2022, Vol. 46
文章信息
- 宋元照, 李佳蕙, 董晓晓, 杜文勇, 姜海滨, 李贤, 李军. 2022.
- SONG Yuan-zhao, LI Jia-hui, DONG Xiao-xiao, DU Wen-yong, JIANG Hai-bin, LI Xian, LI Jun. 2022.
- 小球藻对不同盐度海水养殖尾水的净化效果研究
- Study on the purification effect of Chlorella salina on mariculture wastewater at different salinities
- 海洋科学, 46(11): 126-138
- Marina Sciences, 46(11): 126-138.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20220525005
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文章历史
- 收稿日期：2022-05-25
- 修回日期：2022-06-27
2. 山东省海洋资源与环境研究院, 山东 烟台 264006;
3. 中国海洋大学 水产学院, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院 海洋研究所, 山东 青岛 266071
2. Shandong Marine Resource and Environment Research Institute, Yantai 264006, China;
3. Fisheries College, Ocean University of China, Qingdao 266001, China;
4. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
在当前生态文明建设、水产养殖绿色健康发展的国家方针政策的指导下, 高效处理海水养殖尾水并达到排放标准[1]是保障水产养殖产业健康发展的关键。海水养殖尾水中含有较高浓度的有机物和N、P营养盐, 具有排放水量大、盐度高等特点[2-3]。近年来, 随着海水养殖业的快速发展, 大量未经处理的养殖尾水直接排放到周围环境中, 导致海洋环境恶化[4-5]。为有效治理养殖尾水污染, 防止养殖水体富营养化及赤潮等灾害的发生, 国内外学者针对水质调控开展了大量的研究工作[6-8]。物理法可滤除大颗粒悬浮物, 但无法深度处理养殖尾水; 化学法须注意药剂残留及副产物问题[9]; 生物法对无机营养盐的去除效果有限[10]; 微藻能够高效利用水体中的氮磷营养盐、净化养殖水体、在养殖尾水中生长迅速, 回收的藻类生物质可用于开发生物燃料等高价值产品, 是一种优良的生态处理方法[10-11]。
丁一等[12]对比了固定化海水小球藻(Chlorella salina)和悬浮藻液对海水养殖尾水的处理效果, 发现固定化小球藻对氮磷去除效果更好, 将固定化藻球应用于光生物反应器可去除84.49%和72.17%的氨氮和磷酸盐。对比不同接种浓度(0.1、0.2、0.3和0.4 g/L)海水小球藻对海水养殖尾水的去除效果, 结果表明0.2 g/L组小球藻生长状况最好, 且对总溶解态氮(total dissolved nitrogen, TDN)和总溶解态磷(total dissolved phosphorus, TDP)的去除率最高, 分别为66.4%和94.3%[13]。现今国内外研究主要涉及不同种类微藻[14]、光生物反应器[15-16]、藻菌共生[17-18]和固定化技术[12, 19]等对水产养殖尾水的处理, 而对海水养殖尾水的研究较少。海水养殖水体因养殖对象的适盐范围不同而具有不同的盐度差异, 如凡纳滨对虾和斑节对虾养殖尾水盐度分别为20和21~24[20-21], 红鳍东方鲀适宜盐度范围为15~35[22], 对一定盐度范围内的海水养殖尾水的研究较为匮乏, 对不同接种密度微藻处理一定盐度范围内的海水养殖尾水的研究甚少。
本研究以小球藻为研究对象, 将其接种于16和26海水养殖尾水中, 分析小球藻在两种盐度海水养殖尾水中的生长状况, 对比不同接种密度小球藻对海水养殖尾水中氮、磷的去除效果。旨在确定最佳藻接种密度, 为小球藻处理海水养殖尾水提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 藻种的制备试验藻种海水小球藻(编号: ToCL007)由中国水产科学院黄海水产研究所提供, 适应盐度为16。试验前, 将藻种接入250 mL锥形瓶(含有100 mL的16‰灭菌f/2培养基)中, 进行扩大培养, 生长7~8 d后, 将藻液分别转移至16‰和26‰海水f/2培养基, 进行16‰和26‰的扩繁和盐度驯化培养。每7~8 d转接1次, 共转接3~4次, 待小球藻处于对数生长期, 且藻数目达到试验要求时, 即可作为试验藻种, 离心(5 000 r/min, 4 ℃, 10 min)浓缩备用。
1.1.2 海水养殖尾水基于前期对海水养殖尾水的调查测定, 配置了模拟养殖尾水, 高温高压灭菌后冷却至室温待用, 水质指标如表 1所示。
| 项目 | 水质指标 | |
| 16‰ | 26‰ | |
| NH4+(mg/L) | 1.18±0.02 | 1.18±0.05 |
| NO2–(mg/L) | 0.21±0.01 | 0.21±0.01 |
| NO3–(mg/L) | 7.39±0.06 | 7.41±0.29 |
| PO43–(mg/L) | 1.77±0.09 | 1.76±0.10 |
| TDN(mg/L) | 10.83±0.42 | 10.86±0.58 |
| TDP(mg/L) | 2.06±0.09 | 2.07±0.09 |
| COD(mg/L) | 10.77±0.31 | 10.51±0.47 |
| pH | 8.0 | 8.0 |
| DO(mg/L) | 5.9 | 5.6 |
| 电导率(mS/cm) | 24.61 | 34.92 |
试验组共设9组, 分为16和26两个盐度及空白对照组, 每个盐度组设4个藻浓度梯度, 分别为5× 105、1×106、2×106和3×106个/mL。每组设3个平行。在1 000 mL锥形瓶中加入500 mL模拟养殖尾水, 分别接入不同浓度的小球藻, 使锥形瓶中的初始藻数目分别达到5×105、1×106、2×106、3×106个/mL, 16‰系列表示为16 S-LD(5×105, Low Density)、16 S-MD(1× 106, Medium Density)、16 S-HD(2×106, High Density)和16 S-MAD(3×106, Maximum Density), 对照组表示为16 S-Control; 26‰系列表示为26 S-LD、26 S-MD、26 S-HD和26 S-MAD, 对照组表示为26 S-Control。
1.3 培养条件及指标测定所有处理组锥形瓶在光照培养箱中连续培养, 设置温度为25 ℃, 光照强度4 600 lx, 光暗比为24 h: 0 h进行培养。试验持续72 h, 每隔8 h取样45 mL, 测定藻液光密度OD750和叶绿素a等藻生长指标, 经0.45 μm滤膜过滤后测定氨氮、亚硝态氮、硝态氮、磷酸盐、总氮和总磷等水质指标。
氨氮、亚硝态氮、硝态氮和磷酸盐测定分别采用次溴酸钠氧化法、萘乙二胺分光光度法、紫外分光光度法和磷钼蓝分光光度法[23], 总氮和总磷测定采用联合消化法[24]。DO、pH和电导率测定采用YSI Professional Plus型水质分析仪, 藻计数使用光学显微镜(XSP-BM-8ACS, 彼爱姆)和血球计数板。
1.4 数据分析采用Microsoft Office ExcelTM处理数据, 使用SPSS Statistics 24.0对水质指标进行单因素方差分析(one-way ANOVA), P < 0.05为差异显著, 试验制图采用Originlab Origin Pro 2021TM。比生长速率公式如下:
| $ K=\frac{\ln N_t-\ln N_0}{t}, $ | (1) |
式中, K为比生长速率(单位为d–1), N0是初始藻细胞密度(个/mL), Nt是t时间后的藻细胞密度(个/mL), t为培养时间(d)。
营养盐去除率(R)计算公式如下:
| $ R=\frac{C_0-C_t}{t}, $ | (2) |
C0和Ct分别为营养盐初始浓度和t小时之后的质量浓度(mg/L)
叶绿素a测定参照RITCHIE[25]的公式, 如下:
| $ \text { Chl } a=0.0604 \times \mathrm{A}_{632 \mathrm{~nm}}-4.5224 \times \mathrm{A}_{649 \mathrm{~nm}}+ \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;13.2969 \times \mathrm{A}_{665 \mathrm{~nm}}-1.7453 \times \mathrm{A}_{696 \mathrm{~nm}}. $ | (3) |
由图 1可知, 在72 h的培养期中, 小球藻的OD750值和叶绿素a含量显著增加(P < 0.05), 且没有明显的停滞期, 表明在不同盐度、不同接种密度条件下, 小球藻均能快速适应, 且生长良好。如图 2(a)所示, 16 S中LD、MD、HD和MAD各组间的比生长速率均有显著性差异(P < 0.05), 且随着接种密度的升高, 小球藻比生长速率逐渐下降, 各组比生长速率分别为0.612、0.505、0.360和0.272/d。藻接种密度和比生长速率的相关性分析显示两者呈显著负相关(r= –0.989, P < 0.05), 26 S中各组间比生长速率也是如此(r= –0.975, P < 0.05), 各组比生长速率分别为0.648、0.512、0.412和0.312/d。这一结果表明, 低接种密度有利于小球藻在养殖尾水保持较高的比生长速率。
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| 图 1 不同接种密度小球藻在海水养殖尾水中的OD750值(a)和叶绿素a浓度(b)变化特征 Fig. 1 OD750 (a) and chlorophyll-a concentration (b) of C. salina with different inoculation densities in the mariculture wastewater 16 S-LD, 16 S-5×105组; 16 S-MD, 16 S-1×106组; 16 S-HD, 16 S-2×106组; 16 S-MAD, 16 S-3×106组; 26 S-LD, 26 S-5×105组; 26 S-MD, 26 S-1×106组; 26 S-HD, 26 S-2×106组; 26 S-MAD, 26 S-3×106组; 下同 16 S-LD, 16 S-5×105 group; 16 S-MD, 16 S-1×106 group; 16 S-HD, 16 S-2×106 group; 16 S-MAD, 16 S-3×106 group; 26 S-LD, 26 S-5×105 group; 26 S-MD, 26 S-1×106 group; 26 S-HD, 26 S-2×106 group; 26 S-MAD, 26 S-3×106 group; et sequential |
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| 图 2 不同接种密度小球藻在海水养殖尾水中的比生长速率(a)及相关性分析图(b) Fig. 2 Specific growth rates (a) and correlation analysis diagram (b) of C. salina with different inoculation densities in the mariculture wastewater |
如图 2(a)所示, 26 S中LD、HD和MAD组的比生长速率显著高于16 S中对应藻密度组(P < 0.05), 分别高出5.56%、10.44%和12.82%, 而两个盐度间MD藻密度的比生长速率无显著差异(P > 0.05)。金伟[26]指出在一定盐度范围内, 藻类增长随着盐度的升高而加快, 而超过一定范围后, 盐度越大, 藻生长越慢。
2.2 小球藻对NH4+-N的去除效果由图 3可知, 试验一开始16 S和26 S中各个藻密度组的NH4+-N浓度均显著低于对照组(P < 0.05), 其中16 S中各个藻密度组的NH4+-N浓度在48~56 h降至最低值, 26 S在16~24 h降至最低。72 h后, 16 S中LD、MD、HD和MAD组的NH4+-N去除率分别为85.03%、85.59%、85.87%和85.31%(表 2), 组间无显著性差异(P > 0.05); 72 h后, 26 S中LD、MD、HD和MAD组的NH4+-N去除率分别为86.92%、87.59%、88.16%和87.23%, 组间无显著性差异(P > 0.05)。由图 3可知, 几乎所有处理组均可实现NH4+-N的高效去除, 且藻初始接种密度对氨氮的最终去除率无显著影响。
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| 图 3 不同处理组对海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)氨氮的去除效果分析 Fig. 3 Ammonia nitrogen removal efficiencies of mariculture wastewater for salinities of 16 (a) and 26 (b) in different treatment groups |
| 初始接种密度 | 营养盐去除率/% | ||||
| 氨氮 | 硝态氮 | 总溶解态氮 | 磷酸盐 | 总溶解态磷 | |
| 16 S-LD | 85.03±0.48 a | 62.57±2.29 ac | 54.53±2.95 a | 79.38±1.75 a | 76.13±1.47 a |
| 16 S-MD | 85.59±0.00 abc | 61.66±3.48 ac | 57.64±1.09 a | 88.27±1.19 b | 86.07±1.95 b |
| 16 S-HD | 85.87±0.49 abc | 63.70±3.22 a | 55.53±1.93 a | 97.72±0.33 c | 98.31±0.72 cf |
| 16 S-MAD | 85.31±0.48 ab | 60.87±1.57 ac | 54.98±3.69 a | 99.71±0.06 c | 99.53±0.15 c |
| 26 S-LD | 86.92±2.12 bcd | 45.68±1.83 b | 44.23±0.52 b | 59.87±4.00 d | 63.72±1.71 d |
| 26 S-MD | 87.59±1.16 d | 57.79±3.18 c | 54.13±3.79 a | 91.25±0.72 b | 91.80±2.08 e |
| 26 S-HD | 88.16±0.30 d | 56.70±5.30 c | 54.62±4.70 a | 98.90±0.23 c | 96.83±0.43 f |
| 26 S-MAD | 87.23±0.24 cd | 56.99±2.78 c | 53.31±3.33 a | 99.05±0.06 c | 96.52±0.16 f |
| 注: 表中数值为平均值±标准差, 同一列右上角含有相同英文字母表示无显著差异(P＞0.05) | |||||
由于16 S中的各藻密度组的NH4+-N从56 h开始缓慢上升, 而26 S中的NH4+-N一直保持低浓度至试验结束, 使得同一藻密度组在两个盐度间对NH4+-N的去除率具有显著性差异(P < 0.05), 且26 S对NH4+-N的去除率整体高于16 S体系(表 2), 因此小球藻在26 S中的NH4+-N去除效果好于16 S中的去除效果。
2.3 小球藻对NO3–-N的去除效果由图 4可知, 所有藻密度组均表现出很好的NO3–-N去除能力。16 S中各藻密度组的NO3–-N浓度从24 h后开始显著下降(P < 0.05), 至72 h时LD、MD、HD和MAD组的NO3–-N去除率分别为62.57%、61.66%、63.70%和60.87%(表 2), 各组间没有显著差异(P > 0.05), 表明16 S中的藻初始接种密度对NO3–-N去除率无显著影响。26 S中的各藻密度组间NO3–-N开始下降的时间有差别, MAD组的NO3–-N从8 h后开始下降, MD和HD组的NO3–-N从16 h后开始下降, 而LD组的NO3–-N从24 h开始减少, 至72 h时LD、MD、HD和MAD组的NO3–-N去除率分别为45.68%、57.79%、56.70%和56.99%, 其中LD组对NO3–-N去除效果不佳, 去除率显著低于其余组别(P < 0.05); 而随着接种密度的升高, NO3–-N去除率并未表现出差异, 表明26 S中较高的藻初始接种密度对NO3–-N去除率无显著影响。从经济方面考虑, 在去除率无显著差异的情况下, 优先选择低接种密度, 因此16 S-LD、16 S-MD和26 S-MD组效果最好。
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| 图 4 不同处理组对海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)硝态氮的去除效果分析 Fig. 4 Nitrate nitrogen removal efficiency analysis of mariculture wastewater for 16 S (a) and 26 S (b) in different treatment groups |
试验结束时, 两个盐度中同一初始藻密度对NO3–-N的去除率显示, 26 S-LD组去除率显著低于16 S-LD组(P < 0.05), HD组也存在相同的现象(P < 0.05), 其余藻密度(MD和MAD)在两个盐度间对NO3–-N的去除率无显著性差异(P > 0.05)。如表 2所示, 16 S的NO3–-N去除率整体高于26 S, 表明小球藻在16 S中的NO3–-N去除效果好于26 S中的去除效果。
2.4 小球藻对NO2–-N浓度的影响从图 5可知, 16 S和26 S各藻密度组的NO2–-N浓度呈整体上升趋势。72 h后, 16 S中LD、MD、HD和MAD组的NO2–-N浓度分别由最初的0.209 mg/L上升至0.354、0.562、0.559和0.513 mg/L, 26 S中LD、MD、HD和MAD组分别由最初的0.198 mg/L上升至0.368、0.452、0.516和0.526 mg/L。表明小球藻在吸收营养盐的过程中, 水体中产生了NO2–-N的积累。
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| 图 5 不同处理组在海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)亚硝态氮的变化情况 Fig. 5 Changes of nitrite nitrogen in the mariculture wastewater for 16 S (a) and 26 S (b) in different treatment groups |
16 S和26 S中各藻密度组(LD、MD、HD和MAD组)对养殖尾水中TDN的去除效果如图 6所示。16 S中, TDN浓度从第0小时开始下降, 至试验结束时, LD、MD、HD和MAD组的TDN去除率分别为54.53%、57.64%、55.53%和54.98%, 各组间没有显著差异(P > 0.05), 表明16 S中的藻接种密度对TDN去除率无显著影响; 26 S中, TDN浓度从第0小时开始下降, 至试验结束时, LD、MD、HD和MAD组总氮去除率分别为44.23%、54.13%、54.62%和53.31%。其中MD组在16~ 56 h内去除效果不及其余各组, 但至试验结束时对TDN的去除率升至54.13%, 与HD和MAD组(去除率为54.62%)没有显著差异(P > 0.05)。LD组对TDN的去除率最低, 为44.23%(P < 0.05), 表明26 S中较高接种密度组对TDN的去除率没有差异, 因此从经济方面考虑, 16 S-LD、16 S-MD和26 S-MD组去除TDN效果最好。
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| 图 6 不同处理组对海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)总溶解态氮的去除效果分析 Fig. 6 Total dissolved nitrogen removal efficiency of mariculture wastewater for 16 S (a) and 26 S (b) in different treatment groups |
两个盐度下同一接种密度对TDN的去除率显示, 26 S-LD组的TDN去除率显著低于16 S-LD组(P < 0.05); 其余藻密度对TDN的去除率均无显著差异(P > 0.05), 表明小球藻在16 S和26 S中对TDN的去除效果相同。
2.6 小球藻对PO43–-P的去除效果对尾水中PO43–-P的去除结果显示(图 7), 各个藻密度组从试验开始即对PO43–-P表现出迅速吸收的趋势。至试验结束, 16 S中的LD、MD、HD和MAD藻密度组对PO43–-P的去除率分别为79.38%、88.27%、97.72%和99.71%(表 2), HD组和MAD组间无显著差异(P > 0.05), 且去除率均显著高于其余组别(P < 0.05), LD的PO43–-P去除率显著低于MD组(P < 0.05), 表明16 S中HD和MAD组的PO43–-P去除效果最好; 26 S的LD、MD、HD和MAD藻密度组对PO43–-P的去除率分别为59.87%、91.25%、98.90%和99.05%, HD和MAD组无显著性差异(P > 0.05), 且去除率均显著高于其余组别(P < 0.05), LD组的PO43–-P去除率显著低于MD组(P < 0.05), 即初始接种密度升高, PO43–-P去除率随之升高, 表明26 S中HD和MAD组的PO43–-P去除效果最好。
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| 图 7 不同处理组对海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)磷酸盐的去除效果分析 Fig. 7 Phosphate removal efficiency analysis of mariculture wastewater for 16 S (a) and 26 S (b) in different treatment groups |
两个盐度中同一藻密度组对PO43–-P的最终去除率显示, 16 S-LD组显著高于26 S-LD组(P < 0.05), 16 S-MD和26 S-MD组间无显著差异(P > 0.05), HD组和MAD组均存在相同的现象(P > 0.05), 表明在较高藻密度(MD、HD和MAD)下, 盐度对同一初始藻接种密度的PO43–-P去除率无显著影响。
2.7 小球藻对海水养殖尾水中TDP的去除效果如图 8所示, TDP下降趋势与PO43–-P下降趋势一致。72 h后, 16 S中的LD、MD、HD和MAD藻密度组对TDP的去除率分别为76.13%、86.07%、98.31%和99.53%, HD组和MAD组间无显著差异(P > 0.05), 且去除率均显著高于其余组别(P < 0.05), LD的TDP去除率显著低于MD组(P < 0.05), 表明16 S中HD和MAD组的TDP去除效果最好; 26 S中的LD、MD、HD和MAD组对TDP的去除率分别为63.72%、91.80%、96.83%和96.52%, HD和MAD组间无显著性差异(P > 0.05), 且去除率均显著高于其余组别(P < 0.05), LD组的TDP去除率显著低于MD组(P < 0.05), 表明26 S中HD和MAD组的TDP去除效果最好。
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| 图 8 不同处理组对海水养殖尾水16 S(a)和26 S(b)总溶解态磷的去除效果分析 Fig. 8 Total dissolved phosphate removal efficiency analysis of mariculture wastewater for 16 S (a) and 26 S (b) in different treatment groups |
对比两个盐度中同一藻密度组对TDP的去除率, 16 S-LD组TDP去除率显著高于26 S-LD组的去除率(P < 0.05), 16 S-MD组TDP去除率显著低于26 S-MD组, 16 S-HD和26 S-HD组间无显著性差异(P > 0.05), 16 S-MAD组TDP去除率显著低于26 S-MAD组, 表明较高接种密度(HD和MAD)下, 盐度变化没有对小球藻去除TDP产生影响。
3 讨论 3.1 不同接种密度对藻细胞生长的影响本研究中, 盐度和藻接种密度的变化未对小球藻生长造成影响, 该藻株在16和26尾水中均表现出良好的生长状况。16 S和26 S中, 随着藻初始接种密度的升高, 小球藻的比生长速率显著下降, 表明起始接种密度影响了小球藻的生长, 两者呈负相关关系。NASIR等[27]研究发现, 小球藻在初始接种浓度10%、20%和30%时的比生长速率较高, 而在40%、50%和60%时的比生长速率降低。LIU等[28]报道, 拟小球藻(Parachlorella kessleri TY)的最大比生长速率出现在25~100 mg/L接种浓度范围内, 显著高于200和400 mg/L的藻接种浓度, 与本研究结果趋势一致。本研究使用批次模式培养小球藻, 一个培养周期内尾水中的营养物质是有限的, 随着初始接种密度的升高, 藻对有限养分的竞争加剧, 抑制了藻生物量对氮磷营养盐的吸收同化, 致使高接种密度藻比生长速率下降[29-30]。低密度藻生长迅速, 在节省成本的同时可以获得较好的藻生长状况。
对比两个盐度中同一藻密度组的比生长速率, 除1×106组无显著差异外, 16 S体系中的其余藻密度组的比生长速率均低于26 S中的对应藻密度组(P < 0.05), 表明小球藻在26 S中的生长效果整体优于16 S。尽管有许多研究表明盐度升高抑制藻生长[31-33], 然而对于适盐范围广的藻而言, 在一定盐度范围内, 藻类增长随着盐度的升高而加快, 而超过一定范围后, 盐度越大, 藻生长越慢[26]。刘加慧等[34]的研究表明, 小球藻(Chlorella sp. CHX-1)比生长速率在15~ 30的盐度范围内随盐度升高呈上升趋势。MOHSENI等[35]发现, 在5~15 g/L总盐度(Total Dissolved Salinity, TDS)范围内, 微拟球藻(Nannochloropsis salina)的比生长速率(SGR)由0.24/d上升至0.30/d。本试验结果表明小球藻在16~26盐度范围内生长良好, 可应用于海水养殖尾水的生态处理。
3.2 不同接种密度小球藻对养殖尾水中NH4+-N的去除16 S和26 S各个藻密度组对NH4+-N展现了很高的去除率。至试验结束, 同一盐度(16 S或26 S)中不同接种密度小球藻对NH4+-N的去除率没有显著性差异(P > 0.05)。然而LIU等[28]的研究发现, 在25~ 400 mg/L拟小球藻接种浓度范围内, 100 mg/L组对NH4+-N的去除率最高, 从高浓度6.25 mg/L降至0.24 mg/L; 而庞昊[36]接种0.1、0.2、0.3和0.4 g/L海水小球藻处理海水养殖废水, 发现0.2 g/L组对废水中1 mg/L的NH4+-N去除效果最好。本试验结果与前人研究不一致, 可能是因为该株小球藻具有较强的NH4+-N去除能力, 且初始NH4+-N浓度较低。相比吸收其他形态的氮(如硝酸盐), 藻吸收NH4+-N消耗的能量最低, 因而吸收速率较快[37]。试验后期16 S体系养殖尾水的NH4+-N浓度有所上升, 26 S中的小球藻对NH4+-N的去除率整体高于16 S体系, 可能是因为使用微藻等生物方法去除营养盐的过程中会伴随生物体的衰亡[38], 实验过程中可能出现了部分藻的死亡分解而导致氨氮升高。
3.3 不同接种密度小球藻对养殖尾水中NO3–-N的去除由于藻细胞吸收NH4+-N所需的能量最少, 能量效率最高, 因此绝大部分藻类优先利用水体中的NH4+-N, 而NO3–-N吸收顺序在NH4+-N之后, 这是因为NO3–-N需通过酶还原为NO2–-N再还原成NH4+-N才能被同化利用[37, 39]。本研究中, 小球藻对3种形态氮的吸收具有明显的先后特性。首先是NH4+-N浓度快速下降, 而后开始吸收NO3–-N和NO2–-N。16 S中, NO3–-N从24 h开始下降, 此时各组NH4+-N浓度均已降至0.2 mg/L以下; 26 S体系中, 尽管各组NO3–-N下降时间不一致, 但NH4+-N浓度均降至0.2 mg/L以下后NO3–-N开始下降。
16 S和26 S各个藻密度组对NO3–-N展现了较高的去除率。16 S中不同接种密度小球藻对NO3–-N的去除率没有显著性差异(P > 0.05); 26 S体系中, 5×105组去除率显著低于其余组别(P < 0.05), 其余组间无显著性差异(P > 0.05)。表明小球藻的接种密度对NO3–-N的去除率没有显著影响。微藻同化吸收是去除水体中营养盐的主要途径, 因此微藻的生长是影响废水中营养物质去除的主要因素[40-41], 对比图 1、图 2和图 4可知, 尾水中NO3–-N的去除与小球藻生长明显相关, 因此可以推断小球藻的生长促进了NO3–-N的去除。对比两个盐度中同一藻密度组对NO3–-N的去除量, 除5×105个/mL组外, 其余组间对NO3–-N的去除率均无显著差异, 表明盐度变化对小球藻吸收NO3–-N无显著影响, 因此从经济方面考虑, 可选择低接种密度, 16 S-5×105、16 S-1×106和26 S-1×106组效果最好, 该株小球藻可以应用于16~26盐度范围内的养殖尾水的处理。
3.4 养殖尾水中NO2–-N浓度升高16 S和26 S中的不同藻密度组的NO2–-N从第8小时开始均明显上升, 这一结果与吴楠[42]的研究结果类似, 可能是小球藻对NO3–-N的利用转化造成的。藻细胞吸收NO3–-N需要通过硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶将其转化为NH4+-N才能被同化利用[39]。同时硝酸盐还原酶是一种底物诱导酶, 水体中高浓度的NO3–-N会导致藻体内的硝酸盐还原酶活性升高, 当硝酸盐还原酶形成的亚硝酸盐大于亚硝酸盐还原酶降低的亚硝酸盐时, 水体中亚硝酸盐就会发生积累[43-45]。本试验中NO2–-N持续上升至试验结束, 可能是因为试验时间较短, NO3–-N还未降至较低浓度, 而后藻细胞才能大量吸收利用NO2–-N。马红芳等[44]利用栅藻处理水产养殖废水时发现, 随着NO3–-N浓度的降低, 试验第8天后, 废水中试验前期所积累的NO2–-N含量迅速降低, 至第16天试验结束时NO2–-N已降至0.07 mg/L。
3.5 不同接种密度小球藻对养殖尾水中TDN的去除各处理组对TDN的去除趋势与NO3–-N的一致, 即从试验开始至结束一直保持快速下降趋势, 最终16 S体系中各藻密度组的TDN去除率无显著差异, 26 S中除LD组外, MD、HD和MAD组的TDN去除率均较高, 且无显著差异。PANG等[13]接种不同浓度(0.1、0.2、0.3和0.4 g/L干质量)海水小球藻, 其中0.2 g/L组的TDN去除率显著高于其余组别, 本试验结果与其不一致, 可解释为本试验所用小球藻不同于前人所用藻, 且营养物质的去除与生物量增长密切相关[38], 表明小球藻的生长促进了TDN的去除。
对比两个盐度中同一藻密度组对TDN的去除率, 除16 S-5×105组去除率显著高于26 S-5×105组外, 其余各组间均无显著差异(P > 0.05), 表明盐度变化对小球藻吸收TDN无显著影响, 并可选择合适的接种密度(1×106和2×106个/mL)处理16‰和26‰海水养殖尾水。
3.6 不同接种密度小球藻对磷的去除尾水中磷浓度在试验初期呈快速下降趋势(图 7、图 8)。16 S中, 各接种密度组对PO43–-P的去除率为79.38%~99.71%, 对TDP的去除率为76.13%~ 99.53%; 26 S中, 各接种密度下的小球藻对PO43–-P的去除率为59.87%~99.05%, 对TDP的去除率为63.72%~96.83%(表 2)。随着藻接种密度的升高, 磷的去除率也随之升高, 表明藻初始接种密度的升高可促进尾水中磷的去除。吕俊平等[46]设置25、50、100、200和400 mg/L接种浓度绿球藻(Chlorococcum sphacosum GD)处理水产养殖废水, 其中100 mg/L接种浓度藻的总磷去除率最高, 为97.44%。NASIR等[27]研究发现, 相较于其他体积分数(10%、20%、40%和50%)的小球藻接种浓度, 30%接种浓度对PO43–-P去除率最高。本试验结果不同于前人的研究, 这是因为微藻对磷的吸收有两种机制, 分别为藻生物量的同化(例如磷脂等)和奢侈性吸收, 其中奢侈性吸收指的是微藻可以过量吸收PO43–-P, 并以聚磷酸盐的形式储存在细胞中[47-48]。已有研究发现在一些微藻中观察到了PO43–-P的过量吸收, 如栅藻(Scenedesmus sp.)、小球藻(Chlorella sp. KJ654316)和微拟球藻等[48-50]。本试验中可能存在奢侈性磷吸收现象, 同时小球藻生物量的增加促进了磷的同化。
本试验结果表明, 盐度变化对PO43–-P去除率无显著影响, 且在较高初始藻密度(2×106和3×106个/mL)下对TDP的去除率在96.52%~99.53%范围内, 盐度变化未对TDP去除造成影响。MOHSENI等[35]发现盐度升高(5~15 g/L TDS)并未导致微拟球藻对城市污水反渗透浓缩液中PO43–-P去除率的下降, 一方面是与NO3−和Cl−在高盐度水平(> 5 g/L TDS)的竞争相比, PO43−和Cl−离子的吸收不具有竞争性[51], 另一方面则是奢侈性吸收机制保证了盐度升高期间的磷吸收速率。
4 结论尽管有研究认为藻初始浓度越高, 氮磷去除速率越快、最终去除量也越高[52], 但本研究发现, 在低密度范围(5×105~1×106个/mL)内, 氮磷去除率会随着藻接种密度的升高而升高, 然而藻接种密度超过1×106个/mL后, 不同形态氮盐的去除率并未明显升高。因此需要选择合适的藻接种密度, 提高氮磷去除效果的同时节省成本。本试验结果表明, 初始接种密度为1×106个/mL(即MD组)时, 小球藻对海水养殖尾水中富营养化物质的去除效果优于其他接种密度的处理效果, 或在去除效果相同的情况下, 单位藻密度的处理效率更高, 因此以1×106个/mL作为小球藻接种的最佳密度, 其能够高效处理16~26盐度范围内的海水养殖尾水, 在吸收营养盐的同时高效积累生物质, 对小球藻用于海水养殖尾水的大规模处理很有裨益。
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