微藻修复稻田污染的研究进展

姚丹丹，梁英辉，穆 丹，李青楠

(佳木斯大学生命科学学院，黑龙江 佳木斯 154007)

微藻(Microalgae)是指一类富含叶绿素a并且能够进行光合作用的微生物的总称。微藻在陆地湖泊、海洋及其它水域中广泛分布，个体微小，只能在显微镜下分辨其形态。据统计，世界上有100万种藻类，而已知的微藻有40000余种。目前，使用生物技术大量种植或生产的微藻分属于蓝藻门、绿藻门、金藻门和红藻门四个门，其中普通小球藻(Chlorellavulgaris)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、亚心形四爿藻(Tetraselmissubcordiformis)、固氮蓝藻(Nitrogen-fixingcyanobacteria)、鱼腥藻(Anabeanasp.)、拟柱胞藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、梅尼小环藻(Cyclotellameneghiniana)、斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)等已有应用[1-5]。微藻具有含油量高、易于培养、生长周期短、生长速度快、生长空间广阔的优点。此外，该藻类还可以用于重金属的生物吸附、污水处理和环境评估等领域。早在上世纪40年代，微藻规模养殖的研究开始在美国、日本、德国和以色列等国开展[6-7]。近年来，微藻异养化高细胞密度培养技术的研究证实，微藻既可以进行光能自养，也可以进行细胞异养培养[8]。微藻可以吸收稻田污水中的重金属、无机盐，且可降解农药、酚类、烷类等有机物[9-11]。同时，微藻作为一种模式生物，其光合作用机制、跨膜转运机制研究，常应用于污水处理、饵料加工及动物饲料添加剂的生产中[12]。

由于藻类是微生物主要类群之一，在其生命过程中，对于转化和改善稻田肥力、稻田养分具有直接或间接的影响。前人的相关研究[13-14]主要集中在微藻的固氮作用和对稻田氮损失的影响等方面，而微藻对施入稻田的化肥在稻田中的转化、迁移、固定、损失等过程的影响程度与作用机理及其相关的影响因素仍未进行系统深入地研究。近年来在稻田生产中，含氮、磷肥料的大量施用、工业废水的集中排放，导致稻田中的种苗生长受到抑制、进而造成水稻质量下降[15]。本文在总结稻田利用微藻净化水质研究的基础上，总结了微藻净化和修复的效果报道，以期为提高稻田产量、土壤营养利用率、改善农药、化肥引起的环境污染问题提供科学依据。

1 微藻对于稻田中氮、磷等营养成分的利用

稻田水中富含氮、磷等营养元素，为水稻生长提供必需条件，同时也促进了稻田中微藻的生长。微藻的生长不但可促进稻田养分的生物转化与循环，最重要的是微藻能吸收固持氮、磷，有利于稻田中土壤肥力的提高，避免流失到水环境中造成环境危害[16]。总之，微藻生长对水环境是灾害，而对稻田则有其有利的一面。故相关学者利用微藻处理稻田污水，力图将稻田污水处理与微藻资源利用充分结合起来。

1.1 微藻具有固氮、固磷作用

微藻可通过有机氮化合物和无机氮化合物的光合作用，在其细胞中合成氨基酸和蛋白质。康金花等[17]通过野外调查和室内实验证明，固氮蓝细菌可以利用空气中的分子氮来合成氮化合物，并不断丰富土壤中的氮化合物。Magorzata等[18]研究显示，生长小球藻的废水中，总氮和总磷含量分别下降了88%和99%。杨文鑫[19]通过固定氮的浓度调节氮磷比值，试验结果表明小球藻的生长与氮磷比呈现负相关，氮磷比为32:1条件下对小球藻生长的影响较显著。曹煜成等[20]得出蛋白核小球藻数量与氮磷的消耗呈正相关。Marzieh等[21]研究表明即使废水中的CO2水平高达24%的情况下，小球藻也可适应并生长良好，同时可以吸收70.00%～95.00%的氮和磷。吕福荣等[22]的研究表明，小球藻对于氮、磷的吸收效率，因氮、磷组合浓度的不同而存在差异，在一定浓度范围内可以有效地吸收磷元素，温度升高或照明增强有利于磷和氮的去除。

微藻对氮、磷的吸收随着时间的推移而逐渐增加。梁慧元等[23]研究表明在72 h内，固定化污泥/固定化小球藻初始比率(R=1/3)的共培养系统对氮、磷去除效率较高。姜红鹰[24]在一系列模拟试验中表明小球藻对废水中氮、磷的去除效果明显，在模拟废水中经过3～6 d，小球藻对氨的去除率可达80%。由于微藻对氨氮的吸收不涉及氧化还原反应，所需要的能量较少，但对于硝氮和亚硝氮的吸收则需通过硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶转化成氨氮再被吸收，故在这3种无机氮都存在的情况下，微藻优先利用氨氮[25]。

1.2 微藻能够提高氮、磷利用的有效性

微藻在光照充足、营养源丰富的条件下，通过光合作用吸收磷酸盐并将其转化成磷脂、ATP等有机磷化合物，也可以通过吸收降解、生物富集等方式，提高污水中各种氮、磷营养物的有效性。

孔欣等[26]通过室内试验得出小球藻生长既受氮磷营养盐浓度水平影响，又受到氮磷比值影响。Fu等[27]研究确定磷对小球藻具有激发作用，在氮限制条件下，略微过量的磷(≤ 45 mg/L)可刺激小球藻的细胞生长，且生物量增加10.2%。王晓昌等[28]研究表明在一定的氮、磷浓度范围(NO3--N: 1～8 mg/L；PO43--P: 0.2～1.0 mg/L)内，小球藻生物量受初始磷浓度的影响较大，磷浓度为0.4 mg/L时小球藻生长最好；小球藻叶绿体中PSⅡ反应中心的最大光合作用效率(Fv/Fm)值可综合表征小球藻的生长指标、氮和磷的吸收利用率以及营养盐胁迫下小球藻的生长，在固定磷浓度条件下，提高氮浓度，Fv/Fm均值也会随之增加，发生磷胁迫的Fv/Fm阈值为0.18～0.24。Wang等[29]研究发现污水中主要的营养物质如磷、氮等影响小球藻超负荷吸收铬和硒的能力，试验通过测定金属富集系数来评价小球藻对金属的吸收能力。结果表明，当加入一定浓度的磷时，小球藻吸收金属的能力下降。Tnia等[30]研究显示小球藻能够去除浓缩厕所废水(即黑水)中存在的无机氮和磷，其中氮与磷的比例为15～26；小球藻对于氮、磷的去除效率，因为废水中的氮磷比不同而存在差异，导致磷的去除效率加快的同时，氮的去除效率相对降低。

2 微藻对重金属的吸收与富集

在工业化和城市化进程中，乡镇企业发展加快，导致印染、造纸等污染行业排放废水以及大量施入的化肥导致稻田污染严重。其中，重金属污染导致水稻中的重金属残留物影响稻米质量，间接危害人类健康[31]。沈德中等[32]研究了Cu、Ni、Pb、Zn等四种重金属对稻田内藻类的综合影响，发现土壤—藻类系统中不同重金属浓度的临界值如下：Cu2+为50 mg/kg、Ni2+为50 mg/kg、Pb2+为150 mg/kg、Zn2+为300 mg/kg。班龙科等[33]应用时间依赖微板毒性分析法研究发现，5种重金属(铜、锰、镉、锌、铅)对小球藻的毒性随时间逐渐增大，具有明显的时间依赖性。

微藻产生的胞外聚合物可与重金属离子发生络合，通过有效控制微藻生长过程和环境中各种重金属离子的浓度来抑制和预防重金属污染[34]。王树磊等[35]研究表明，蛋白核小球藻的抑制率与重金属的浓度存在明显的量效关系；与叶绿素含量、吸光度变化相比，Fv/Fm对重金属胁迫的响应最为稳定和敏感；从EC50值的比较来看，Cd2+对原球藻的毒性最高，其次是Cr6+和Pb2+，而Mn2+毒性最小。刘忠晓[36]以不同接触时间对小球藻吸附重金属镉进行试验，结果表明Cd2+在100 mg/L浓度下，小球藻对Cd2+的吸附效率为86.6%。Rollemberg等[37]研究了小球藻吸附镉离子的机理，结果表明污水中氢离子浓度与碱金属阳离子之间的竞争影响普通小球藻对于镉离子的吸附作用。

马骏驰[38]研究显示活体亚心形四爿藻对受污染海水中Pb2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+等4种重金属均具有良好吸附效果。耿红等[39]研究表明，低浓度(0 ～0.50 mg/L)的Hg2+和Cd2+由于毒性兴奋效应能刺激普通小球藻细胞密度的增长，促进叶绿素含量增加和蛋白质合成。聂利华等[40]发现，拟柱胞藻能够快速有效地吸附重金属，降低重金属(尤其是Pb2+、Hg2+、Ag+、Cu2+)引起的水环境污染，从而达到改善水质的功效。周书奎等[41]以小球藻作为废水重金属生物吸附剂的试验表明，随着Pb2+浓度的增加，小球藻对废水中Pb2+的吸附效率呈下降趋势。Chong等[42]研究了普通小球藻和四尾栅藻等11种藻类处理综合污水中的镍和锌的规律性。经过小球藻处理90 min后，镍的浓度从30 mg/L下降到10 mg/L，这是由于污水pH值会随微藻光合作用升高，进而在碱性条件下导致部分重金属离子以微沉淀的形式析出[43]。孙东红等[44]利用原子吸收分光光度法，研究鱼腥藻对电镀污染水体中Zn2+的修复效果的结果显示，鱼腥藻浓度为629.2 mg/L时，水中的Zn2+浓度由3.296 mg/L降至0.748 mg/L，单位吸附量达4.859 mg/g。陈家武等[45]将梅尼小环藻固定化处理后，对含Cd2+的废水进行吸附研究，在pH值为7.0时，梅尼小环藻对Cd2+的吸附量为4.78 mg/L，去除率可达96.25%。陈家武等[46]还采用稻田污染模拟试验，得出有藻田的稻谷Cd残留比无藻田的降低76.47%。由此可见，微藻对稻田中重金属的吸附可发挥良好的效果。

3 微藻能有效降解有机化合物和无机化合物

藻类、腐殖质和金属离子可以在光条件下通过一系列复杂的光化学过程相互作用而形成复合物，降解水中的有机污染物。污水中的有机化合物可以作为微藻生长的碳源。研究发现[47]，大部分微藻可以进行混合培养，即能通过光合作用利用空气培养液中游离的CO2分子作为碳源，并利用光能合成自身的复杂有机物。因此，藻类可以有效的降解污水中的有机化合物，如碳氢化合物、淀粉、麦芽糖、农药、烷烃以及其它金属有机化合物等生物难降解的有机物[48]。

Hu等[49]研究表明，固定化小球藻在废水处理过程中具有去除营养的巨大潜力，基于琼脂固定的小球藻，可以有效地从分批和连续培养物中去除NH4+-N和PO43--P，去除效率最高为96%～99%。固定在琼脂上的微藻即使被回收八次，仍然能够去除94%的NH4+-N和66%的PO43--P。吴敏等[50]研究发现，将微囊藻毒素降解细菌和椭圆小球藻共同固定化后，MC-LR的降解效果好于单独固定化细菌。Bordel等[51]分析了封闭光生物反应器中小球藻和革兰氏阴性菌生物降解污染物的机理，更好地了解微藻、细菌、光和污染物浓度之间的复杂关系，将促进藻细菌工艺的发展，可将其作为废水回收和从废水中生产藻类的经济有效替代方案。Magorzata等[18]研究显示，利用小球藻处理废水，使废水中N-NO3的含量减少88.6%，N-NO2的含量减少74.3%，溶解的正磷酸盐减少99%。孙红文等[52]利用普通小球藻、蛋白核小球藻和斜生栅藻处理偶氮染料污水的试验表明，蛋白核小球藻生长最好，脱色率最高。在10种单偶氮染料中，酸性红B的脱色率高达89.8%。

4 研究展望

微藻对于稻田水质的净化机理如下：对于稻田水中的氮、磷营养成分，主要依赖于藻类进行水体中氨氮的同化吸收，通过磷酸盐化学沉淀与水中的阳离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)结合，经沉淀去除水体中的磷；在重金属净化机制方面，微藻可以利用自身的化学成分和结构特征，快速吸附已经溶解于水中的金属离子，然后运用固液两相法达到分离和去除污水中的金属离子的目的[53]；微藻还可以利用光化学反应，降解水中的有机污染物及其它无机化合物，从而净化稻田水质。

综上所述，利用微藻吸收和降解稻田中的氮、磷营养素、吸收与富集重金属、与无机盐结合降解多种有机物来修复稻田污染符合生态学原理。尽管近年来有关微藻处理污水的研究越来越多，但大多数研究集中于评估微藻不同物种的形态变化和抗逆生理生化特性上，未来应加强微藻抗逆机制及分子生物学等方面的深入研究，为后续微藻修复稻田污染的应用推广提供参考依据。