3种微藻在龟鳖养殖废水中的生长与脱氮除磷特性

赵秀侠，杨 坤，方 婷，李 静，卢文轩

(安徽省农业科学院水产研究所，安徽 合肥 230036)

我国是水产养殖大国，龟鳖养殖为新兴特种养殖产业，养殖废水管理方式多采用直接排放方式，废水处理与利用效率低下，对周边水域环境和生态系统平衡造成严重危害。与龟鳖养殖规模逐渐加大相反，对于龟鳖养殖废水生态净化处理和资源化利用研究较少。目前，在水产养殖废水资源化循环利用方面，国内学者较多采用以生物膜法、人工湿地、固定化菌藻、微生物制剂等为主体的污水处理工艺[1-4]，这些方法均能有效去除悬浮物和有机物，但也存在投资规模大、运行成本高、系统集成水平低等问题[5]。微藻是一类光能自养型单细胞生物，具有资源量丰富、光合效率高、生长速率快、环境适应性强等特点。藻类生长能直接吸收废水中有机营养物质和无机物，促进磷沉降和氨态氮降低，提高水体pH值[6]。利用微藻处理水产养殖废水，一方面可以净化污水，对水体有抑菌消毒作用，另一方面减轻养殖环境压力，可以获得有营养价值的藻类产物，为经济类水产品种提供饵料，促进养殖业可持续发展。

本研究选取小球藻(Chlorellasp.)、栅藻(Scenedesmussp.)、螺旋藻(Spirulinasp.)3种常用微藻，比较其在经沉淀池初步处理后排放的龟鳖养殖废水和无任何处理直接排放的龟鳖养殖废水中的生长特性及对氮磷去除效果，探讨在不同养殖废水中微藻的生长特性，筛选适合龟鳖养殖废水净化与规模化培养的藻种，以期为微藻净化龟鳖养殖废水及废水规模化生物处理提供理论基础。

表1 试验废水主要水质指标

1 试验材料与研究方法

1.1 试验材料

取自安徽省芜湖市无为县某龟鳖养殖场经沉淀池初步处理后的废水(简称WW废水)；取自安徽省合肥市郊区大杨镇某龟鳖养殖场无任何处理措施直接排放的废水(简称DY废水)。两种废水均经过0.45 μm滤膜过滤去除细菌、藻类和其他悬浮固体物质后使用，过滤后废水由于营养盐浓度较高，用于微藻培养试验时，稀释8倍后使用。两种废水主要水质指标见表1。

试验用小球藻、栅藻和螺旋藻由中国科学院武汉水生生物研究所提供。藻液经BG-11培养基扩大培养后用于试验。

1.2 研究方法

试验分为两组，WW废水与DY废水各一组，试验于200 mL锥形瓶中进行，每瓶加入150 mL过滤后废水为培养基。在每个组别中均接种小球藻、栅藻和螺旋藻3种藻液，每种藻液设置3个平行，每组共9个锥形瓶。每个锥形瓶取1.0 mL试验藻种接种，接种藻液初始密度为1.0×105个/mL，放入人工气候箱进行培养。培养温度为25℃，光照强度为2 000 lx，相对湿度为75%，光暗比为12 h∶12 h，每天摇瓶3次，培养至藻类处于对数增长期。

初始接种藻液的藻细胞计数方法采用0.1 mL藻类计数框计数藻细胞数目，运用视野计数法换算成藻液中藻细胞密度。

采用干重法测定藻细胞生物量，用来反映藻类细胞生长状况。首先将0.45 μm醋酸纤维滤膜预先烘干至恒重，其次取2.5 mL藻液进行真空抽滤，将带有藻体的滤膜放置到烘箱中，于105℃条件下烘干24 h至恒重。微藻生物量干重DW的计算公式[7]为

DW=400(M1-M0)

(1)

式中：M0为预先烘干至恒重的滤膜质量；M1为烘干24 h后载有藻体的滤膜质量。

利用藻类细胞密度反映藻类生长特性。由于小球藻、栅藻和螺旋藻分别与其在680 nm、650 nm、560 nm 处光密度值呈线性相关(P<0.01)[9]，利用可见分光光度计(B722s，上海棱光技术有限公司)定期测定3种藻液在对应波长处光密度值代表细胞密度。

采用SPSS13.0和Origin8.5对数据进行统计分析与作图。

2 结果与分析

2.1 3种微藻在龟鳖养殖废水中生长特性

在DY废水中，小球藻、栅藻和螺旋藻3种微藻细胞密度与生物量随时间变化见图1。由图1(a)可见，试验初期，小球藻与栅藻的细胞密度增加较快，螺旋藻的细胞密度增加最慢，推测原因可能与不同藻类对培养液微环境营养需求、吸收能力及适应过程有关。随着培养时间增加，小球藻与栅藻细胞密度继续增加，螺旋藻细胞密度开始降低，分析原因一方面在接种初期藻细胞密度基数较小，数量级为105左右；另一方面藻类生长对培养基中各种有机物和无机物逐渐适应能力不同。由图1(b)可见，随着培养时间延长，藻类生物量逐渐增加，在14 d左右达到最大值，小球藻、栅藻和螺旋藻最大生物量分别为0.26 g/L、0.28 g/L和0.20 g/L，此后3种微藻的生物量均开始下降。

(a) 细胞密度

(b) 生物量

在WW废水中，小球藻、栅藻和螺旋藻3种微藻细胞密度与生物量随时间变化见图2。由图2(a)可见，栅藻在培养初期细胞密度增加最快，其次为小球藻，螺旋藻最慢；随着培养液中营养物质的消耗，藻密度增加幅度减小。由图2(b)可见，试验初期3种微藻的生物量均持续增加，螺旋藻的生物量在14 d后出现降低，栅藻和小球藻的生物量在16 d达到最大值。

比较小球藻、栅藻和螺旋藻在DY废水与WW废水中藻细胞密度和生物量变化特性发现，DY废水更适合微藻生长。在两种废水中，都是栅藻的细胞密度增加较快，螺旋藻细胞密度增加最慢。对于藻生物量，3种微藻在两种废水中表现有所不同，3种微藻在DY废水中均在14 d左右达到最大生物量，此后生物量均有所降低；在WW废水中，小球藻和栅藻的生物量在试验期间一直持续增加，而螺旋藻的生物量在14 d达到最大值，之后开始下降。在培养12 d后，3种微藻在DY废水的累积量均大于其在WW废水中生物累积量，分析原因可能与不同废水中营养盐含量、比例及营养物质消耗相关。

(a) 细胞密度

(b) 生物量

2.2 3种微藻对龟鳖养殖废水中氮磷的去除

(a) DY废水

(b) WW废水

3 讨 论

藻类因自身特殊生理结构和新陈代谢能力，具有良好净化废水功能，利用微藻处理龟鳖养殖废水是一项污水资源化利用技术。有研究表明同浓度组蛋白核小球藻生长速率高于斜生栅藻，其叶绿素a含量高于斜生栅藻，既生物量累积较高，且蛋白核小球藻脱氮除磷效应优于斜生栅藻[10]；章斐等[11]在不同氮磷水平的城市二级出水中进行纯培养椭圆小球藻与斜生栅藻，结果发现椭圆小球藻生物量累积大于斜生栅藻；朱树峰等[12]通过城市污水厂二级出水培养微藻试验结果表明，栅藻要高于小球藻生物质累积量。本试验结果表明，在相同初始氮磷浓度条件下，栅藻与小球藻均具有较高的生物量，均高于同浓度组螺旋藻，栅藻生物量累积较高，说明栅藻比小球藻整体生长更好，更能耐受极端环境，适应力更强。此外，不同微藻生长特性与光合作用相关，光合作用强弱与叶绿素含量相关，而绿藻门类群相对于其他微藻类群，叶绿素含量较高，所以光合作用旺盛[13]，在废水中具有较强的生长优势。本研究结果也证明这点，绿藻门类群栅藻与小球藻细胞密度增长与生物量累积均大于同浓度组中蓝藻门螺旋藻。螺旋藻除去其营养功能外还具有较好的净化污水能力，Deshmane等[14]对螺旋藻净化废水效果研究发现，废水总氮去除率可达85%左右，利用养殖废水培养螺旋藻不仅能净化水质，也可以达到收获螺旋藻的目的，开展这方面研究很有必要。

一般来说，初始浓度低的氮磷组合有助于提高去除率，而高浓度氮磷会影响藻类生长，不利于氮磷去除[17]。在本研究中，微藻对不同初始浓度废水氮磷源去除率有一定差异，对初始浓度较高DY废水与初始浓度较低的WW废水，3种微藻的去除能力差值50%左右。此结论与前人研究不同，分析原因可能与废水pH值、氮磷源比例及不同形态相关，一方面，藻类光合作用会使水体pH增大而呈弱碱性[18]，而弱碱性水环境有利于氨挥发，在WW废水中，氨态氮占总氮比例为93.36%，碱性环境下氨态氮挥发对总氮去除贡献最大。因此，碱性水体、氨态氮挥发有利于微藻对总氮去除利用，极大提高微藻对氮磷吸收利用；另一方面，不同微藻对不同形态氮磷利用能力与废水中氮磷源比例有关[19-20]，所以在初始氮磷浓度较低、pH值较高的WW废水中，3种微藻对氮磷去除率均较高。

4 结 论

a. 小球藻、栅藻和螺旋藻3种微藻在不同龟鳖养殖废水中生长特性不同，DY废水中3种微藻细胞密度与生物量均大于WW废水培养，最大生物量分别为0.26 g/L，0.28 g/L与0.20 g/L。

c. 微藻用于龟鳖养殖废水水质生物净化有很好的应用前景，但本试验是在室内严格控制条件下，与实际应用环境具有一定的差异，在实际龟鳖养殖废水的处理应用与后续微藻收集等方面需要进一步的研究。

[1]王伟龙，范长健，石红，等.一体式MBR对水产养殖废水处理操作参数优化的研究[J].淡水渔业，2015,45(3):64-69.(WANG Weilong，FAN Changjian，SHI Hong，et al.Study on optimization of operational conditions of integrated membrane bioreactor applied to aquaculture wastewater [J].Freshwater Fisheries，2015,45(3):64-69.(in Chinese))

[2]刘佳，易乃康，熊永娇，等.人工湿地构型对水产养殖废水含氮污染物和抗生素去除影响[J].环境科学，2016,37(9):3430-3437.(LIU Jia，YI Naikang，XIONG Yongjiao，et al.Effects of constructed wetland configuration on the removal of nitrogen pollutants and antibiotics in aquaculture wastewater [J].Environmental Science，2016,37(9):3430-3437.(in Chinese))

[3]邹万生，刘良国，张景来，等.固定化藻菌对水产养殖废水氮、磷的去除效果[J].生态与农村环境学报，2010，26(6):574-578.(ZOU Wansheng，LIU Liangguo，ZHANG Jinglai，et al.Effect of immobilized algae-bacteria removing nitrogen and phosphorus from aquacultural wastewater [J].Journal of Ecology and Rural Environment，2010，26(6):574-578.(in Chinese))

[4]马牧源,崔丽娟,张曼胤,等.白洋淀养鸭废水水质组成及其扩散和消减特征[J].水资源保护，2017,33(5)：145-153.(MA Muyuan,CUI Lijuan,ZHANG Manyin,et al.Water quality composition of duck farm wastewater in Baiyangdian Lake and its diffusion and reduction characteristics[J].Water Resources Protection，2017,33(5)：145-153.(in Chinese))

[5]杨柳燕,张文,陈乾坤,等.大型水生植物的资源化利用[J].水资源保护，2016,32(5)：5-10.(YANG Liuyan,ZHANG Wen,CHEN Qiankun,et al.Resources utilization of macrophytes[J].Water Resources Protection，2016,32(5)：5-10.(in Chinese))

[6]SIRAKOV I，VELICHKOVA K,STOYANOVA S，et al.The importance of microalgae for aquaculture industry.Review [J].International Journal of Fisheries and Aquatic Studies，2015，2(4):81-84

[7]何思思，高保燕，雷学青，等.初始硝酸钠浓度对魏氏真眼点藻的生长、形态和油脂积累的影响[J].水生生物学报，2015,39(3):574-582.(HE Sisi，GAO Baoyan，LEI Xueqing，et al.Effects of initial nitrogen supply on the growth，morphology and lipid accumulation of oleaginous microalgaEustigmatosvischeri(Eustigmatophyceae)[J].Acta Hydrobiological Sinica，2015,39(3):574-582.(in Chinese))

[8]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社,2002:210-281.

[9]梁芳，鸭乔，杜伟春，等.微藻光密度与细胞密度及生物质的关系[J].生态学报,2014，34(21):6156-6163.(LIANG Fang，YA Qiao，DU Weichun，et al.The relationships between optical density，cell number，and biomass of four microalgae [J].Acta Ecological Sinica，2014，34(21):6156-6163.(in Chinese))

[10]邓祥元，丁婉婉，樊玲波，等.2种微藻去除氮、磷能力的比较[J].吉林农业大学学报，2013,35(6):694-698.(DENG Xiangyuan，DING Wangwan，FAN Lingbo，et al.Comparative study on N and P removal ability ofChlorellapyrenoidosaandScenedesmusobliquus[J].Journal of Jilin Agricultural University，2013,35(6):694-698.(in Chinese))

[11]章斐，陈秀荣，江子建，等.不同氮磷浓度下2种无毒微藻的生长特性和脱氮除磷效能[J].环境工程学报，2015，9(2):559-566.(ZHANG Fei，CHEN Xiurong，JIANG Zijian，et al.Growth characteristics and removal efficiency of nitrogen and phosphorus of two kinds of non-toxic microalgae under different nitrogen and phosphorus concentrations [J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2015，9(2):559-566.(in Chinese))

[12]朱树峰，于茵，胡洪营.混合培养对城市污水厂二级出水培养能源微藻的生长促进作用[J].生态环境学报，2014,23(4):642-648.(ZHU Shufeng，YU Yin，HU Hongying.Effects on the growth characteristic by mixed culture of three energy microalgae species using domestic secondary effluent[J].Ecology and Environmental Science，2014,23(4):642-648.(in Chinese))

[13]HUNER N P A，WILSON K E,MISKIEWICZ E，et al.Regulation of light harvesting in photosystem II of plants，green algae and cyanobacteria[M].Singapore:World Scientific Publishers，2015:97-142.

[14]DESHMANE A，NIMBALKAR D，NIKAM T D，et al.Exploring alternative treatment method for sugar industry effluent using “spirulina platensis”[J].Sugar Technology，2016，18(1):105-108

[15]陈春云，庄源益，方圣琼.小球藻对养殖废水中N、P的去除研究[J].海洋环境科学，2009，28(1):9-11.(CHEN Chunyun，ZHUANG Yuanyi，FANG Shengqiong.Study on N，P removed in culturing wastewater byChlorella[J].Marine Environmental Science，2009，28(1):9-11.(in Chinese))

[16]王伟伟，陈书秀，钱瑞，等.海水养殖废水预处理方法与微藻藻种筛选[J].水产科学，2014,33(3):181-185.(WANG Weiwei，CHEN Shuxiu，QIAN Rui,et al.Mariculture effluent pretreatment methods and screening of microalgae [J].Fisheries Science，2014,33(3):181-185.(in Chinese))

[17]胡开辉，朱行，汪世华，等.小球藻对水体氮磷的去除效率[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2006，35(6):648-651.(HU Kaihui，ZHU Hang，WANG Shihua，et al.The removal effect ofChlorellavulgarisgrowth on nitrogen and phosphorus [J].Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition)，2006，35(6):648-651.(in Chinese))

[18]SKRUPSKI B，WILSON K E，GOFF K L，et al.Effect of pH on neutral lipid and biomass accumulation in microalgal strains native to the Canadian prairies and the athabasca oil sands[J].Journal of Applied Phycology，2013，25(4):937-949.

[19]MICHELON W，DA S M，MEZZARI M P，et al.Effects of nitrogen and phosphorus on biochemical composition of microalgae polyculture harvested from phycoremediation of piggery wastewater digestate.[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2016，178(7):1-13.

[20]赵昕宇，廖利民，成杰，等.基于斜生栅藻培养的城市生活废水资源化利用研究[J].水资源保护，2016，32(3):44-49.(ZHAO Xinyu，LIAO Limin，CHENG Jie，et al.Resource utilization of urban sewage water based on cultivation ofScenedesmusobliquae[J].Water Resources Protection，2016，32(3):44-49.(in Chinese))