固定化微綠球藻去除+4-N、34--P效果的研究

梁晶晶　蔣霞敏　江茂旺　張澤凌　韓慶喜

（寧波大學(xué)海洋學(xué)院，寧波 315211）

梁晶晶蔣霞敏江茂旺張澤凌韓慶喜

（寧波大學(xué)海洋學(xué)院，寧波 315211）

為了探究固定化微綠球藻（Nannochloropsis oculata）去除污水中NH+4-N、PO34--P的效果，采用海藻酸鈉固定化包埋技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。開(kāi)展了固定化藻球大小、藻細(xì)胞包埋密度、藻球投放質(zhì)量及充氣培養(yǎng)條件對(duì)NH+4-N、PO3--P去除效果的單因子試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，固定化藻球大小、藻細(xì)胞包埋密度、藻球投放質(zhì)

微綠球藻；固定化；NH4+-N；PO34--P；去除率

微藻是一類原始且分布廣泛的營(yíng)光合自養(yǎng)、異養(yǎng)或兼養(yǎng)的低等植物，一般要借助顯微鏡才能觀察到其細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)［1］； 其生長(zhǎng)迅速，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，產(chǎn)量高效，含有許多陸地生物所缺乏的特殊生物活性物質(zhì)，如EPA、DHA、蝦青素等［2—5］。微藻固定化技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，在環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用于廢水處理和生物監(jiān)測(cè)，具有藻細(xì)胞密度高、反應(yīng)速度快、固液分離效果好、運(yùn)行穩(wěn)定性高等［6，7］特點(diǎn)。固定化藻類處理廢水不僅反應(yīng)速度快、去除效率高，還可以實(shí)現(xiàn)廢水資源的再生利用：一方面，經(jīng)過(guò)處理的廢水可作為工農(nóng)業(yè)用水而重新加以利用； 另一方面，處理后的固定化藻細(xì)胞易于收獲，進(jìn)行加工生產(chǎn)，不僅避免產(chǎn)生二次污染，還可以加以綜合利用。影響固定化微藻生長(zhǎng)和NH+4-N、PO34--P去除效率的因素可分外部因素和內(nèi)部因素，內(nèi)部因素主要是藻種本身生理特征的差異造成； 外部因素主要包括溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)條件、藻球規(guī)格大小、藻細(xì)胞包埋量、藻球用量等方面［8］。

微綠球藻（Nannochloropsis oculata）是一種較常見(jiàn)的單細(xì)胞海洋微藻，其細(xì)胞壁極薄且富含EPA，廣泛應(yīng)用于蝦類、蟹類、貝類等的育苗及輪蟲(chóng)、鹵蟲(chóng)等培養(yǎng)。蔣霞敏［9］研究表明微綠球藻具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，繁殖速度快，且不易老化污染的優(yōu)點(diǎn)，能吸收水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給自身生長(zhǎng)需要。關(guān)于固定化微綠球藻研究鮮有報(bào)道，僅見(jiàn)鄭蓮等［10］和黃翔鵠等［11］將固定化微綠球藻引入對(duì)蝦養(yǎng)殖水體，能有效降低水體中氨氮、亞硝酸氮等有害因子的濃度，同時(shí)能抑制弧菌的生長(zhǎng)，提高水中溶解氧含量，使水體長(zhǎng)時(shí)間保持較好的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。本文以微綠球藻為藻種，采用海藻酸鈉包埋進(jìn)行固定化，進(jìn)行了不同藻球規(guī)格，藻細(xì)胞密度，藻球投放質(zhì)量以及培養(yǎng)條件對(duì)固定化微綠球藻生長(zhǎng)、NH+4-N和PO34--P凈化效果的試驗(yàn)，為固定化微綠球藻應(yīng)用于污水處理提供一定的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

試驗(yàn)藻種微綠球藻來(lái)自寧波大學(xué)海洋學(xué)院餌料生物實(shí)驗(yàn)室。培養(yǎng)液配方采用改良的寧波大學(xué)3#母液（表1），加入量母液與海水體積比為1 ：1 000。培養(yǎng)用水采用象山港天然海水，經(jīng)沙濾、暗沉淀、脫脂棉過(guò)濾和燒開(kāi)冷卻； 藻種置于GXZ智能型光照培養(yǎng)箱（寧波江南儀器廠）培養(yǎng)，培養(yǎng)條件：溫度（25±1）℃，鹽度25，光照強(qiáng)度80 μmol/（m2·s），pH 7.86，光暗周期12h ：12h，不充氣。為防止使用實(shí)際污水中的某些化學(xué)物干擾測(cè)定結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)采用了人工模擬污水，即在缺氮3#母液內(nèi)加一定量的NH4Cl配制成人工污水備用（NH+4-N含量17 m g/L）。

藻球制作方法：將處于指數(shù)生長(zhǎng)期的微綠球藻離心濃縮（4000 r/min，10min）兩次，取一定體積的藻細(xì)胞濃縮液與預(yù)先滅菌的5%海藻酸鈉溶液按照1 ：1均勻混合，形成海藻酸鈉和微藻的混合液； 用注射器吸取混合液，并套上20#針頭，在預(yù)冷的2% CaCl2溶液距離液面20 cm處，滴入混合液即形成直徑（3.5 mm）的小球，藻球在CaCl2溶液中靜置3h后取出，用消毒海水洗滌2—3次備用。

脫固定化方法：在測(cè)定固定化藻細(xì)胞密度時(shí)需先脫固定化，將固定化藻球放入盛有一定量3%的檸檬酸三鈉（Na3C6H5O7）化解液中，搖動(dòng)，直至固定化藻球完全溶解成懸浮狀，再計(jì)數(shù)測(cè)定藻細(xì)胞密度。

表1　改良的寧波大學(xué)3#母液配方Tab. 1　Composition of modified 3# culture medium

1.2試驗(yàn)方法

1.3檢測(cè)方法

相對(duì)增長(zhǎng)率 K 值，計(jì)算公式為：K=（lg Nt-lg N0）/T，式中，N0為培養(yǎng)的起始濃度，Nt為培養(yǎng) t 時(shí)間后的濃度，t為培養(yǎng)時(shí)間。

標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=5.8899x-0.0094，R2= 0.9992。

標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y=2.7418x-0.0034，R2=0.999

氮磷的去除率R按下式計(jì)算：R=（C0-Ct）/Ct× 100%，式中：R表示去除率（%）； C0和Ct分別表示各種形態(tài)氮磷的初始濃度和各取樣時(shí)段濃度（mg/L）。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)、圖表用Excel進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)分析運(yùn)用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)分析，并采用Duncan多重比較，差異顯著水平為P＜0.05。

2　結(jié)果

藻球直徑大小對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率（K值）影響顯著（P＜0.05），隨著固定化藻球直徑增大K值呈先升高后降低趨勢(shì)，在藻球直徑3.5 mm時(shí)，K值最大（0.332±0.002），顯著高于（除藻球直徑3.0 mm外）其他各組（圖1）。

圖1　不同藻球直徑對(duì)微綠球藻生長(zhǎng)的影響Fig. 1　Effects of different size of immobilized algal balls on the growth of Nannochloropsis oculata同行數(shù)據(jù)肩標(biāo)無(wú)字母或相同字母表示差異不顯著（P＞0.05），不同小寫(xiě)字母表示差異顯著（P＜0.05）； 下圖同In the same rowzvalucs with no letter or the same letter superscripts mean no significant difference（P＞0.05），while with different small letter superscripts mean significant difference（P＜0.05）； The same applies below

不同藻細(xì)胞包埋密度對(duì)K值影響顯著（P＜0.05），隨著藻細(xì)胞包埋密度增加，K值逐漸降低，在包埋密度100×104cells/ball時(shí)K值最大（0.330±0.033）（圖3）。

圖2　不同藻球直徑對(duì)微綠球藻NH+4-N，　34--P去除效果的影響Fig. 2　Effects of different size of immobilized algal balls on theN　H+4-N，　34--P removal efficiency by Nannochloropsis oculata圖例單位：mm　Legend unit：mm

圖3　不同藻細(xì)胞包埋密度對(duì)固定化微綠球藻生長(zhǎng)的影響Fig. 3　Effects of different density of algal cells embedded on growth of immobilized Nannochloropsis oculata

水體中藻球不同投放量對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率（K值）影響顯著（P＜0.05），隨著藻球用量的增加K值下降（圖5）。在藻球投放質(zhì)量為10 g/L時(shí)K值達(dá)最大為（0.301±0.021）。

圖4　不同藻細(xì)胞包埋密度對(duì)固定化微綠球藻NH+4-N，34--P去除率的影響Fig. 4　Effects of different density of algal cells embedded on immobilized Nannochloropsis oculataNH+4-N，　34--P removal efficiency圖例單位為：×104cells/ball　Legend unit：×104cells/ball

+表2　不同藻細(xì)胞密度第1天和單位密度吸收NH+4-N效果對(duì)比Tab. 2　Contrast ofN　H4-N absorption of Nannochloropsis oculata in different densities at first day and unit density

+表2　不同藻細(xì)胞密度第1天和單位密度吸收NH+4-N效果對(duì)比Tab. 2　Contrast ofN　H4-N absorption of Nannochloropsis oculata in different densities at first day and unit density

初始密度Preliminary density（×104cells/ball）最終密度Final density（×104cells/ball）100　16.99±0.43c　0.169±0.004　 3.98±2.28d　0.039±0.023a　1110 300　 21.49±1.89ab　0.071±0.006　10.94±3.11c　0.036±0.010b　1137.5 500　 19.24±3.77bc　0.038±0.007　10.45±1.49c　0.021±0.003c　1762.5 700　 21.49±0.43ab　0.030±0.001　21.39±1.49b　 0.028±0.002cd　2025 900　25.24±1.15a　0.028±0.001　24.38±2.28a　0.027±0.002d　2037.5第1天去-N率Assimilation ratio at first day（%）NH+4單位密度去-N率Assimilation ratio at unit density（%/104cells）NH+4第1天去-P率Assimilation ratio at first day（%）3-4單位密度去-P率Assimilation ratio at unit density（%/104cells）3-4

圖5　不同投放質(zhì)量對(duì)固定化微綠球藻生長(zhǎng)的影響Fig. 5　Effects of different dosages of algae balls on immobilized Nannochloropsis oculata growth

圖6　不同投放質(zhì)量對(duì)固定化微綠球藻NH+-N，　34--P去除率的影響4Fig. 6　Effects of different dosages of algae balls on immobilized Nannochloropsis OculataN　H+-N，　34--P removal efficiency4圖例單位：g/L　Legend unit：g/L

充氣培養(yǎng)對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率（K值）影響顯著（P＜0.05），充氣培養(yǎng)條件下藻細(xì)胞K值為（0.306±0.006）；不充氣組K值為（0.177±0.010），顯著低于充氣組（圖7）。

圖7　充氣培養(yǎng)對(duì)固定化微綠球藻生長(zhǎng)的影響Fig. 7　Effects of aerated cultures on immobilized Nannochloropsis Oculata growth

充氣培養(yǎng)對(duì)藻細(xì)胞氮磷去除率影響顯著影響顯著（P＜0.05）。第7天充氣組去除率為（85.93±0.45）%顯著高于不充氣組（49.32±0.45）%。充氣培養(yǎng)對(duì)藻細(xì)胞氮磷去除率影響顯著影響顯著（P＜0.05）。第7天充氣組去除率為（66.66±5.00）%顯著高于不充氣組（46.29±2.12）%（圖8）。

圖8　充氣培養(yǎng)對(duì)固定化微綠球藻NH+-N，　34--P去除率的4影響Fig. 8　Effects of aerated cultures on immobilized Nannochloropsis OculataN　H+-N，　34--P removal efficiency4

3　討論

固定化藻球的制作工藝對(duì)污水的處理密切相關(guān)，其中藻球直徑大小對(duì)藻細(xì)胞生長(zhǎng)速率（K值）影響差異顯著（P＜0.05），本研究表明隨著固定化藻球直徑增大K值呈先升高后降低趨勢(shì)，在藻球直徑3.5 mm時(shí)K值最大（0.332±0.002）。隨著固定化藻球直徑增大，NH+4-N和PO34--P去除率以藻球直徑3.5 mm組效果最佳，這與袁冰等［12］的研究結(jié)果一致，在一定直徑范圍內(nèi)藻球生長(zhǎng)及NH+4-N和PO34--P去除率均是先升高后降低的趨勢(shì)； 這與楊海波等［13］的隨著藻球直徑越大藻球生長(zhǎng)量越大結(jié)果不同，可能是藻球越小，制備過(guò)程交聯(lián)程度越大，藻球結(jié)構(gòu)越致密，傳質(zhì)性能受到影響； 隨著藻球直徑增大，藻細(xì)胞在藻球中分布不均勻，外部藻細(xì)胞對(duì)藻球內(nèi)部有一定遮蔽作用，同時(shí)隨著藻球直徑增大，藻球通透性逐漸降低，藻球內(nèi)細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)不足，生長(zhǎng)環(huán)境較差等，對(duì)藻細(xì)胞的增值生長(zhǎng)及氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收有一定阻礙作用。

水中投放固定化藻球的多寡直接影響污水處理效果，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明投放不同質(zhì)量藻球?qū)潭ɑ迳L(zhǎng)及NH+4-N和PO34--P去除效果影響差異顯著（P＜0.05）。藻球投放量大，生長(zhǎng)速率減小，NH+4-N和PO34--P去除速率卻增加。這與高鵬等［17］的觀點(diǎn)相吻合，固定化微藻投入量的增加，能一定效果提高NH+4-N和PO34--P去除速率，但是隨著固定化藻球用量達(dá)到一定值后，NH+4-N和PO34--P去除速率并不會(huì)相應(yīng)提高，這種情況會(huì)造成藻球的浪費(fèi)，在實(shí)際應(yīng)用中，藻球與污水應(yīng)有一個(gè)最佳比例值，這樣既能縮短污水凈化時(shí)間，又能節(jié)約成本。這是由于污水中隨著藻球投放量加大，有效藻細(xì)胞數(shù)目也多，參與反應(yīng)的藻細(xì)胞數(shù)目多，對(duì)氮磷吸收的量大大增加，所以在短時(shí)間內(nèi)去除NH+4-N和PO3--P的效果就

4好； 但藻球用量過(guò)多，不但藻球之間相互遮擋，對(duì)光照利用效率降低，光合作用降低，細(xì)胞生長(zhǎng)速率也相應(yīng)降低［16］； 而且藻球用量過(guò)大，制作藻球的成本就大大增加，處理污水就會(huì)得不喪失。

充氣與否對(duì)固定化藻去氮除磷密切相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，充氣培養(yǎng)對(duì)固定化微綠球藻生長(zhǎng)速率（K值）及氮磷去除速率影響差異顯著（P＜0.05）。在相同培養(yǎng)時(shí)間，充氣培養(yǎng)條件下固定化微綠球藻生長(zhǎng)速率和氮磷去除率均高于不充氣條件。韓婷婷等［18］研究充氣培養(yǎng)能顯著提高半頁(yè)馬尾藻（Sargassum hemiphyllum）生長(zhǎng)速率及活性磷吸收效果； 滕懷麗等［19］研究表明，充氣培養(yǎng)能顯著提高鹽藻（Dunaliella salina）的生長(zhǎng)速率以及其對(duì)培養(yǎng)液中氮的吸收速率； 這與本實(shí)驗(yàn)觀點(diǎn)一致，充氣培養(yǎng)能顯著提高藻的生長(zhǎng)速率和氮磷去除效果。Svensen等［20］發(fā)現(xiàn)輕微的攪動(dòng)促進(jìn)浮游植物的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)率高于完全靜止培養(yǎng)的浮游植物。海藻光合生長(zhǎng)消耗水體中大量的無(wú)機(jī)鹽并釋放大量的氧，水體pH 升高，CO2等碳源供應(yīng)不足引起藻體的最大光合作用能力下降［21，22］。充氣培養(yǎng)條件下促進(jìn)空氣中CO2進(jìn)入藻類培養(yǎng)水體［23］，向水體中及時(shí)補(bǔ)充藻體光合生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)碳源，調(diào)節(jié)水體pH，促進(jìn)藻體光合固碳，從而加速藻體的生長(zhǎng)［24］。同時(shí)，充氣加快藻體表面周圍的營(yíng)養(yǎng)鹽交換，促進(jìn)海藻同化吸收 N、P 營(yíng)養(yǎng)鹽，為藻體光合作用和生長(zhǎng)提供有利的條件。

4　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)固定化微綠球藻不同規(guī)格、不同藻細(xì)胞包埋密度、不同藻球投放質(zhì)量和充氣培養(yǎng)進(jìn)行了NH+4-N、PO34--P去除效果優(yōu)化研究，得到最優(yōu)條件為：固定化微綠球藻應(yīng)進(jìn)行充氣培養(yǎng)，藻球規(guī)格3.5 mm、藻細(xì)胞包埋密度100×104cells/ball、藻球投放量30 g/L。

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STUDY ON REMOVAL RATE OF NH4+-N AND PO43--P BY IMMOBILIZED NANNOCHLOROPSIS OCULATA

LIANG Jing-Jing，JIANG Xia-Min，JIANG Mao-Wang，ZHANG Ze-Ling and HAN Qing-Xi
（School of Marine Sciences，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Microalgae Nannochloropsis oculata，immobilized with sodium alginate，was used to explore its removal efficiency ofNH+4-N andPO34--P from artificial sewage water. Algae ball size，cell densities，dosages of algae balls，and aeration cultured were applied in the single-factor. The results showed that all these conditions significant impact the removal of ofNH+4-N andPO34--P. The growth rate of K value achieved the highest value（0.332±0.002） when the diameter was 3.5 mm； the removal rate ofNH+4-N andPO34--P were the highest one at the diameter was 3.5 mm，which were（75.08±3.83）% and（80.80±3.81）%，respectively. The maximum of the growth K values was（0.330±0.033） with the density of 100×104cells/ball. The highestNH+4-N andPO34--P removal rate were（87.20±0.43）% and（82.58±1.72）%，respectively，at the group of 300×104cells/ball； however，100×104cells/ball was the optimal algal cell density based on unit algal cells removal ratio ofNH+4-N andPO34--P. The increased algae balls dosages decreased the growth rate of K values. 10 g/L group had the maximum K values（0.301±0.02） and 50 g/L had the minimum K values（0.193±0.01）. The removal rates ofNH+4-N were（84.12±0.78）% and（84.63±0.45）% when the dosage was 30 g/L and 50 g/L，respectively. 30 g/L group had the highestPO34--P removal rate（77.13±1.43）%. Combined analyses revealed that 30 g/L was optimum for the dosages of algae balls. The K value，the removal ofNH+4-N andPO34--P were significantly（P＜0.05） higher with aeration than non-aerated； K values were（0.306±0.006） and（0.177±0.010），respectively；NH+4-N removal rates were（85.93±0.45）% and（49.32±0.45）%，respectively；PO34--P removal rates were（66.66±5.00）% and（46.29±2.12）%，respectively. This study optimized the conditions of immobilized microalgae Nannochloropsis oculata：immobilized Nannochloropsis oculata should be aerated cultures； algae ball size was 3.5 mm； the algal cell density was 100×104cells/ball； and the dosage of algae balls was 30 g/L.

Nannochloropsis oculata； Immobilization；NH+4-N；PO34--P； Removal rate

Q142

A

1000-3207（2016）05-1033-08

10.7541/2016.134

2016-01-11；

2016-04-10

國(guó)家海洋公益項(xiàng)目（201305022）； 浙江省公益項(xiàng)目（2015C3204）； 寧波市科技項(xiàng)目（2015C10062）寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2011B81003）資助 ［Supported by the Nonprofit Research Project for the State Oceanic Administration（201305022）； Nonprofit Research Project of Zhejiang Province（2015C3204）； Project of Science and Technology of Ningbo City（2015C10062）； the Innovative Group of Ningbo City（2011B81003）］

梁晶晶（1990—），女，河南開(kāi)封人； 碩士； 主要研究方向?yàn)槲⒃迳鷳B(tài)學(xué)。E-mail：1245558982@qq.com

蔣霞敏（1957—），女，E-mail：jiangxiamin@nbu.edu.cn