比较两种不同藻类处理稻田水的效果差异

杨泽琨 张佺兴 杨雪凌 杨 虹

（广东省实验中学 广东 广州 510375）

0 前言

藻类是一类生活于水体中的微小植物，能够在生长过程中吸收水体中的营养盐。藻类是低等生物，具有以下特征：个体差异大，绝大多数是自养原殖体，无不育细胞存在。这些特征决定它在污水净化方面具有以下功能：首先，藻类与好氧细菌形成藻菌共生系统，促进对污水中有机物的氧化分解。其次，藻类吸收污水中的氯、磷，合成自身需要的有机物，显著降低污水中氨磷的限度。再者，藻类的富集作用可用于清除污水中有毒重金属离子和放射性元素，或回收贵重金属离子和微量元素。此外，藻类本身也可以作为肥料，饵料甚至食品或保健品加以利用，成本低廉且具有较高的经济价值。

过度施肥是导致农业污染的最重要原因之一，这也往往导致农业废水中的氮、磷等营养元素含量过高，并随着它们的排放进而污染自然水域，从而引起水体潜在的富营养化风险。在我国南方稻田随处可见，而且稻田水往往与自然水体相通，因此氮、磷含量较高的稻田水排进自然水体也是造成水域污染和引起富营养化的一个重要原因。

螺旋藻隶属蓝藻门，蓝藻纲，藻殖段目，颤藻科，螺旋藻属。有关螺旋藻的培养技术、应用价值及商品化生产等问题国内外已进行大量研究，而直接利用生活污水培养，在国内外尚少见报道生活污水不仅能培养营养价值较高的螺旋藻，且可利用该藻有效地去除污水中的氮，磷和有机质，加上该藻藻丝大（300-500um），生长旺盛时成片上浮，易于采收，该藻又具广盐性，在淡水、海水中均可生长等优点，可为防止污水排放而造成的富营养化超控制作用，当然还需要在室外进行现场验证，并适当进行半人工生态调控。但用它们在稻田水中的生态作用还不够明确，这方面的实验也较少。

小球藻属于绿藻门、绿藻纲、小球藻属。目前世界上已知的小球藻有十几种，加上它的变种可达数百种之多。由于小球藻生态分布广，易于培养，生长速度快，是进行生物技术研究的良好材料。小球藻也是水体中的初级生产者，营养价值较高，可作为鱼类等水生动物的饵料，在污染物沿食物链传递的过程中起着重要作用。曾有研究肯定了藻类对污水中氮、磷等营养物的去除作用和效果。小球藻(ChloreaUa sorokiniana)除具备上述除氮磷能力外，还具备去除多种重金属离子的能力。

因此本实验选用了比较有代表性的常见丝状蓝藻——钝顶螺旋藻和绿藻——小球藻作为试验藻种。

1 材料与方法

1.1 稻田水

实验所用稻田水采自陆丰地区一块稻田表层。先在121度下灭菌煮沸30分钟，使得较可能多的营养盐得以溶解。冷却后用普通定性滤纸过滤，除去明显不能溶解的杂质，供后续试验使用。

1.2 藻种及培养

本试验选取两种具有代表性的常见藻——钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）和小球藻（Chlorella vulgaris），藻种来源于中科院武汉水生生物研究所藻种室，试验在暨南大学水生所413实验室进行，得到了相关老师的指导和帮助

试验正式开始前，先在恒温光合培养箱中对藻种进行了扩大培养。试验设置了六组四种处理，第一组：50mL螺旋藻藻液接种于盛有950mL自来水的大三角瓶中作为空白对照；第二组：50mL小球藻藻液接种于盛有950mL自来水的大三角瓶中，也作为空白对照；第三、四组：50mL螺旋藻藻液接种于盛有950mL处理后的稻田水的大三角瓶中；第五、六组50mL小球藻藻液接种于盛有950mL处理后的稻田水的大三角瓶中。六组大三角瓶均放在室内窗口处进行连续培养15天，并用简易气泵向瓶内表层持续通气，使得水体有一定晃动，瓶口再用棉塞封堵，防止试验期间水分的过度蒸发。

1.3 测试方法

在接种后的第0、3、6、9、12、15天，将瓶能藻液摇匀后，每次用45um的滤膜抽滤100mL的藻液，过滤液用来测量正磷和硝氮的含量，滤膜收集在黑色封口袋中于冰箱中保存备用。正磷和硝氮的测量方法分别采用国标钼酸比色法和盐酸比色法。叶绿素在反复冻融后溶于丙酮，7000r/min下离心15min后进行比色测量，最后计算叶绿素的含量。同时吸取0.1mL的各组藻液，在普通光学显微镜40*10倍下于0.1mL浮游植物计数框内进行，技术三次后求平均值，得到藻细胞的密度数量（个/mL）。

2 结果与讨论

本试验通过在实验室条件下用过滤再经高温处理后的稻田水（采自粤东沿海稻田）中进行培养，以自来水作为空白对照，同时予以通气，模拟自然水体的不稳定状态，接种后连续培养15天，每隔三天取样一次（共六次），测定水体中藻细胞数目、叶绿素含量、溶解态氮、磷的含量。然后进行数据整理和处理，做出两种藻在相通处理下的生长曲线、氮、磷的含量变化以及叶绿素含量的变化曲线。

2.1 藻细胞密度数量随培养时间的变化

从图1藻细胞密度数量随培养时间的变化来看，前3天各个处理组中，除了培养于自来水中的螺旋藻细胞数目下降外，其他都上升，且均为培养瓶中的优势种，没有明显的其他藻类的出现，但小球藻的数目增加得更快，。推测可能是由于钝顶螺旋藻在该条件下的适应力不如小球藻，加上自来水中营养偏低，因而在低浓度营养状况的自来水中螺旋藻细胞数目最先下降。

图1 藻细胞密度数量随培养时间的变化

3-9天内，四组处理中的藻类数量都开始下降，这应该是和种内和种间竞争的加剧有关，另外在第六天各组处理中均发现了少量的其他藻，但优势种并没有改变。但在第12天的观测中发现，各优势种的数量进一步减少，在多种藻共同生长的情况下，小球藻和螺旋藻的数量逐渐大幅下降。第15天的观察发现，小球藻和螺旋藻在培养液中的数量优势已不明显，其它诸如衣藻、栅藻等开始丰富起来，而螺旋藻更是大为减少，比小球藻的密度数量还低。这表明了在自然状态不加人为干扰的情况下，小球藻和螺旋藻较难以成为优势群体。

2.2 硝氮浓度随时间的变化

表1 硝氮浓度随时间的变化（红色数字表示各处理前期最大和最小浓度）

由表1可以计算出，前期各个不同处理中，由于前9天内，各个处理的优势种还未改变，自来水螺旋藻、自来水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻处理组中，对硝氮的吸收效率分别为24.45%、17.10%、24.00%、34.27%，相差不是很大。后面的9-15天里，自来水中培养的螺旋藻和小球藻浓度变化趋势基本一致，但稻田水培养的螺旋藻和小球藻浓度变化也基本一致，但发现有小球藻存在的处理中，硝氮含量更低，这也间接反映了在高浓度情况下，小球藻对硝氮的吸收能力比螺旋藻强。

如图2所示，不同处理组中，开始的0-9天里，藻液中的硝氮浓度是逐渐降低的，用稻田水培养小球藻的瓶中硝氮浓度降到最低值的时间最快，而且最低值比稻田水培养螺旋藻的处理组低，由表1可以得到，前者对硝氮的最高吸收效率达到34.27%，后者仅有24.00%，这表明小球藻具有比钝顶螺旋藻更快更强的吸收硝氮的能力。用自来水培养的各瓶中由于本身硝氮浓度较前者低，硝氮浓度的最低值也低，但通过观察也发现，前3天小球藻对氮的吸收更快一些。

图2 硝氮浓度随培养时间的变化

当各组优势种细胞数目开始下降时，硝氮的浓度有所上升，可能与微生物的分解作用有关，此外也可能是由于细胞裂解造成的贮存于原细胞中的营养盐的释放。当9天以后，其他藻生长起来以后，原优势种逐渐失去了优势地位，导致了液体中硝氮浓度有所上升，但在有小球藻存在的处理组中，硝氮的浓度始终低于螺旋藻处理组。这也间接证明了小球藻比螺旋藻有更强的吸收氮的能力。推测如果延长培养时间，当培养瓶内各种藻类达到竞争平衡状态时，硝氮的含量会维持在一定水平。

2.3 正磷浓度随培养时间的变化

表2 正磷浓度随培养时间的变化（红色数字表示各处理前期最大和最小浓度）

由表2的数值可以看出，前期各个不同处理中，由于前9天内，个优势种还未改变，自来水螺旋藻、自来水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻处理组中，对正磷的吸收效率分别为50.51%、44.30%、18.70%%、93.87%，高浓度下两种藻对磷的吸收率相差较大，低浓度下相差不大。后面的9-15天里，小球藻和螺旋藻在各个处理中已经不占优势地位，其他藻开始生长起来，此后个处理组中正磷的含量有所回升，这应该与螺旋藻和小球藻死亡后把体内的磷释放出来有关。

由图3可发现，不同处理下，开始的0-3天里，加入小球藻的瓶中P浓度急剧降低，几乎达到零，这和小球藻具有储磷机制相吻合，但加入螺旋藻的瓶中P浓度下降得较缓慢。由表2可以得到前者对磷的吸收率高达93.87%，后者仅有18.70%，这说明小球藻比螺旋藻有更强的吸收磷的能力。第3天后发现两种藻数量都开始下降，第6天时试验中也出现了衰败腐烂分解的迹象，因而加入小球藻的稻田水处理组磷浓度出现了回升。第6天后加入螺旋藻的稻田水处理组的磷浓度却加速降低，但此时螺旋藻已经不占优势，但绿素含量持续增加，这只能是因为其它藻的作用下吸收了大量的磷，表明螺旋藻高浓度下吸收磷的能力较差，甚至不如其他藻类的综合作用。推测如果延长培养时间，当培养瓶内各种藻类达到竞争平衡状态时，正磷的含量会维持在一定水平。

图3 正磷浓度随培养时间的变化

第9天以后，小球藻的优势作用减弱，其他藻逐渐也生长起来，磷浓度有所回升，但由于小球藻已不处于绝对优势地位，磷浓度仅维持在0.13mg/L左右。加入螺旋藻的瓶中P浓度下降开始6天较缓慢，后来6天在其他藻的作用下加快，在第12天时磷浓度达到最低。这说明螺旋藻的储磷机制相对其它藻较弱，而第15天后时，螺旋藻数量进一步减少，可能是它的分解释放作用，又致使水中P含量稍有上升。

2.4 叶绿素a含量随培养时间的变化

通常，可以用水体中叶绿素a的多寡来反映水体浮游藻类的生物量，试验条件下二者有较好的正相关性，本试验中也采取了测量叶绿素含量的方法。

图4 叶绿素随培养时间的变化

由图4可看到，接种后，培养在自来水中的螺旋藻在前3天生物量下降很快，而小球藻生物量却增加较多，这表明在低营养条件下，小球藻较螺旋藻在该实验条件下具有较强的适应性。而培养在稻田水中的螺旋藻前三天生物量稍有下降，小球藻则很快就适应了环境增长迅速。3-9天中，培养在自来水中的螺旋藻生物量经历了缓慢降低后又缓慢增加的过程，培养在自来水中的小球藻而则与之相反，先升高后降低，且生物量与稻田水培养组比较相差很大，这主要与二者的营养状况不同有关。培养在稻田水中的螺旋藻生物量逐渐增大，小球藻的生物量则可能是进入稳定期含量变化不大。9-15天时间段里，一方面由于其他藻类开始生长起来，竞争加剧导致原来接种的藻类在各自三角瓶中的数量优势逐渐降低，但总的生物量开始增多，螺旋藻和小球藻在各处理组中都已不占优势了。培养在自来水中的藻类生物量明显低于培养在稻田水中的，这是由于前者水体中的营养比后者低。

3 结论

通过实验过程中，对藻细胞数、硝氮、正磷及叶绿素含量的测定分析，得到以下结论：

1）由试验结果可以发现，该实验条件下，无论是在中低浓度还是高浓度的水体中，小球藻的适应性和竞争力都要比螺旋藻的强，但在模拟野外环境下，二者难以长久保持成为优势种。2）小球藻在该批稻田水中具有更强的储氮和储磷能力，对二者的最高吸收率分别为34.27%和93.87%，尤其是对磷的消除效率极高，在小球藻占绝对优势时，几乎能吸收水体中全部的P于自身体内，但也会随着自身的分解而把磷再次释放到水体中；而在低浓度氮、磷情况下，二者的吸收效率相差不大。3）小球藻在水体中越占优势，水体中的氮、磷含量降低得越多，因而它在消除稻田水中过多氮、磷有潜在的应用价值。4）高浓度下，钝螺旋藻对磷的吸收效果并不如预期的那么好，甚至还要弱于其他藻类的综合作用，这与以往文献得到的结论不同，可能与试验选用的藻种或该批稻田水的某种未知性质有关。5）稻田废水有潜在的利用价值，可以用于培养藻类（如小球藻）后再排放，以达到资源的充分利用和保护环境的目的。

但由于自然和野外环境条件下，小球藻受到其他藻类和环境条件的限制，不易成为绝对优势种，这对它发挥该作用不利。所以，在稻田水中如何采取适当措施使小球藻成为优势种，这是一个值得研究的问题，解决该问题后利用稻田废水培养小球藻，有助于小球藻产业中降低生产成本和水环境保护，达到一举两得的效果。

4 致谢

本试验在暨南大学水生生物研究所实验室进行，得到了胡韧、彭亮老师等的指导和建议。试验过程中在黄享辉研究生的帮助下，顺利学习和完成了试验中的各项实验技能和报告的撰写。在此，一并表示感谢！

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