藻华的控制与开发利用研究

王秀华，汪玉鸿，沈丽娟

（1.山东省水文局，山东 济南 250002；2.济南市水文局，山东 济南 250014 ）

0 引言

藻华是因水中滋生大量的浮游植物（微细藻类）而使水变色的现象。我国许多湖泊都有藻华现象，预计未来持续时间和频率还会增加。 有害藻华不仅对水质构成严重威胁，还威胁工业、农业、渔业、旅游业及生态系统， 而且通过产生蓝细菌毒素影响公共健康［1-5］。 因此，对藻类的有效控制是摆在中国乃至世界环境工作者面前的一个重要课题。近些年，美国政府投入大量人力和财力做控制水体中氮、 磷含量的研究工作， 特别是在当前能源危机和强调可持续发展的背景下， 废水处理与生物能源开发利用的结合已成为科研工作者关注与研究的热点， 这也给我国“绿色产业”的发展带来新的启示。

1 藻华的成因与危害

1.1 藻华的成因

藻华通常是因水体氮磷含量超标， 造成水体富营养化，使包含蓝藻（即蓝细菌，是有害藻华的主要组成部分）在内的各种藻类快速生长而形成的。水体中的氮磷含量决定了藻类的生长速度和种类。 在富营养化的水体中，当氮磷比（N∶P）小于15 时，蓝藻占主导地位，而当N∶P 大于20 时，则以真核浮游植物为主［6］。由此可见，磷对蓝藻的形成与生长起决定性作用。 蓝藻属于有害藻华，它是原核单细胞生物，在水体中成杆状或球状，有时还会形成丝状体。有些蓝藻比如Cyanothece，可以固定空气中的氮，在氮浓度非常低的水体中生长［7］，或在无氨／硝酸盐的水体中生长， 并且其固定氮的能力可以通过利用水体中的有机碳（例如甘油和糖等）而进一步提高。 蓝藻有高效率光合作用，在足够的光源、二氧化碳及氮磷作用下，快速生长的伸长球菌倍增时间仅2 h［8］。 蓝藻不仅生长快，而且代谢也快，其代谢产物及腐烂体可进一步向水体提供氮磷，从而进一步促进藻类的生长。蓝藻和其他微藻还可以与各种细菌形成稳定的共生系统（如图1 所示）。在这样的系统中，藻类的光合作用可以为细菌的生长提供氧气和营养， 而细菌的呼吸可以为藻类的光合作用提供二氧化碳。 因此，细菌-藻类的混合生长可以进一步加快藻华的形成，使水质迅速恶化。

图1 藻类和细菌共生系统Fig.1 Symbiotic system of algae and bacteria

1.2 藻华的危害

蓝藻是有害藻华的主要组成部分。 常见有害蓝藻包括：铜绿微囊藻、聚球藻和丝状固氮蓝藻［7］。 这些蓝藻的大量繁殖，使水体的溶解氧发生改变，造成鱼类等生物大量死亡， 腐烂的生物体又导致异养细菌大量繁殖，而且蓝藻内部可产生各种毒素（例如神经毒素和微囊藻毒素）。藻类毒素和有害异养细菌通过人体接触或食物链影响人类健康，甚至有致癌、促癌作用。

2 地表水中氮磷的主要来源及控制技术

2.1 地表水中氮磷的主要来源

藻华产生的主要影响因素是水体中氮和磷的浓度。地表水中，氮和磷的主要来源为：（1）农业生产中化肥、农药的过度施用，使地表径流中氮磷富集；（2）人畜粪便、生活垃圾、生活污水、工业废渣、工业废水的不规范堆放或排放，造成氮磷直接进入水体，或通过地表径流进入水体。 因此，防止藻华产生，关键是控制水体中氮和磷的含量。

2.2 控制地表水中氮磷的技术

美国环保局建议，湖泊和水库的总氮、总磷浓度应分别小于0.15 mg／L 和0.01 mg／L，并在面源控制上采取了很多措施［9］。 例如：禁用或限用含磷洗涤剂、对土地实行规模化管理、推广使用土壤改良剂和缓释肥料等［4］。 同时，针对点源采取以下3 种氮磷控制技术。

1）化学处理技术。此技术是应用最早、目前仍广泛应用的一种除磷方法。 它是通过向水体中添加金属盐（如铁盐、铝盐等），使水体中的磷形成磷酸盐，并沉淀，然后去除沉淀［4］。

2）生物处理技术。 此技术是目前国外广泛应用的方法，主要包括：（1）利用聚磷菌（PAO）进行生物处理，降低污水中磷的浓度；（2）利用硝化／反硝化生物反应实现脱氮；（3）借助藻类及其他水生生物或人工湿地以去除水体中的氮、磷。

3）新兴处理技术。 此类技术在考虑去除污水中氮磷的同时，还考虑如何回收氮磷，持续供应农业。它包括吸附法、结晶法、膜处理及电化学处理等［9］。

以上处理方法有些是难于管理， 达不到预期效果；有些占地面积大，运营成本高。 随着全球资源短缺和环境污染问题的日益突出， 开发高效的氮磷控制技术以及寻找可持续再生、 环境友好的新型能源成为科研工作者研究的热点。

3 藻类的利用

微藻主要由脂质、蛋白质、淀粉及碳水化合物组成。蓝藻的脂质、蛋白质、碳水化合物、核酸含量分别为19%、48%、15%、13%［8］。富含蛋白质的藻类，通过加工可用作肥料、 动物饲料； 特殊的高脂质含量（50%～70%）的葡萄球微藻可取代石油及其他生物，用来提取生物柴油［10］。因此，科研工作者提出了利用含氮磷高的污水养殖藻类来净化水质， 同时作为获得生物产品的新途径的思路。

3.1 用微藻开发生物产品的优势

用微藻作原料生产肥料、动物饲料及生物燃料的优势为：（1）微藻生长能消耗大量氮磷养分，利用氮磷含量高的废水养殖微藻，收获产品后，可有效降低水体中氮磷及其他有害成分的含量， 不仅可以减少污染，净化水质，还可以降低藻类的养殖成本。 （2）微藻能吸收各种废气中的二氧化碳，利用热电厂、化工厂等排出的二氧化碳废气养殖微藻，可减少二氧化碳的排放，缓解温室效应的发生。（3）种植微藻比种植其他木质纤维素作物所需土地面积小， 并且微藻可在咸水、废水、海水等不适于其他作物生长的环境中繁殖生长，能充分利用土地资源和水资源。（4）微藻繁殖速度快，一般在24 h 内，其自身生物量可以加倍，而在指数生长期内， 生物量倍增时间竟能缩短至3.5 h［11］。藻类生长周期很短， 一般2～5 d 便可完成一个世代，并且可终年生长。据测算，在给定区域内，用藻类作原料，可得生物量是其他作物的20 倍。 （5）微藻生物质易分解，所得生物质燃料热值高，且微藻燃料属清洁、环境友好型燃料。 据测算，微藻燃料的热值是其他农作物的1.6 倍。

3.2 基因技术在微藻生物产品开发方面的应用

通过对藻类生长环境及影响因素的进一步研究， 我们可以模仿微藻的繁殖过程来降低生物能源的开发成本。尤其随着基因技术的快速发展，利用基因工程不仅可以提高优质微藻的产量， 而且可以通过代谢工程，将蓝藻改造成细胞工厂，产生不同的生物燃料和化工产品。 如美国Algenol Biotech 公司利用基因工程改造过的聚球藻生产乙醇、丁醇等燃料。这一成功经验开辟了利用基因技术开发藻类生物产品的新途径。 在基因工程改造过的聚球蓝藻培养液中，不同生物的产品及浓度如表1 所示［10，12］。

表1 用基因工程改造过的聚球蓝藻培养液中不同生物产品及浓度Tab.1 Different biologics and concentrations in culture medium of cymbidium bullosum modified by genetic engineering

3.3 用微藻开发生物产品净化水体的制约因素及发展方向

藻类开发有广阔前景， 但与常规农作物生产相比，藻类培养技术尚处于起步阶段。微藻的生长需要苛刻的环境条件（如光、温度、酸碱度、二氧化碳等）。在特定小型生物反应器里， 许多快速生长的微藻每天的产量可达到30 g／m2［10］，但在大规模开放性微藻培养农场中，藻的生长速度受各种环境因素制约，其产量要比实验室研究结果低很多。 据相关的技术经济评价估算， 目前美国藻类农场开发生物燃料的成本大约是1.25 美元／升，远远高于石化燃料。

未来微藻产业的研究和发展有3 个方向：（1）如何有计划地、 系统性地将微藻培养设施建在废水处理厂、火力发电厂及热力厂附近，实现微藻培养、废污水净化与电热厂等产生的二氧化碳废气及废热的利用相结合，使之成为一个有效益的生态产业工程。（2） 高效微藻培养反应器的设计和规模放大也是研究的热点， 新材料和新膜技术可以大大增加藻体对二氧化碳和光的吸收率，使光合作用最大化。 （3）如何利用基因工程技术让微藻产出高附加值的天然物质（比如虾青素和胡萝卜素等）。

4 结语

水资源和能源危机是21 世纪人类面临的重大挑战。 利用污水培养微藻来净化水质，并收获藻体，从中提取“新”资源和“新”能源，这既能保护环境，又能节约资源，实现污水的资源化利用，是人类社会可持续发展的有效途径。