螺旋藻工业养殖过程中污染防治研究进展

张楠，梅兴国，2，吴诗

（1.湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100；2.军事医学科学院毒物药物研究所，北京 100850）

螺旋藻是蓝绿色的丝状蓝细菌，商业规模化养殖中最常见的微藻[1]。螺旋藻已广泛应用于药品、食品、水产养殖等多个方面，因此螺旋藻的开发和应用引起多地的高度重视[2]。20 世纪80 年代初，螺旋藻等微藻被引入我国，螺旋藻的工业化养殖标志着我国微藻产业的开始。到目前为止，螺旋藻养殖业已成为我国重要的微藻产业之一，为使螺旋藻养殖的产率提高，减少养殖过程中的损失，现对螺旋藻工业养殖过程中的浮游动物和杂藻污染防治可行性手段进行综述。

1 浮游生物

造成污染的浮游生物包括轮虫、红虫、变形虫、水蝇幼虫等[3]。他们的繁殖能力极快，短短几天时间内可食光螺旋藻，破坏性极强，轻则减产，重则绝收。自20 世纪40 年代以来，为了防止螺旋藻生物量的减少，人们使用各种浮游动物控制方法，包括加热、离心和使用化学品[4]。然而，这些方法通常效果不佳，到目前为止，还没有可靠的浮游动物控制方法全面适用于的大规模工业生产。大规模生产中有效控制浮游动物的主要限制因素是涉及的水量大[5]，浮游动物休眠卵和通常对治疗更具抵抗力的幼体的存在，最小化资本和运营成本的必要性等[6]。潜在的大规模工业生产中浮游动物控制方法具有成本效益、选择性，且不会对微藻、水质或有益的浮游动物产生有害影响。这些方法可分为物理法、化学法、生物法。所有的方法都集中在去除成虫阶段的浮游动物，当常规应用于短时间时，也会耗尽池塘中的休眠卵。

1.1 物理控制法

1.1.1 高温 高温可显著降低浮游动物的存活率，并可用于抑制浮游动物在培养池中的数量，非常高的温度（60～100 ℃）可以在短时间内使用，但需要大量的能量[7]，而且还会对螺旋藻群落产生不利影响。中等热处理（35～45 ℃）是可行的，尤其是当有废热（例如发动机、发电机或涡轮机的冷却液）可用时。虽然热处理（35～38 ℃，持续数小时）已用于处理船舶压载水，可以完全去除所有浮游动物，但它也杀死了大量微藻[7]。特定浮游动物的致死温度取决于生物体的生理耐受性、适应能力和温度变化率，通常低于微藻死亡所需的温度。螺旋藻在35～37 ℃有较好的耐热性，温度控制浮游动物的主要限制是需要大量的废热源，因此，培养池需要建造在靠近工厂的地方。

1.1.2 气蚀 当液体受到压力的快速变化，低压下产生的空腔会发生内爆，释放出的能量能够在物理上破坏浮游动物的身体，从而产生气穴现象。空化可以通过辐射声波（声波）和在液体介质中产生水动力湍流而产生。超声方法对生物体的结构和功能有不利影响[8]，并且对大型浮游动物如杜氏锥虫、褶皱臂尾轮虫（臂尾轮虫）和萼花双歧杆菌等的灭活尤其有效，对微藻几乎没有影响[9]。通过迫使液体通过一个26 mm 的带有孔板（75%开度）的管道实现气蚀，单次通过后杀死80%大于50 μm 的浮游动物，两次通过后杀死95%，能耗为0.31 kW/m3；使用直径为21.5 mm 的穿孔板并以不同的配置（孔的数量、大小、形状和配置）操作的设备在一次通过后杀死28%～81%的浮游动物和6%～46%的微藻[10]。

1.1.3 固体剪应力 大型浮游动物可通过使用压条机施加恒定、温和的机械应力而被杀死。球磨机的细胞破坏力是基于高剪切应力的磨削，通常用于大规模加工。这种工业珠磨机由圆柱形室和中心轴组成，具有不同形状的搅拌元件。搅拌器将动能传递给填充到室内的玻璃/钢珠。在珠子的接触区，细胞的破坏是由于从珠子到细胞的剪切和能量转移导致细胞壁的破坏而发生的[11-12]。藻类悬浮液在缓慢旋转的装置中缓慢流动，小球之间产生的摩擦力会杀死浮游动物。不同的小球大小和旋转速度可以用来选择性地杀死特定的浮游动物物种[4]。剪切应力可以通过一个连接到阀门或弯管的廉价水泵来实现。该方案对微藻的影响较小，需要更简单的设备，并将大幅降低资本成本和能源使用，这种压条机结构相对简单，操作简单，对螺旋藻没有危害。

1.1.4 过滤法 目前防治轮虫污染使用率最高的物理方法是过滤法。这个方法根据微藻和轮虫体积大小的不同进行分离。螺旋藻的体积较小，细胞直径一般3～30 μm。轮虫的体积比螺旋藻的体积要大很多，如褶皱臂尾轮虫是一种微小的多细胞动物，在海水中培养微藻最为常见[13]。使用尼龙网过滤法可以筛选掉体积较大的浮游动物[4]。用于压载水处理的100 μm 和50 μm 自动反冲洗滤网过滤器，分别去除79%和89%的浮游动物[14]。筛孔尺寸为60 μm 的转鼓过滤器已用于过滤较小的浮游动物物种。采用简易压载水处理系统，产生高浓度的氢氧根，并随后溶解在高盐度海水（HS）和低盐度海水（LS）的不同盐度的压载水中，以消除浮游生物。在总残留氧化剂（TRO）质量浓度为0.41 mg/L 和0.93 mg/L 时，杀灭浮游动物的最大浓度分别为0.5×103细胞/mL 和1×104细胞/mL。此外，氢氧根有效地分解了大部分有机物[15]。在大规模养殖中，使用大网格过滤器控制枝角类动物可以使用一个被动系统来实现，该系统依赖于桨轮产生的流量（无需泵送），从而降低成本。

1.2 化学控制法

1.2.1 酸碱度 改变培养池的pH 值可以有效地控制浮游生物。螺旋藻的最佳生长pH 位为3～11。通过调节微藻培养液的pH 位，杀灭或控制浮游动物。枝角类动物可以耐受较宽的pH 值范围，但当pH值＞10.5 时，其死亡率急剧上升[16]。一些轮虫，包括臂尾轮虫，能够耐受的pH 值甚至大于10[17－18]。应小心控制pH 值，因为过高的pH 值可能对微藻有害，并诱导微藻自动絮凝，在培养池底部沉淀。

1.2.2 化学药剂 化学药剂对防治轮虫等浮游动物也具有很显著的作用，化学药剂对轮虫等浮游动物会有强烈的毒性，可致死，从而减少浮游动物对螺旋藻的破坏。但在螺旋藻的生长、光合作用中，化学药剂会使其产生抑制或毒性[13]。Temephos 是一种有机磷杀虫剂，质量浓度为58.6 μg/L 时可杀死轮虫，Temephos 半衰期在pH 值为7 时为28.7 d，可迅速吸附悬浮颗粒和沉积物，对微藻无害，处理后微藻的半衰期始终增加[19]。西维因是一种氨基甲酸酯与有机磷杀虫剂一起作用的乙酰胆碱酯酶抑制剂[20]，质量浓度为1 mg/L，置于小型、浅层、富营养化池塘的围隔中，可杀死所有枝角类、轮虫和潮婆鱼幼虫，处理时对微藻没有表现出明显的有害影响，枝角类的快速恢复可能也与化学物质的快速消散有关。硫酸奎宁是一种抗原生动物的化学物质，在室外培养盐藻时被用来控制捕食性纤毛虫，对藻类本身的损害很小，灭活纤毛虫所需的剂量预计与灭活轮虫所需的剂量相似[21]。使用化学物质灭活大规模工业生产中的浮游动物是一个简单而有效的选择。然而，几种化学品的应用仍需在公顷级规模中进行测试。氯氰菊酯、氯菊酯和西维因用量少，失活时间快。硫酸奎宁对微藻的影响很小，因此很有前途，但是硫酸奎宁需要对轮虫进行测试。需要更多关于废水和沉积物中持久性的信息，并且应根据具体化学品的成本、可用性和废水排放限值进行选择。

1.2.3 O2和CO2浮游动物是有氧生物，利用金属蛋白、血红蛋白或类似的更小的多域分子来运输氧气。因此，理论上可以通过去除水中的所有O2或通过抑制血红蛋白的O2结合能力来控制。然而，浮游动物能够忍受非常低的溶解氧条件。保持慢性ρ（CO2）在60～100 mg/L 之间的方法可减少微壳类动物的数量，通过使用慢性CO2质量浓度为100 mg/L 的减少轮虫种群，并在4 d 内保持180 mg/L的CO2质量浓度以根除轮虫种群。温和的水动力应力降低了较大轮虫物种的密度[22]。

1.3 生物控制

对轮虫的防治采取生物控制可以使用病原体，目前控制螺旋藻培养中生物污染的可行方案中最好的。选择这种方案是因为病原体对于浮游动物具有特异性作用，而对于螺旋藻几乎没有什么影响[13]。

2 杂藻

在螺旋藻养殖过程中，环境温度低于20 ℃或遇阴雨天，缺乏光照，螺旋藻成长较为迟缓，当发现培养池中的培养液由蓝变黄时，就应考虑有其他的杂藻存在了[23]。研究表明主要的杂藻包括椭圆小球藻、假点颇藻、常绿针丝藻等。常绿针丝藻耐低温特性比螺旋藻要强，且温度适应范围和pH 值适应范围都比较宽，所以在低温季节最易爆发的杂藻是常绿针丝藻。椭圆小球藻对温度、pH 值的适应性与螺旋藻都比较接近。假点颇藻的耐低温特性比螺旋藻要差，要在高温条件下才会发生污染， 所以其发生污染的机率较小[24]。

2.1 用薄膜覆盖培养池

大部分室外池塘式养殖螺旋藻多半都是用透明薄膜覆盖，以防止外界杂藻的污染和昆虫的污染。螺旋藻只有在25～32 ℃的温度下才会长势良好，所以长时间使用透明薄膜覆盖会提高培养池的温度，尤其是在外界温度较高时，培养池内温度升高后，螺旋藻生长也会受到抑制[25]，所以这个方法不可以作为最优的选择，因为在抑制杂藻的同时也抑制了螺旋藻的生长。

2.2 加大化学试剂的用量

使用化学试剂碳酸氢钠时会抑制小球藻的生长，却不会破坏螺旋藻的生长[26]。所以可以将碳酸氢钠用于螺旋藻的大规模养殖。

3 结语

该文综述了在螺旋藻大规模养殖中浮游动物控制的许多潜在选择，还需要进一步的研究来证明它们的有效性。总之，螺旋藻在大规模生产过程中受到污染是不可避免的，主要以预防为主，在源头上解决污染是最有效的方法。工作人员需要每天做好检查工作，做好pH 计、温度传感器、光量子传感器、生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）传感器、氮和磷传感器、显微镜镜检、光密度监测等系列工作，建立完备的档案资料，做到早发现早治疗，减少损失，提高品质。