藻類(lèi)生物膜載體的優(yōu)選試驗(yàn)

張曉青， 成玉， 司曉光， 邱金泉， 曹軍瑞

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所， 天津 300192）

藻類(lèi)生物膜是指藻類(lèi)在靜電作用力或者胞外分泌物的粘附作用下附著在載體表面所形成的生物膜［1］。 藻類(lèi)生物膜技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的一種新型的污水處理技術(shù)， 它利用藻類(lèi)吸附固定到載體上形成高濃度生物量的特點(diǎn)， 提高對(duì)污水中氮、 磷等污染物的吸收和富集［2-5］。 與懸浮技術(shù)相比， 藻類(lèi)生物膜技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單， 運(yùn)行穩(wěn)定， 易培養(yǎng)收獲、固定載體可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)， 具有良好的應(yīng)用前景［6］。 大量研究表明， 利用藻類(lèi)生物膜技術(shù)可以有效去除環(huán)境中的氮、 磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)， 緩解水體的富營(yíng)養(yǎng)化［7-8］。 還有研究表明， 藻類(lèi)生物膜能夠適應(yīng)重金屬離子環(huán)境， 可以有效降低水體中重金屬離子的濃度， 達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。 高斌等［9］將柵藻固定在纖維材料上處理生活污水， 研究發(fā)現(xiàn)該藻類(lèi)生物膜系統(tǒng)對(duì)生活二級(jí)出水具有較好的脫氮除磷效果， 總磷和氨氮的質(zhì)量濃度降至0.11 mg／L 和0.04 mg／L。 劉翠霞等［10］研究了Zn2+對(duì)藻類(lèi)生物膜生長(zhǎng)特性的影響， 結(jié)果表明藻類(lèi)生物膜對(duì)Zn2+有一定的耐受性， 且質(zhì)量濃度為5 mg／L 的Zn2+對(duì)藻類(lèi)生物膜的生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用， 而藻體細(xì)胞合成的胞外多糖可與金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)， 降低水體中Zn2+含量。 此外， 藻類(lèi)生物膜技術(shù)還應(yīng)用于印染廢水［11］、 黑臭水體等［12］處理。

藻類(lèi)生物膜的制備是影響該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。研究表明， 藻類(lèi)生物膜脫氮除磷能力除了受藻類(lèi)的種類(lèi)影響外， 還與生物膜載體材料的性質(zhì)、 表面結(jié)構(gòu)、 表面粗糙度等直接相關(guān)［13］。 近年來(lái)， 已報(bào)道的藻類(lèi)生物膜研究集中在掛膜藻類(lèi)的優(yōu)選［14-15］、 藻類(lèi)生物膜的脫氮除磷效果［16］等方面， 掛膜載體方面研究較少［17］。 本研究選用較為常見(jiàn)6 種材料作為聚球藻和螺旋藻的生物載體， 通過(guò)比較不同材料的掛膜產(chǎn)量、 葉綠素含量及載體的掛膜穩(wěn)定性，對(duì)掛膜材料進(jìn)行優(yōu)選， 并對(duì)掛膜材料進(jìn)行紅外光譜表征， 篩選出最合適的生物膜載體， 為藻類(lèi)生物膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)藻種與載體

試驗(yàn)藻種為聚球藻（Synechococcus sp.）和螺旋藻（Spirulina sp.）。

選用4 種生活中常見(jiàn)布料， 包括搖粒絨（C57）、雙面絨（C6）、 小米通（C46）、 喬其紗（C12）， 以及污水處理中常用的立體彈性填料DBR-50 生物繩（C2）和生物簾（C1）作為受試材料， 將不同的載體材料剪成2 cm×2 cm 大小， 置于烘箱中（105 ℃）烘干4 h， 稱(chēng)重。 將載體加入三角瓶中， 121 ℃滅菌20 min， 備用。

1.2 培養(yǎng)基

聚球藻培養(yǎng)采用BG-11 培養(yǎng)基［18］， 螺旋藻培養(yǎng)采用CFTRI 培養(yǎng)基［19］。 培養(yǎng)條件： 溫度（25±1）℃， 光強(qiáng)3 000 Lx， 光暗比12 h ∶12 h。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 藻細(xì)胞掛膜固定試驗(yàn)

取20 mL 對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的藻液加入到裝有1 片滅菌處理載體的錐形瓶中， 使載體材料懸浮在藻液中， 置于光照培養(yǎng)箱中掛膜培養(yǎng)， 培養(yǎng)條件： 溫度（25±1）℃， 光強(qiáng)3000 Lx， 光暗比12 h ∶12 h。 每組試驗(yàn)重復(fù)1 次。 7 d 后載體取出， 測(cè)定掛膜產(chǎn)量及葉綠素產(chǎn)量。

1.3.2 載體重復(fù)試驗(yàn)

藻細(xì)胞掛膜固定試驗(yàn)完成后， 將載體上藻細(xì)胞刮除， 清洗干凈后滅菌烘干， 重復(fù)掛膜試驗(yàn)， 測(cè)定每次載體掛膜產(chǎn)量。

1.4 分析方法

掛膜產(chǎn)量測(cè)定采用重量法， 將掛膜后載體取出，放 入 培 養(yǎng)皿 中， 70 ℃烘 干 至 恒 重， 取 出 稱(chēng) 重［12］。葉綠素測(cè)定采用丙酮分光光度法測(cè)定［20］。 載體物化特性分析采用傅里葉-紅外光譜， 將6 種載體材料剪成1 cm×1 cm 放入烘箱（105 ℃）干燥48 h， 將制備好的固體樣品置于紅外光譜儀中測(cè)定， 掃描范圍為4 000 ～400 cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體的物化性質(zhì)

載體材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)部官能團(tuán)直接影響材料與藻體細(xì)胞的附著效果， 導(dǎo)致不同的產(chǎn)量。 載體材料的紅外光譜分析如圖1 所示。

圖1 載體材料的紅外光譜Fig. 1 FT-IR of carrier materials

從圖1 可以看出， 載體C6、 C57、 C46、 C12 具有相似的特征吸收峰， 主要特征吸收峰在1 800 ～600 cm-1區(qū)間有較大的重合， 所含官能團(tuán)基本一致。在波長(zhǎng)為1 713 cm-1處為羰基（C＝＝O）伸縮振動(dòng)引起的吸收峰， 1 500 ～1 300 cm-1之間的吸收峰是基團(tuán)中的亞甲基振動(dòng)引起的， 1 200 ～1 000 cm-1之間的吸收峰為苯環(huán)上C—O 鍵的伸縮振動(dòng)峰， 1 000 cm-1附近的吸收峰為C—Cl 鍵的伸縮振動(dòng)峰， 722 cm-1附近的吸收峰歸屬苯環(huán)上C—H 鍵面外的彎曲振動(dòng)［21］。 載體C2 在1 455 cm-1和1 375 cm-1有特征吸收峰， 為苯環(huán)和吡啶環(huán)中的C＝＝C 和C＝＝N 的伸縮振動(dòng)， 在3 000 ～2 800 cm-1特征吸收峰為甲基和亞甲基的C—H 伸縮振動(dòng)區(qū)。

2.2 藻類(lèi)生物膜載體的優(yōu)選

2.2.1 掛膜前后的載體情況

在7 d 連續(xù)培養(yǎng)中， 可以觀測(cè)到隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)， 藻類(lèi)生物膜逐漸加厚變綠。 對(duì)于聚球藻而言， 載體C1、 C2、 C6、 C57 掛膜效果較好， 藻類(lèi)生物膜生長(zhǎng)旺盛， 藻類(lèi)生物膜厚度分布均勻， 載體表面及內(nèi)部孔隙都附著大量的藻細(xì)胞； C12、 C46掛膜生長(zhǎng)狀況較差， 藻類(lèi)生物膜顏色為淺綠色， 表明載體上附著藻類(lèi)生物細(xì)胞較少。 螺旋藻的C1、C2 載體掛膜效果較好， 藻類(lèi)生物膜呈深綠色； C57和C6 藻類(lèi)生物膜也較厚， 但掛膜不均勻， 藻細(xì)胞聚集在一起； C12 和C46 藻細(xì)胞生長(zhǎng)狀況較差， 載體材質(zhì)分別為喬其紗和小米通， 喬其紗不易吸水，小米通的孔隙極大， 表面基本無(wú)藻類(lèi)生物膜形成。

2.2.2 不同載體上藻類(lèi)生物膜產(chǎn)量

2 種藻在不同載體上藻類(lèi)生物膜產(chǎn)量見(jiàn)圖2。從圖2 可知， 載體C2 藻類(lèi)生物膜產(chǎn)量最高， 聚球藻和螺旋藻產(chǎn)量分別為72.75 g／m2和57.75 g／m2，其次為C1。 這可能是因?yàn)镃1 和C2 為蓬松發(fā)散的特殊構(gòu)造， 具有較大的比表面積和良好的親水性能， 有利于增大藻細(xì)胞吸附量， 使得藻細(xì)胞迅速掛膜， 因此產(chǎn)量較高。 載體C6 和C57 為毛絨材料，這種表面絨毛的材料在反應(yīng)過(guò)程中吸附能力較強(qiáng)，因此負(fù)載效果較好。 親水性較差的C46 和C12 吸附能力弱， 掛膜效果不好， 產(chǎn)量較低。

圖2 不同載體上藻類(lèi)生物膜產(chǎn)量Fig. 2 Yield of algal biofilm on different carriers

2.2.3 葉綠素a 產(chǎn)量

葉綠素a 產(chǎn)量直接反應(yīng)浮游植物生物總量。 不同載體葉綠素產(chǎn)量見(jiàn)圖3。

從圖3 可以看出， 不同載體葉綠素a 的產(chǎn)量順序依次為C2 ＞C1 ＞C57 ＞C6 ＞C46 ＞C12。 載體C2的附著效果最好， 聚球藻和螺旋藻濃度均最高， 葉綠素a 產(chǎn)量分別為7.25 μg／cm2和6.45 μg／cm2， 這與藻類(lèi)生物膜產(chǎn)量的結(jié)論一致。 從圖3 還可以看出， 聚球藻的掛膜效果要優(yōu)于螺旋藻， 不同載體中聚球藻葉綠素a 的產(chǎn)量都高于螺旋藻。

2.2.4 載體重復(fù)性試驗(yàn)

圖4 聚球藻掛膜的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Experimental results of repeatability of biofilm formation of Synechococcus sp.

圖5 螺旋藻掛膜的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 5 Experimental results of repeatability of biofilm formation of Spirulina sp.

為考察載體可重復(fù)利用性， 降低經(jīng)濟(jì)成本， 將掛膜效果較好的載體C6、 C57、 C1、 C2 進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)， 對(duì)4 種載體材料掛膜重復(fù)效果進(jìn)行穩(wěn)定系分析， 結(jié)果如圖4、 圖5 所示。 從圖4 可以看出， C6 和C2 載體的3 次聚球藻產(chǎn)量比較穩(wěn)定，C1 和C57 穩(wěn)定性較差， C1 的最高產(chǎn)量為62.75 g／m2， 而最低僅為50.25 g／m2。 從圖5 可以看出， C2載體的螺旋藻產(chǎn)量比較穩(wěn)定， 且產(chǎn)量較高， 平均產(chǎn)量達(dá)57.66 g／m2， 其他3 種載體的產(chǎn)量不穩(wěn)定。 聚球藻的藻體細(xì)胞較小， 能在載體表面緊密、 集中排列， 而螺旋藻的藻體細(xì)胞較大， 呈螺旋狀結(jié)構(gòu)， 在載體表面分布較為分散， 導(dǎo)致掛膜不均勻［17］。

3 結(jié)論

（1） 載體材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu)直接影響藻體與載體的附著效果。 喬其紗、 搖粒絨、 雙面絨、 小米通、 生物繩和生物簾等6 種載體材料紅外光譜表征發(fā)現(xiàn)， 材料C1 與其他載體在官能團(tuán)特征吸收峰分布有一定差別。

（2） 不同材料掛膜效果差別較大， 喬其紗、 小米通在試驗(yàn)過(guò)程基本上不能形成藻類(lèi)生物膜， 其他4 種材料掛膜效果均較好。

（3） 聚球藻和螺旋藻在不同載體材料上的生物膜產(chǎn)量最高分別可達(dá)72.75 g／m2和57.75 g／m2， 葉綠素a 產(chǎn)量分別為7.25 μg／cm2和6.45 μg／cm2。

（4） 將掛膜效果較好的載體C6、 C57、 C1、C2 進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)， 對(duì)平均產(chǎn)量進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 結(jié)果表明2 種藻在生物繩（C2）掛膜產(chǎn)量都比較穩(wěn)定， 且產(chǎn)量較高， 可選為最佳材料。