4种饵料微藻对水产养殖废水的净化效果研究

刘庆辉 余祥勇 叶孝飞 李燚征 张鹤千 李祯

(华南农业大学海洋学院，广东广州 510642)

据联合国粮农组织(FAO)统计，2018年全球渔业产量已达到约1.79亿吨，其中养殖产量占46%，并且以每年7.5%的速度增长[1]，这说明水产养殖已成为提高世界水产品产量最有效的途径之一。在满足人们物质需求的同时，水产养殖业的快速发展也引发一系列的环境污染问题，养殖废水的污染问题成为限制水产养殖业进一步发展的关键因子。在经济和生态的双重要求下，生物处理技术日渐成为废水治理主要的技术手段之一。

微藻属于光能自养型单细胞生物，具有资源量大、光合效率高、适应能力强、生长速度快等特点。在高效去除氮磷、重金属等污染物的同时，还能实现自身生物量增殖，增殖的微藻可进一步用作动物饵料、生物柴油或其他化工原料等[2-3]。因此，利用微藻处理水产养殖废水兼具生态和经济双重效益，具有广泛的应用前景。Ansari等[4]用养殖尼罗罗非鱼的废水作培养基来培养3种微藻，结果显示，养殖废水中的氨态氮去除率为86.45%～98.21%，总氮去除率为75.76%～80.85%，总磷去除率接近100%，COD去除率为42%～69%，证明纤维藻(Ankistrodesmussp.)在生物量和脂类产量方面具有优势。马红芳等[5]研究指出，栅藻(Scenedesmussp.)在养殖废水中能够快速生长，且对氮、磷的去除效果显著，其中总氮去除率为87.4%，总磷去除率为94.5%，氨态氮去除率为95.6%，亚硝态氮去除率为89.4%，硝态氮去除率为85.5%。Guo等[6]研究了亚心型扁藻(Platymonassubcordiformis)在牙鲆(Paralichthysolivaceus)养殖废水中的生长情况及其对氮、磷的吸收能力，结果显示，微藻细胞密度比初始水平增加了8.9倍，废水中总氮的平均去除率为87%～95%，总磷去除率为98%～99%。这些研究均表明，微藻可有效净化水产养殖废水，有助于实现废水的健康排放或者循环利用。但是，关于微藻与水体分离的问题一直未得到有效解决。营养丰富的微藻可作为贝类等水生动物的饵料，常见的饵料微藻主要是硅藻门、绿藻门及金藻门的微藻，例如牟氏角毛藻(Chaetocerosmuelleri)、球等鞭金藻(Isochrysisgalbana)、小球藻(Chlorellavulgaris)等[7]。以饵料藻处理养殖废水，增殖的藻蛋白直接作为水产动物的饵料，可有效解决藻水分离问题，在保护环境的同时降低养殖成本，具有生态、经济双重效益。

本试验选用硅藻门中的牟氏角毛藻、金藻门下的绿色巴夫藻(Pavlovaviridis)、绿藻门下的青岛大扁藻(Platymonashelgolandica)和海水小球藻4种常见的饵料微藻，在实验室条件下探究其在模拟养殖废水中的生长及对氮、磷的去除情况，旨在为用微藻处理养殖废水提供基础数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验藻种

牟氏角毛藻、青岛大扁藻、绿色巴夫藻、海水小球藻均购自上海光语生物科技有限公司。藻种以f/2培养基进行扩大培养，培养条件为：温度25 ℃，湿度75%，光照强度3 000～4 000 lx，光暗比为12∶12，每天至少摇动3次。

1.2 试验用水

试验用水为自配模拟养殖废水，配置方法参照朱鑫[8]和马瑞阳[9]的方法。向纯净水中添加氯化铵、亚硝酸钠作为氮源，添加磷酸二氢钠作为磷源，添加葡萄糖作为碳源，经高压灭菌(121 ℃，20 min)冷却后备用。灭菌后模拟养殖废水的初始氮、磷等水质指标见表1。

表1 模拟养殖废水初始指标Tab.1 Initial indicators of simulated aquaculture wastewater

1.3 试验方法

试验器皿为容积为1 L的锥形瓶，洗净并经高压灭菌(121 ℃，20 min)后冷却备用。将处于指数生长期的4种微藻用无氮磷培养基调整到相同数量级(106cells/mL)，经离心(3 500 r/min，5 min)后分别接种至500 mL模拟废水中。试验共设置4个试验组和1个对照组，每组3个平行。接种微藻后，将其放入光照培养箱(江南仪器厂，ALM-358A)内进行培养，温度为25 ℃，湿度为75%，光照强度为3 000～4 000 lx，光暗比为12∶12，试验持续11 d，每天至少摇动3次锥形瓶。隔天采样进行藻类生物量及水质指标测定。

1.4 指标检测和数据处理方法

水质指标按照《海洋监测规范》[10]规定的方法进行检测。其中，NH4+-N采用次溴酸盐氧化法测定，NO2--N采用萘乙二胺分光光度法测定，PO43--P采用磷钼蓝分光光度法测定。微藻生物量采用光密度法进行测定[11]。溶解氧(DO)和酸碱度(pH)采用衡欣AZ86031多功能水质检测仪进行测定。

微藻相对生长率(SGR，cells·mL-1·d-1)和污染物去除率(F，%)的计算公式如下：

(1)

(2)

式中，N0为初始藻细胞密度(cells·mL-1)，Nt为试验结束时藻细胞密度(cells·mL-1)，t为试验持续时间(d)；M0为空白组污染物浓度(mg/L),Mt为t时间时微藻组污染物浓度(mg/L)。

采用SPSS 23.0软件对数据进行单因素方差分析和多重比较，设P<0.05表示差异显著。数据采用“平均值±标准误”的形式表示，采用EXCEL 2016绘图。

2 结果和分析

2.1 四种饵料微藻在模拟养殖废水中的生长情况

由图1可以看出，4种微藻在模拟养殖废水中均可生长。牟氏角毛藻和绿色巴夫藻于试验开始后的第1天起就进入指数生长期，于第9天进入平稳期；海水小球藻和青岛大扁藻于试验开始后第3天进入指数生长期，前者在试验结束时尚未到达平稳期，后者于第9天进入平稳期。由图2可见，绿色巴夫藻在11 d的试验期内相对生长速率最高，小球藻其次，之后依次是青岛大扁藻和牟氏角毛藻。4种微藻的生长速率不同，可能是因不同藻种对模拟废水中氮、磷营养盐的吸收效果不同所致。

图1 四种饵料微藻的浓度变化情况Fig.1 Changes in cell concentration of different microalgae

图2 四种饵料微藻的平均相对生长率Fig.2 Comparison of average relative growth rates of different microalgae

2.2 不同饵料微藻对模拟废水中pH和DO的影响

微藻属于光能自养型水生植物，其在生长过程中吸收CO2，释放氧气，从而引起水体中pH和DO的变化。从图3和图4可以看出，微藻组的pH和DO显著高于对照组(P<0.01)，可见微藻适应偏碱性的生长环境。各试验组的水体pH自试验开始后逐渐升高，第3天达到峰值，而后趋于平稳，其中牟氏角毛藻组的pH变化最大，达到稳定时的pH最高。各组DO则均在第1天达到峰值，然后下降，于第5天趋于平稳。其中牟氏角毛藻组DO增加最多，其次是绿色巴夫藻，这可能是因为微藻光合作用和呼吸作用强度存在差异所致。

图3 不同微藻组中pH的变化情况Fig.3 Changes of pH in wastewater with different microalgae

图4 不同微藻组中DO的变化情况Fig.4 Changes of DO in wastewater with different microalgae

2.3 不同微藻对模拟废水中氮、磷的去除情况

4种微藻对模拟养殖废水中NH4+-N的去除情况见图5。各微藻组水体中NH4+-N的质量浓度均显著低于对照组(P<0.05)。试验开始后，各微藻组的NH4+-N浓度均明显下降，海水小球藻组在第11天浓度降至最低，其余3个微藻组于第7天降至最低，之后绿色巴夫藻组和牟氏角毛藻组NH4+-N的浓度趋于平稳，而青岛大扁藻组NH4+-N的浓度开始上升。绿色巴夫藻组和青岛大扁藻组在第7天NH4+-N的去除率达到最高，分别为88.35%和81.99%，之后前者趋于平稳，后者则逐渐下降；牟氏角毛藻对NH4+-N的去除率于第9天达到最高(85.62%)；海水小球藻对NH4+-N的去除率从试验开始便一直提高，直到第11天试验结束时达到最高(86.61%)，综合海水小球藻组NH4+-N的浓度变化情况来看，试验结束时NH4+-N的去除率并未到达平稳期，随着试验时间的延长，对NH4+-N的去除率可能会继续提高。

图5 不同微藻对模拟废水中NH4+-N的去除情况Fig.5 Removal of NH4+-N from simulated wastewater with different microalgae注：柱状图表示污染物去除率，折线图表示废水中污染物浓度的变化。下同。Note:the histogram shows the pollutant removal rate,and the line chart shows the change of pollutant concentration in wastewater.The same as below.

不同微藻对模拟废水中NO2--N的去除效果存在差异(见图6)。其中绿色巴夫藻去除效果最佳，该组在第7天去除率达到99.43%，NO2--N质量浓度降低到0.003 mg/L；其次是海水小球藻，该组NO2--N的去除率呈逐渐升高的态势，于第11天达到最高(95.47%)，NO2--N质量浓度下降到0.024 mg/L；青岛大扁藻对NO2--N的去除效果不理想，该组去除率最高仅31.32%；牟氏角毛藻对NO2--N的去除效果最差，去除率仅为2.45%，该组废水中的NO2--N浓度与对照组差异不显著(P>0.05)。

图6 不同微藻对模拟废水中NO2--N的去除情况Fig.6 Removal of NO2--N from simulated wastewater with different microalgae

由图7可见，各微藻组在试验第5天时对PO43--P的去除率均达到最高，其中除了牟氏角毛藻组为87.86%外，其余3种微藻组PO43--P的去除率均在90%以上，海水小球藻对PO43--P的去除率最高(93.29%)，然后依次为青岛大扁藻(92.98%)和绿色巴夫藻(91.79%)。青岛大扁藻去除PO43--P速度最快，试验开始后第1天，该组水体中PO43--P的质量浓度便降低到0.386 mg/L，去除率为82.69%。

图7 不同微藻对模拟废水中PO43--P的去除情况Fig.7 Removal of PO43--P from simulated wastewater with different microalgae

3 讨论

3.1 不同微藻在模拟废水中的生长情况

有研究指出，在养殖生产过程中，饵料中的大部分氮、磷都会以残饵、生物排泄等方式进入养殖水体[12-13]，而氮、磷是微藻生长所必需的营养物质，因此，以废水培养微藻，实现生物能源产出和废水净化耦合逐渐受到人们的关注[3]。微藻的生长受多种因素影响。首先，氮磷比(N/P)对微藻的生长会产生显著影响，如小球藻生长的最佳N/P为8∶1[14]，海链藻(Thalassiosirasp.)生长的最佳N/P为(106～60)∶1[15]，栅藻则为(20～5)∶1[2]，只有在最适宜的N/P下，微藻的生长方可达到最佳状态。此外，光照、温度及pH等也是影响微藻生长的关键因素[16-18]。在本试验条件下，4种微藻均可在模拟废水中正常生长，并快速进入指数生长期。但不同种类的微藻，其生长情况差异明显，其中绿色巴夫藻的生长要优于其他微藻，在11 d的试验期内，其相对生长率达到0.239 cells·mL-1·d-1；而牟氏角毛藻的相对生长率最低，这可能是受试验中模拟废水的初始氮磷比(约12∶1)和pH(7.5)的影响所致。刘盼等[19]在利用小球藻和斜生栅藻(Scenedesmusobliquus)净化模拟养殖水体时发现，小球藻在高质量浓度氨氮和亚硝态氮的条件下扩繁更快，而斜生栅藻则在中低质量浓度氨氮和亚硝态氮的水体中更易生长，这与本试验的结果相似。

3.2 不同微藻对模拟废水中pH和DO的影响

微藻属于光能自养型单细胞生物，以CO2作为碳源，以水体中的无机氮磷为原料合成自身有机物，并释放氧气，其光合作用反应式为[20]：106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+→ C106H263O110N16P+138O2。藻类生长吸收CO2并释放氧气，会引起水体pH和DO升高。本试验中，微藻组pH和DO均显著高于对照组(P<0.05)，可见微藻生长会对水体中的pH和DO产生明显影响。但由于不同微藻的光合作用和呼吸作用强度不同，其pH和DO的变化也存在不同，整体呈现先升高、后降低、最后达到稳定且适合自身生长的状态。牟氏角毛藻的pH和DO均保持较高水平，但其生长率却明显低于其他微藻，可能是由于废水的初始pH和盐度较低，对角毛藻的生长产生了影响。

3.3 不同微藻对模拟废水中氮、磷的影响

无机氮磷是微藻进行光合作用合成有机物的原料，因此，培养微藻能够高效吸收水体中的氮、磷等污染物，进而实现净化水体的目的。但是，不同微藻对水体中不同状态氮、磷的吸收效果存在差异。Przytocka-Jusiak等[21]认为，微藻优先利用水体中的氨态氮和其他还原态的氮，而后才会利用亚硝态氮和硝态氮。在本试验中，4种微藻均能吸收废水中的氮、磷，其中绿色巴夫藻表现最佳，对废水中氮、磷的去除率最高。钟非等[22]采用正交法同样验证了绿色巴夫藻的高效脱氮除磷能力，其在最优条件下对氨氮和可溶性磷的去除率分别达到98.7%和85.5%。牟氏角毛藻对氨态氮和磷的去除效果较好，但是对亚硝态氮的去除率很低，试验期11 d的去除率仅为2.45%。叶志娟等[23]在研究牟氏角毛藻净化海水养殖废水时发现，其对氨氮、亚硝态氮及活性磷的去除率均达到90%以上，氨氮去除率约为100%。之所以出现不同的结果，可能是由于叶志娟的研究所选择的养殖废水，其初始氨氮浓度很低，仅为0.016 mg/L。Przytocka-Jusiak等[21]认为，微藻对硝态氮和亚硝态氮的吸收利用仅仅发生在水中氨态氮浓度很低或耗尽的时候。因此，本试验中牟氏角毛藻对亚硝态氮呈现出不吸收的现象，主要是由于废水中氨氮浓度较高及微藻自身对各态氮、磷的吸收能力存在差异。刘梅等[24]用南美白对虾养殖废水培养微藻时也发现，不同微藻对各态氮、磷的吸收存在差异，如铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)、衣藻(Chlamydomonassp.)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)对总氮的去除效果较好，铜绿微囊藻和衣藻对总磷、硝态氮表现出良好的去除效果，衣藻则对氨态氮的去除率最高，隐藻(Cryptomonasobovata)和蛋白核小球藻对亚硝态氮的去除率达到80%，与本试验结果相一致。微藻细胞主要是通过3种磷酸化途径(氧化磷酸化、光合磷酸化、底物水平磷酸化)吸收磷元素，并将其转化成ATP和磷脂等物质[25]。此外，含磷化合物的表面吸附沉积作用也是微藻去除水体中磷的主要方式[26]。本试验中，4种微藻均能高效去除废水中的磷，最大去除率均在85%以上，尤以海水小球藻对磷的去除效果最佳，最大去除率达到93.29%。赵秀侠等[27]在对比栅藻、小球藻和螺旋藻(Spirulinasp)对氮、磷的吸收能力时也证明小球藻对磷的吸收效果最好。磷是微藻生长不可缺少的营养元素之一，所以，利用微藻吸收养殖废水中的磷元素可降低水体富营养化风险。

综上所述，在利用微藻进行养殖废水的净化处理时，首先要对废水水质以及环境条件进行总体评价，根据不同养殖废水所含营养盐的形态及藻种对营养盐的优先利用原则，针对性地选择藻种或者直接筛选养殖废水中的原位优势藻种，这样才能发挥其作用，达到理想的净化效果。

4 总结

本试验结果表明，4种饵料微藻对养殖废水营养盐污染均可起到净化作用。其中，绿色巴夫藻对废水中NH4+-N和NO2--N的去除效果最佳，最大去除率分别为88.35%和97.43%；海水小球藻对水体中PO43--P的去除率最高，为93.29%。从生长情况来看，绿色巴夫藻平均相对生长率最高，达到0.239 cells·mL-1·d-1；海水小球藻的相对生长率与绿色巴夫藻无显著性差异(P>0.05)。4种微藻中，青岛大扁藻和牟氏角毛藻对亚硝态氮(NO2--N)的吸收能力较差，最终去除率仅为31.32%和2.45%。在本试验条件下，可以认为，绿色巴夫藻为水产养殖废水处理的优势藻。