海水淡化浓海水综合利用过程对盐藻生长的影响

肖骊锟,刘 洁,谢雅欣,才金玲,2

(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457；2.天津市卤水化工与资源生态化利用重点实验室，天津 300457)

1 前言

目前很多国家和地区都面临着淡水资源短缺的问题，淡水资源短缺会严重阻碍国家和地区的发展。而海水淡化是解决淡水资源短缺重要且有效的手段。中国是全球最缺淡水的几个国家之一，近几年中国采用海水淡化工程来解决淡水短缺问题[1]。由《2018年全国海水利用报告》指出，截至2018年，中国的海水淡化工程已经建成142个，淡水产量超过120万t/d。天津是北方淡水资源短缺的沿海城市，目前天津的海水淡化工程是全国最大的，日产量可以达到32万t/d。

在利用海水淡化工程生产淡水的同时会产生大量的浓海水，浓海水的盐度是普通天然海水的1.3倍～1.7倍左右，随着盐度的增加浮游植物的多样性和总物种数会随之下降[2]。而且pH值、重金属、有机物、营养盐、溶解氧等都有由不同程度的变化。如果将它直接排放到海洋中，会对生态环境产生影响[3-4]。因为现在我国海水淡化工程规模不大，浓海水的排放量不高，所以目前还没有海水淡化工程对环境有非常明显影响的报道[3]。但是随着社会的发展和工业的进步，海水淡化工程规模会逐渐扩大，因此浓海水的排放量和对环境的影响会日益增加。特别是在封闭半封闭海域，高盐度浓海水对海洋生态环境的影响将更为明显。例如，天津所在的环渤海地区为三面环陆的半封闭海湾，海水交换能力和自净能力较差。如果将海水淡化浓海水直接外排，会对脆弱的渤海湾生态系统产生严重影响。

有些专家提出了可以提升海水综合利用价值的观点，这样可以使海水淡化工程与自然环境协调发展。将海水淡化产生的浓海水先提溴，提溴后浓海水先经溴后卤库，然后与天然海水混合后进入卤水池进行原盐生产，最后进行专业海水养殖。海水淡化产生的高浓度浓海水用于提溴和制盐，不但提高了提溴和制盐的效率在原产量不变的情况下节约了土地资源，而且避免了浓海水排入海洋对海洋环境的破坏。这一工艺不但可以实现海水资源的综合利用，而且解决了浓海水排放的环境污染问题[5-6]。

此研究分析海水淡化浓海水、提溴、制盐等不同生产阶段产生的浓海水对海洋微生物(以杜氏盐藻为例)生长和活性物质积累产生的影响。近些年来盐藻广泛用于保健产品和水产养殖饲料，而且可以在较高盐度下生长，具有一定的经济效益[7]。分析海水淡化浓海水综合利用过程产生的浓海水对海洋生物的影响；开发利用浓海水养殖高价值的盐藻，从而提高经济价值。

2 材料与方法

2.1 藻种

用于实验的藻种为杜氏盐藻(Dunaliellasalina)，由天津长芦汉沽盐场有限责任公司提供。

2.2 实验设计

为研究淡化浓海水、提溴、制盐等不同生产阶段产生的浓海水对杜氏盐藻生长和活性物质积累产生的影响。图1是淡化浓海水综合利用流程。

图1 海水淡化浓海水综合利用过程Fig.1 Comprehensive utilization process of concentrated seawater from seawater desalination

选用不同生产工段(①低温多效海水淡化浓海水；②海水淡化浓海水+海水；③提溴后浓海水；④提溴后浓海水+海水；⑤低盐度盐田卤水；⑥高盐度盐池卤水；⑦制盐后卤水+海水；⑧蓄水池卤水)的卤水分别配制改良的f/2培养基。另外选用天然海水和蒸馏水配制f/2培养基作为对照。f/2培养基配方如下：1.0 g/L KNO3、0.043 g/L NaHCO3、0.035 g/L KH2PO4、10 mL/L Fe-solution(含Na2EDTA 189 mg/L和FeCl3·6H2O 244 mg/L)、10 mL/L Trace-element solution(含H3BO361 mg/L、(NH4)6Mo7O24·4H2O 38 mg/L、CuSO4·5H2O 6 mg/L、CoCl2·6H2O 5.1 mg/L、ZnCl24.1 mg/L和MnCl2·4H2O 4.1 mg/L)。调整培养基盐度为70‰，pH值为7.5。

将对数生长期的藻种分别接种到上述不同培养基中。接种后的盐藻初始密度为15×104个/mL。置于光照培养箱(HNGZ智能型光照培养箱，天津欧诺仪器股份有限公司)培养，光照与黑暗时间为12 h ∶12 h，光照强度为6 000 Lx，温度25 ℃±1 ℃，每天摇瓶两次。定期测定杜氏盐藻的细胞浓度，用于表征盐藻生长情况。每个实验有三个重复。

2.3 水质分析

水样盐度用盐度计(S-10E ATAGO，Japan)分析。pH值采用pH计(FE20梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司)分析。氮含量利用全自动凯氏定氮仪(Kjeltec 8400 FOSS 丹麦)测定。浓海水中的Ca和Mg含量按照GB 17378.4—2007《海洋监测规范·第4部分：海水分析》测定。Fe和总P含量使用电感耦合等离子质谱仪(ICAPQ，赛默飞世尔，德国)进行测量。

2.4 盐藻物质含量分析

盐藻生长处于平稳期后离心(6 000 r/min，10 min)，收获盐藻。测定盐藻中叶绿素a、叶绿素b、β-胡萝卜素、总糖和蛋白质含量。其中总糖和蛋白质含量分别采用硫酸苯酚法[8]和考马斯亮蓝法[9]测定。

叶绿素a、叶绿素b和β-胡萝卜素含量测定参照郭金耀等的方法[10]：取2 mL藻液离心后弃上清；加入2 mL 90%丙酮溶液，超声波破碎(功率40 W，3 min，破碎15 s间隔1 s)；再次离心10 min(6 000 r/min)后取上清液200 μL，于分光光度计分别读取450 nm、665 nm和649 nm处吸光度。叶绿素a、叶绿素b和β-胡萝卜素含量测定计算公式：

β-胡萝卜素含量(mg/L)=OD450 nm×V×f×103/2 500

(1)

叶绿素a含量(mg/L)=13.7OD665 nm-5.76OD649 nm

(2)

叶绿素b含量(mg/L)=25.8OD649 nm-7.6OD665 nm

(3)

其中，V为提取液的体积；f为稀释倍数。

用IBM SPSS Statistics 24软件进行统计学分析，采用单因素方差分析，若P<0.05则有显著性差异。

3 结果与讨论

3.1 浓海水水质(表1)

表1 浓海水水质Tab.1 Concentrated seawater quality

由表1可见，低温多效海水淡化浓海水的pH值略低于天然海水，这可能是由于在低温多效海水淡化过程中经过脱氧、加氯、阻垢剂、消泡剂和还原剂等物质的添加引起的。为防止海水淡化组件结垢，一般对原海水酸化处理，浓海水即呈弱酸性。此外，海水淡化系统中的过滤器、蒸发器等组件须定期清洗，一般采用柠檬酸和多磷酸钠等弱酸性清洗剂。而海水淡化浓海水+海水组的pH值略有升高，可能是由于添加了pH调节剂造成的。提溴后浓海水的pH值略低于天然海水，这可能是由于提溴过程中添加的酸化剂造成的[11]。

不同组浓海水中的盐度、Ca、Mg和P含量均显著高于天然海水。这可能是由于浓海水中的有机物和营养盐一部分是海水固有并在海水淡化过程中被浓缩。另一个重要的原因是在海水淡化过程中化学药剂残留。例如在海水淡化过程添加缓释阻垢剂主要用于防止海水淡化组件(传热管)表面结垢，这些阻垢剂主要为聚磷酸盐、马来酸或聚丙烯酸等。这些含磷成分残留在浓海水中，如果不加处理可能会造成富营养化。

3.2 不同工段浓海水对杜氏盐藻生长的影响

图2表示不同工段浓海水对杜氏盐藻生长的影响。杜氏盐藻在用不同浓海水所配置的培养基中均能够快速生长。不同工段浓海水的盐藻生长量在第30 d时大多数显著高于天然海水配制培养基(P<0.05)，在第35 d时藻量全部高于天然海水配置的第⑨组培养基。寇希元等[12]也发现海水淡化浓海水能促进中肋骨条藻、旋链角毛藻、隐秘小环藻等微藻的生长。这可能是由于海水淡化浓海水中富含有金属离子(如Fe、Ca、Mg等)和营养元素(P)，促进了盐藻的生长。微藻可以利用富营养化的工业废水通过光合作用，来增加自身产量，同时也可以在一定程度内净化工业废水。为经济有效的处理废水提供了一种思路[13]。

图2 不同卤水配制培养基对杜氏盐藻生长的影响Fig.2 Effects of different brine media on the growth of Dunaliella Salina

3.3 不同工段浓海水对杜氏盐藻色素积累的影响

根据图3可以看出，β-胡萝卜素、叶绿素a和叶绿素b三种色素含量最低的是用蒸馏水所配置的培养基，而且第⑨组用天然海水所配置培养基的三种色素含量比大多数不同工段浓海水配置培养基的色素含量低。这有可能是在一定范围内增加金属离子可以有利于盐藻色素的积累，因为金属离子作为盐藻不可缺少的营养物质，它可以调节酶的活性与成分，可以维持色素的结构[14]。

图3 不同卤水配制培养基对杜氏盐藻色素积累的影响Fig.3 Effect of different brine medium on pigment accumulation of Dunaliella Salina

3.4 不同工段浓海水对杜氏盐藻蛋白质积累的影响

如图4，在盐藻生长到生长期后期时，进行盐藻蛋白质含量测定时发现，用海水淡化过程中作为培养基的盐藻蛋白质含量较低。这可能是因为前8组培养基的金属离子含量太高而影响了盐藻蛋白质的积累，所以蛋白质含量不如金属离子含量较低的天然海水和蒸馏水。培养基中的重金属离子含量太高会在藻细胞内不断积累，并最终超过藻细胞自身所能够调节的范围，这样会破坏藻细胞内的各种机制和代谢途径，从而使蛋白质的含量下降[15]。

图4 不同卤水配制培养基对杜氏盐藻蛋白质积累的影响Fig.4 Effects of different brine media on protein accumulation of Dunaliella Salina

3.5 不同工段浓海水对杜氏盐藻总糖积累的影响

根据图5可知，③组、⑤组、⑥组和⑧组盐藻的总糖含量和天然海水、蒸馏水培养基差不多。但是其中①组、②组和⑦组的总糖含量要比其他组高一些。这可能是它们的金属离子含量不同所导致的，研究发现，盐藻的总糖含量与盐藻本身的生长状况和光合作用有关。一般来说盐藻的生长状况和光合作用越好，其总糖含量也会越高[16]。从图2可看出，①组、②组和⑦组的盐藻生长状况较好,同时总糖的含量也比较高。另外盐藻总糖含量也与Cr3+和Pd的含量有关[17]。

图5 不同卤水配制培养基对杜氏盐藻总糖积累的影响Fig.5 Effects of different brine media on total sugar accumulation of Dunaliella Salina

4 结论

该研究发现经低温多效工艺进行海水淡化排出的浓海水用于吹溴、制盐等工艺后都能有效培养杜氏盐藻，而且海水淡化浓海水产生的卤水和制盐后产生的卤水可促进盐藻生长，色素和总糖的积累，可增加经济效益。实验结果为低温多效海水淡化工程的浓海水处置利用提供了新思路。总之，海水制盐企业开展海水淡化浓海水综合，可以优化企业产业结构，增加企业效益和社会效益，更为重要的是在一定程度上解决了环境污染问题。