三种不同小球藻去除亚硝态氮和氨氮能力的研究

2021-03-01赵文豪田启文李相前

工业微生物 2021年1期

赵文豪，田启文，唐维，吴晶，杨帆，刘培,2，贺帅,2*，李相前,2*

1.淮阴工学院生命科学与食品工程学院，江苏淮安 223003；2.江苏省益生制剂重点建设实验室，江苏淮安 223003

水体氮和磷的污染、重金属污染以及由此造成的水体富营养化问题已成为许多国家以及科学家共同关注的问题[1]。早在1957年，就有学者提出利用藻类培养作为深度生物处理污水的方法，以去除N、P等的营养物质[2]。随着我国社会经济的发展和工业化水平的提高，污水排放量日益增长，污染物成分愈发复杂，污水排放标准更加严格，水污染成为环境治理的难题。目前污水处理方法包括化学法、物理法、活性污泥法和微藻法等[3]。微藻处理法的原理是基于藻类是自养生物，生长过程对污水中有机质要求低，以光作为能源，将氮、磷等营养物质合成复杂的小分子化合物，从而使污水得到净化[4]。

近年来，水产养殖业的迅猛发展，满足了人们对水产品日益增长的需求[5]。但集约化的养殖过程对水环境造成严重的污染，并且高密度养殖期间氨氮、亚硝态氮含量的超标，引起水产养殖动物免疫力下降，导致疾病的爆发[6,7]。同时养殖污水的肆意排放更是对附近生态平衡造成严重的危害，由此衍生的水产养殖污染问题日益显著[8,9]。因此，有效降低养殖水体中有害物质含量、改善养殖环境、防治养殖疾病备受科研界关注[10,11]。微藻是一类广泛存在于海洋和陆地上的、低等的、可利用光合作用的藻类微生物总称[12]。单细胞微藻能够以光照为能源，利用水中氮、磷等营养物质进行光合作用，合成自身生长所需有机物质[13-15]。使用微藻处理养殖污水不仅安全、环保，而且微藻可以作为鱼虾的理想饵料。因此微藻生物防治的特性成为目前研究热点[16,17]。在本实验研究中，根据三株小球藻在不同浓度的氨氮和亚硝态氮为唯一氮源的模拟污水中的生长情况，探究其对氨氮和亚硝态氮的去除能力。研究结果对于小球藻处理污水、净化水资源具有一定现实意义。

1 材料与方法

1.1 藻种来源

本实验所有小球藻CV315-1(Chlorellasp.)、小球藻CV315-2(Chlorellasorokiniana)和小球藻CV315-3(Chlorellapyrenoidosa)均选自于淮阴工学院益生制剂重点实验室菌种库。

1.2 培养基成分

实验采用的是改良后BG11培养基，培养基pH值为7.1，且培养基、微量元素母液均由去离子水配制。培养基及微量元素母液配方如表1和表2所示。试剂纯度均为分析纯(AR)，下述所有实验试剂全部购自上海生工生物有限公司。

表1 BG11培养基主要成分

表2 微量元素母液配方

1.3 仪器设备

SW-CJ-2D双人单面净化台(江苏通净净化设备有限公司)、T-6紫外可见分光光度计(南京菲勒仪器有限公司)、G180T全自动立式高压灭菌器(河北信腾生物科技有限公司)、5424R高速冷冻离心机(Eppendorf)、GRH-400光照培养箱(浙江托普云农科技有限公司)。

1.4 藻种制备

将多次划线纯化后的微藻接入已灭菌的BG11液体培养基中，于温度26 ℃，光照强度8 000 Lux，光暗比为12 h∶12 h的光照培养箱中培养3～4 d，达到对数生长期后，再转到另一瓶灭菌的BG11液体培养基中，培养至对数生长期，如此反复转接培养3次，使3株微藻均处于对数生长期。在无菌操作台上取对数生长期的藻液，于温度4 ℃，转速4 000r/min的超低温离心机中离心10 min，弃掉上清液，用改良液体BG11反复洗涤3次，消除原培养基中氮元素的影响。

1.5 实验设计

2 结果与分析

2.1 三种藻对氨氮去除特性比较

图1 模拟污水中CV315-1对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

图2 模拟污水中CV315-2对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

图3 模拟污水中CV315-3对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

2.2 三种藻对亚硝态氮去除特性比较

图4 模拟污水中CV315-1对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

图5 模拟污水中CV315-2对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

图6 模拟污水中CV315-3对不同浓度的去除率(R)及藻液浓度(OD680)变化

3 讨论

亚硝态氮对养殖生物具有很大的毒性，高浓度的亚硝态氮能够直接抑制菌体的生长，致使水产动物疾病甚至死亡[18]。KUMAR P K等[19]研究微藻对工业污水的生物修复作用，发现微藻能够利用污水中营养物质，在2 d的批量生产模式下去除污水中60%的亚硝酸盐与30%的氮。ZHENG H L等[20]研究在无粪猪废水中培养小球藻，发现废水中C∶N为25∶1时小球藻生长效果最佳，并且氨氮的去除率达到100%。正因小球藻这种独特的代谢途径，因而备受养殖户青睐。

在本实验研究中，CV315-1和CV315-2能够在168 h内完全去除6 mg/L的氨氮，而CV315-3在144 h时，氨氮浓度为6 mg/L的去除率达到100%，并且整个实验过程藻液生长良好，结果表明，三种不同的小球藻中，CV315-3具有更好的氨氮去除能力。CV315-1能够在48 h内完全去除2 mg/L的亚硝态氮，并且在120 h时，10 mg/L组亚硝态氮的去除率达到100%，而CV315-2和CV315-3在144 h时完全去除8 mg/L、10 mg/L的亚硝态氮，结果表明，三种不同的小球藻中，CV315-1具有更好的亚硝态氮去除能力。

刘盼等[21]研究蛋白核小球藻和斜生栅藻在14 d内对水体中氨氮和亚硝态氮去除效果，发现蛋白核小球藻对8 mg/L的氨氮和亚硝氮的去除率最高，分别为82.5%和75.75%，斜生栅藻对4 mg/L的氨氮和0.5 mg/L的亚硝态氮的去除率最高，分别为86.75%和83.75%。

本研究表明，小球藻能够有效的减低水体中氨氮和亚硝氮的含量。与已有的研究报道对比，本研究中所用小球藻CV315-3(Chlorellapyrenoidosa)对于氨氮的去除能力远大于刘盼等[21]实验中的斜生栅藻对于氨氮的去除能力。在对于小球藻对亚硝态氮去除能力研究中，本实验中所用小球藻CV315-1(Chlorellasp.)对于亚硝态氮的去除能力明显优于刘盼等[21]实验中的蛋白核小球藻、斜生栅藻对于亚硝态氮的去除能力。