌体积比为月牙藻：四尾栅藻：地衣芽孢杆菌：硝化细菌=2：2：3：1时，试验进行24h后发现，氨态氮的去除率达到98%。当藻-菌体积比为月牙藻：四尾栅藻：地衣芽孢杆菌：硝化细菌=3：2：1：1时，试验进行168h后发现，该体系水体中可溶性磷酸盐去除率可达到100%。这说明藻-菌共生体系能够有效去除养殖尾水中的氮、磷。王高学等[29]研究发现，在藻-菌共生系统中栅藻、小球藻、亚硝化细菌、硝化细菌数量配比关系为2.13：1：2.38：3.73，该系统对池塘老化水体氨态氮和亚硝态氮的去除率分别为97.3%和68.8%，明显高于单藻、单菌。同时，该系统产出的藻类能够成为水产动物的饵料，其含量为1.6×106cfu/mL。

三、固定化藻-菌共生

固定化藻-菌共生是利用微藻与细菌的协同作用，利用物理和化学方法将选定的微藻与细菌按一定比例固定在特定载体中的技术。它是1980年代借鉴游离态藻-菌共生技术和固定化微生物细胞技术发展而来的重要生物工程技术[30]。由于游离态藻-菌共生系统尚存在，如藻类活性和稳定性低、密度小、不容易收集等问题，固定化藻-菌技术通过将游离细胞定位于限定的空间区域，保持了藻类的生物活性并能够反复使用。在固定化藻-菌系统中，微藻和细菌细胞浓度高、流失量小、反应速度快、负载能力强、运行稳定，且微藻易于与水分离。同时，该系统还能提高微藻合成代谢活性，在一定程度上降低了分解代谢活性，并且载体本身也对氮、磷有一定的吸收作用。因此，固定化藻-菌系统相较于游离态，前者对氮、磷的净化效能要显著高于后者[31]。

袁梦冬[32]发现，藻-菌固定化小球可去除甲鱼养殖尾水中氮、磷。当藻-菌固定化体积比为四尾栅藻：蛋白核小球藻：反硝化细菌：枯草芽孢杆菌=3：3：2：3，载体构成成分为4%的海藻酸钠，3%的氯化钙，2%的PVA时，此系统对养殖尾水中亚硝态氮、氨态氮和低浓度总磷去除率均达到100%，对高浓度的总磷去除率超过80%。这表明，该固定化藻-菌共生系统对水体氮、磷类物质去除作用显著，同时与水体原有的藻、菌协同互作，增强了脱氮除磷效果，具有一定实际应用价值。李永华[33]研究发现，当地衣四尾栅藻、月牙藻、芽孢杆菌和硝化细菌接种量比例为2：2：1：2时，采用PVA-硼酸包埋法建立固定化藻-菌体系来净化模拟养鱼尾水水质，其效果要明显优于游离态藻-菌系统。当氮、磷比为12.5，温度为30℃，光照强度为3000lx，光暗周期为16h：8h时，该系统净化模拟养鱼尾水氮、磷效果最佳。邹万生等[34-35]研究表明，固定化藻-菌系统中藻菌混合包埋(A)和藻内菌外的分层包埋(B2)对珍珠蚌养殖尾水氮的去除率显著高于藻外菌内的分层包埋(B1)，A和B1对尾水磷的去除率显著高于B2。光照强度低于6000lx时，B2对氮的去除率显著高于A和B1；光照强度高于6000lx时，A和B2氮的去除率显著高于B1，A和B1对磷的去除率显著高于B2。在20～30℃时，三种不同包埋方式去除氮、磷的效果最佳。当光照强度为4000lx时，CEAMI对水体总氮去除率达到峰值；当光照强度为5000lx时，CEAMI对水体总氮去除率最高。此时，CEMI和CAMI对水体总氮、总磷去除率均达到峰值。这表明影响藻菌固定化去除氮、磷的效果不仅与光照强度、温度相关，还与固定化系统组成结构和成分相关。

四、存在的问题及未来研究目标

目前已有研究表明，淡水微藻在水产养殖尾水氮、磷处理上效果显著，能够起到净化养殖尾水、改善养殖水质、保持水域生态平衡的作用。但是，目前也有一些问题制约其广泛应用，如现有用于水质净化的藻类品种不多、对水体氮、磷去除效果一般；藻-菌固定化载体强度和传质性能不佳，影响系统生物净化效能发挥；收集处理尾水之后藻类的方法单一，且收获少、收获较困难等。应对这些问题，我们今后需要进一步筛选、培育和改良对氮、磷类物质的降解能力更强、经济价值更高的藻类。我们研究固定化藻-菌体系生理、生化特性和净化机制，研发强度、传质性能均优良的复合固定化载体及其保存和活化方法，并批量生产；探究更加经济、有效的方法将微藻与经过净化的养殖尾水分离，回收利用微藻资源，同时使尾水水质达到排放或循环利用的标准。