常會(huì)慶,王世華,寇太記

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南洛陽 471003)

固定化光合細(xì)菌對(duì)水體富營養(yǎng)化的去除效果

常會(huì)慶,王世華,寇太記

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南洛陽 471003)

為了探索對(duì)富營養(yǎng)化水體的微生物修復(fù)方法,采用固定化光合細(xì)菌進(jìn)行人工模擬的富營養(yǎng)化水體處理試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,接種固定化光合細(xì)菌比對(duì)照可明顯地降低水體中的養(yǎng)分。19d的處理時(shí)間,TN、NH4-N、NO3-N、TP和COD的去除率分別達(dá)到了65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,78.06%,并且接種光合細(xì)菌對(duì)水體中的藻類也起到一定的抑制作用。接種光合細(xì)菌增加了水體的DO和pH值,同時(shí)也提高了硝化率以及光合細(xì)菌數(shù),而水體中這些因素的變化都與水體中養(yǎng)分的去除效果密切相關(guān)。因此富營養(yǎng)化水體修復(fù)中接種固定化光合細(xì)菌可以起到去除養(yǎng)分的目的。

富營養(yǎng)化;固定化光合細(xì)菌;養(yǎng)分去除

近年來,地表水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程已經(jīng)成為人們關(guān)注的問題之一[1],中國地表水體富營養(yǎng)化問題尤為突出,已威脅到飲用水的供應(yīng)和安全,即便在水源豐富的地區(qū)也由于水質(zhì)的下降導(dǎo)致淡水缺乏。美國2048個(gè)水體中,大約有61%的水體TN、TP含量沒有達(dá)到EPA標(biāo)準(zhǔn)[2]。我國污水處理廠的N、P排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)分別為15mL/L和1.5mL/L,也已經(jīng)超出地表三類水質(zhì)要求的30倍。如果這些污水沒有進(jìn)行深度處理就直接排出,勢(shì)必導(dǎo)致受納水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生,甚至?xí)鹪S多位于較偏僻山區(qū)作為飲用水源地的水庫發(fā)生富營養(yǎng)化現(xiàn)象[3-4]。因此,發(fā)展新的、投資較低的技術(shù)來去除污染水體中過量的養(yǎng)分是必要的,以便重新建立起一個(gè)健康并具有自凈能力的水生態(tài)系統(tǒng)。

光合細(xì)菌主要以游離細(xì)胞的形式被應(yīng)用。但是游離細(xì)胞在流水條件下易被水流沖走,在靜水條件下易被其他生物所食用,并且缺乏吸附和生長繁殖的載體時(shí)其難以穩(wěn)定地長期發(fā)揮功能。近年來,固定化細(xì)胞技術(shù)的興起為微生物的應(yīng)用增添了新的活力,固定化光合細(xì)菌的應(yīng)用研究已有許多報(bào)道[5-6],尤其在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)取得的成果引人注目,能起到凈化池塘水質(zhì)的效果[7-8]。應(yīng)用固定化光合細(xì)菌及其凈化污水的研究,表明固定化細(xì)胞能夠克服游離細(xì)胞的不足,具有良好的發(fā)展前景[9-10]。目前針對(duì)富營養(yǎng)化水體過量養(yǎng)分去除效果及機(jī)理的研究鮮見報(bào)道。因此,筆者采用固定化光合細(xì)菌來處理人工模擬的富營養(yǎng)化水體,意在為富營養(yǎng)化水體微生物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

產(chǎn)氧光合細(xì)菌由中國科學(xué)院微生物研究所提供,標(biāo)號(hào)為120(1.2352),采用血球板計(jì)數(shù)法。主要試驗(yàn)儀器包括WFZUV-2100紫外可見分光光度計(jì)、FA1004 A電子分析天平、250D光照培養(yǎng)箱、BCD-185型冰箱等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)用品配制

a.光合細(xì)菌培養(yǎng)基,配制成分如下:硫酸二氫鉀1.0g,氯化鎂 0.5g,氯化銨 1.0g,氯化鈣 0.1g,氯化鈉1.0g,醋酸鈉 1.0g,琥珀酸鈉1g,酵母膏0.5g,碳酸氫鈉3.0g,蛋白胨0.5g,蒸餾水1L。

b.微量元素液(1 mL/L),配制成分如下:FeCl2.4H2O 1.8g,CoCl2.6H2O 0.25g,NiCl6H2O 0.01g,CuCl2.H2O 0.01g,MnCL24H2O 0.7g,ZnCL20.1g,硼酸0.5 g,Na2SeO3.5H2O 0.01 g,NaMoO42H2O 0.03g,水1L。

c.維生素溶液(1mL/L),配制成分如下:維生素Biotin 0.1g,煙酸0.35g,煙酸硫胺素0.3g,對(duì)氨基苯甲酸0.2g,泛酸鈣0.1g,維生素B120.05g,鹽酸吡哆胺0.1g,水 1L。將配制好的溶液調(diào)節(jié)pH值為6.80,滅菌后在30℃條件下培養(yǎng)3d,離心收獲細(xì)胞(4℃,4000r/min離心20min),然后用蒸餾水洗2遍后立即固定。

1.2.2 細(xì)胞固定

海藻酸鈣固定化:用50mL體積分?jǐn)?shù)為4%的海藻酸鈉滅菌5min(73.5kPa)后冷卻到45℃,然后用培養(yǎng)好的光合細(xì)菌(OD600=0.5)細(xì)胞懸浮液50mL和海藻酸鈉混合,立即倒入孔徑約1mm的自制造粒器中,使形成的固定化顆粒滴入5%的CaCl2溶液中,再放置24h,最后濾出顆粒,用生理鹽水洗凈,備用。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)包括 2個(gè)處理,分別為:①CK-對(duì)照;②P-固定化光合細(xì)菌。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),使用培養(yǎng)容器為60L的圓塑料桶(直徑為0.6m,有效深度為0.6m,表面積為0.28m2)。采用人工模擬的富營養(yǎng)化水體,在試驗(yàn)處理前加入葡萄糖、NH4NO3和NaH2PO4,使得水體中TN、TP、NH4-N、COD 和葉綠素a的質(zhì)量濃度分別為40.2mg/L、7.99mg/L、19.85mg/L、41.26mg/L和75.46μ M/L,pH值為7.02。

約50g的固定化光合細(xì)菌載體放入孔徑0.5mm的尼龍袋中,懸掛于水面下約0.3m處,光合細(xì)菌的處理放置3個(gè)固定化的光合細(xì)菌載體。試驗(yàn)期間氣溫在22.4～35.3℃之間變化,水溫在23.20～32.6℃范圍內(nèi),試驗(yàn)處理19d后結(jié)束。

1.4 取樣和分析

水樣分別在 0d 、2d、6d、12d、19d 進(jìn)行采集 ,每次采樣時(shí)間固定在上午8:00,用100mL的量筒在水面下0.35m處的3個(gè)地方進(jìn)行采樣。試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[11]。

反硝化率的測(cè)定依據(jù)對(duì)NO3-N消耗的方法進(jìn)行計(jì)算[13]。反硝化率以24h培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)N在有硝化作用抑制劑條件下的變化來決定。硝化作用的抑制劑可以阻止NH3-N向NO3-N轉(zhuǎn)化,因此NO3-N的減少可以被認(rèn)為是反硝化作用過程的結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 富營養(yǎng)化水體中總氮、銨態(tài)氮和硝酸鹽的變化

對(duì)于總氮而言,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,對(duì)照和光合細(xì)菌反應(yīng)系統(tǒng)中TN質(zhì)量濃度都會(huì)降低。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)光合細(xì)菌的處理和對(duì)照處理中TN的質(zhì)量濃度分別為(13.06±0.85)mg/L和18.81mg/L。NH4-N的質(zhì)量濃度在試驗(yàn)中呈下降趨勢(shì),試驗(yàn)結(jié)束時(shí)2個(gè)處理NH4-N的質(zhì)量濃度分別為(10.96±1.04)mg/L和(4.01±0.76)mg/L,固定化光合細(xì)菌對(duì)NH4-N的降低率比對(duì)照多35.02%。NH4-N的去除主要是由于硝化作用的進(jìn)行,以及一定程度NH3-N的揮發(fā)。對(duì)照和光合細(xì)菌系統(tǒng)中除了藻類和光合細(xì)菌對(duì)NH4-N的吸收外,NH3-N揮發(fā)可能是導(dǎo)致NH4-N降低的另外一個(gè)因素。硝酸鹽的變化與TN的變化有相似的趨勢(shì),在19d后2個(gè)處理的硝酸鹽質(zhì)量濃度分別降低到(0.31±0.22)mg/L和(4.23±0.059)mg/L。NO3-N在對(duì)照中的降低效果明顯,主要是由于對(duì)照有相對(duì)較小的DO濃度,并且反硝化作用較強(qiáng),因此使得NO3-N在相對(duì)厭氧的條件下降低得較快,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)其質(zhì)量濃度降低了98.45%。硝化和反硝化作用發(fā)生在所有的處理中(表1),而且受到許多環(huán)境因素的影響,例如底泥成分、水體中的溶解氧含量、光照、懸浮物、pH值和鹽度等[14-15]。筆者的研究表明,NH3-N可以被硝化細(xì)菌進(jìn)行氧化,而且硝化和亞硝化細(xì)菌可以附著在光合細(xì)菌固定化載體的表面,這些條件有利于水體中TN的降低。圖 1為CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN 、NH3-N、NO3-N 的影響。

表1 CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌在0d,10d,19d時(shí)硝化率和反硝化率的變化 mg/(L?h)

圖1 CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌對(duì)富營養(yǎng)化水體中TN、NH3-N、NO3-N 的影響

2.2 富營養(yǎng)化水體中TP的變化

圖2表明2個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)中TP的變化過程。在第2天時(shí)2個(gè)處理中由于pH值上升導(dǎo)致TP有顯著降低的趨勢(shì),隨后TP的下降趨于平緩。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)CK-對(duì)照和P-固定化光合細(xì)菌處理中TP的值分別為(3.94±0.17)mg/L和(2.96±0.15)mg/L。微生物的吸收利用或許是減少TP的一個(gè)因素,接種的光合細(xì)菌正好起到這個(gè)作用。在水體中每天pH值的變化也對(duì)P的有效性起著重要作用[16],P在高pH值條件下可以與Ca2+發(fā)生沉淀反應(yīng)。然而,這些導(dǎo)致養(yǎng)分降低的機(jī)制仍然需要做進(jìn)一步的研究[17-18]。

圖2 CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌對(duì)富營養(yǎng)化水體中TP的影響

2.3 富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的變化

接種光合細(xì)菌可以明顯降低水體中的COD含量(圖3)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)COD的去除率為78.06%,而對(duì)照處理COD去除率僅有59.39%。COD的降低原因之一主要是依靠系統(tǒng)中微生物和藻類的生長對(duì)其中碳源的利用,采用固定化接種的方法可以明顯提高水體中光合細(xì)菌的數(shù)量(表2),光合細(xì)菌在降低水體有機(jī)物含量方面有著顯著的作用,這樣可以避免由于水體中的C/N過高,異氧微生物繁殖過快抑制硝化菌生長,影響到微生物的脫氮作用[19]。水體中葉綠素a的含量與水體中藻類的含量成正相關(guān),接種光合細(xì)菌在一定程度上降低了水體中的葉綠素a。這主要是由于光合細(xì)菌吸收了水體中的養(yǎng)分從而抑制了藻類的生長。

圖3 CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌對(duì)富營養(yǎng)化水體中COD和葉綠素a的影響

表2 光合細(xì)菌在CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌間的數(shù)量變化

2.4 富營養(yǎng)化水體中pH值和DO的變化

富營養(yǎng)化水體開始的pH值為7.02,pH值在對(duì)照和光合細(xì)菌處理中都有不同程度的增加。光合細(xì)菌處理與對(duì)照相比,pH值約增加了2(圖4)。較高的pH值有利于降低系統(tǒng)中磷的可溶性和生物有效性。DO的初始濃度為2.64mg/L,接種光合細(xì)菌有利于DO增加,表明光合細(xì)菌在白天可以增加光合作用的產(chǎn)氧量。在第6天時(shí),由于藻類光合作用的貢獻(xiàn)使得DO在光合細(xì)菌的處理中達(dá)到最高。2個(gè)系統(tǒng)中不同的DO水平主要是由于光合細(xì)菌和藻類共同作用造成的差異。

圖4 CK-對(duì)照以及P-固定化光合細(xì)菌對(duì)富營養(yǎng)化水體中pH值和DO的影響

3 結(jié) 論

接種固定化光合細(xì)菌不但有利于改善富營養(yǎng)化水體的質(zhì)量,而且對(duì)水體中的多種養(yǎng)分都有較明顯的去除效果。研究結(jié)果表明:在19d的處理時(shí)間中固定化光合細(xì)菌對(duì)TN、NH4-N、硝酸鹽、TP和COD的去除率分別達(dá)到 65.94%、79.84%、78.80%、62.95%、78.06%。因此探索該系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用,評(píng)價(jià)由于季節(jié)不同引起光照和溫度的變化對(duì)研究結(jié)果的影響是必要的。對(duì)接種光合細(xì)菌于原位生態(tài)修復(fù)工程中的養(yǎng)分去除最佳條件的探索仍然需要做進(jìn)一步研究。

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Effects of immobilized photosynthetic bacteria on eutrophic water

CHANG Hui-qing,WANG Shi-huang,KOU Tai-ji
(College of Agriculture,Henan University Science and Technology,Luoyang471003,China)

In order to find a feasible biotechnology to remediate eutrophic water,an experiment of treating the artificial eutrophic water with immobilized photosynthetic bacteria was carried out.The results showed that the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could reduce the nutrients in water effectively.The removal rates of TN,NH4-N,NO3-N,TP,and COD were 65.94%,79.84%,78.80%,62.95%,and 78.06%,respectively,after 19 days of treatment.Furthermore,immobilized photosynthetic bacteria inhibited algae growth in the water.The inoculation of immobilized photosynthetic bacteria also increased DO,pH value,the rate of nitrification,and the number of photosynthetic bacteria,and the change of all these factors had an impact on nutrient removal efficiency in water.Therefore,the inoculation of immobilized photosynthetic bacteria could achieve the goal of nutrient removal in the eutrophic water remediation.

eutrophication;immobilized photosynthetic bacteria;nutrient removal

X171

A

1004-6933(2010)03-0064-04

國家科技部中澳合作項(xiàng)目(國科外函[2002]168)

常會(huì)慶(1974—),男,山西太谷人,博士,研究方向?yàn)楦粻I養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)機(jī)理。E-mail:hqchang@126.com

2008-12-05 編輯:高建群)