秦攀偉，吳克明，劉俊琢，吳永紅

(1. 武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢，430081； 2. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京, 210008)

如何高效且環(huán)境友好地去除與回收水體中過(guò)量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從而凈化水質(zhì)一直是全球資源環(huán)境研究者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。藻類(lèi)通過(guò)吸收水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行光合作用，可以?xún)艋|(zhì)并固定二氧化碳，減少溫室氣體的排放，該方法不僅經(jīng)濟(jì)高效，而且符合生態(tài)規(guī)律。

長(zhǎng)期以來(lái)，利用藻類(lèi)去除氮、磷的研究主要集中于藻種的篩選及其去除效果的比較，經(jīng)常忽略異養(yǎng)細(xì)菌在其中所起的作用[2]。藻類(lèi)和細(xì)菌間存在著共生、競(jìng)爭(zhēng)、拮抗等相互關(guān)系，但這種相互關(guān)系如何影響藻類(lèi)對(duì)水體氮、磷的去除能力還需開(kāi)展深入研究。此外，可溶性有機(jī)碳含量對(duì)藻、菌相互關(guān)系具有顯著影響，在藻菌體系中，雖然只有異養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)受可溶性有機(jī)碳的限制[3]，但細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝變化會(huì)使藻、菌相互關(guān)系發(fā)生變化，并改變水體中的pH和溶解氧等環(huán)境因子，進(jìn)一步影響藻菌體系整體的生理和生態(tài)功能。本文以地衣芽孢桿菌和絲藻的復(fù)合體系為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了不同濃度有機(jī)碳條件下藻、菌關(guān)系及其氮、磷去除能力，探討如何通過(guò)調(diào)控外源碳濃度來(lái)提升藻菌體系富集營(yíng)養(yǎng)物的能力，以期為優(yōu)化利用藻菌體系凈化水質(zhì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藻種與菌種

實(shí)驗(yàn)藻種選用絲藻(Ulothrixsp.，中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)，編號(hào)FACHB-494)，純?cè)逡菏褂脺缇幚砗蟮腤C培養(yǎng)基[4]在25 ℃光照恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光照度為4000 lux，光暗比為12 h∶12 h。實(shí)驗(yàn)菌種選用地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis，中國(guó)普通微生物菌種保藏中心，編號(hào)CGMCC 1.807)，經(jīng)恢復(fù)培養(yǎng)后接種于LB培養(yǎng)基，放置在溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為100 r/min的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后備用。

1.2 人工模擬含氮、磷廢水制備

為避免諸多不確定因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，以不含氮、磷的WC培養(yǎng)基為基礎(chǔ)，加入(NH4)2SO4及KH2PO4(均為分析純)模擬含氮、磷廢水，水體中主要化學(xué)物質(zhì)質(zhì)量濃度指標(biāo)：TN為15mg/L、TP為1.5mg/L、CaCl2·2H2O為 36.76 mg/L、MgSO4·7H2O為36.79 mg/L、NaHCO3為12.6mg/L、Na2SiO3·9H2O為28.42 mg/L、H3BO3為24 mg/L。將模擬廢水置于高溫滅菌鍋中121 ℃滅菌處理30 min，隨后冷卻至室溫，再用0.1 mol/L的鹽酸或氫氧化鈉將其pH值調(diào)至7。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 有機(jī)碳的加入

將模擬廢水分為5組，其中4組分別添加適量葡萄糖(分析純)使水體中葡萄糖質(zhì)量濃度ρ依次為20、50、100、150 mg/L。

1.3.2 接種處理

絲藻接種時(shí)取無(wú)菌培養(yǎng)的純種絲藻，將其經(jīng)鑷子擠壓至無(wú)明顯水分析出后稱(chēng)取0.1 g轉(zhuǎn)接至100 mL模擬廢水中；地衣芽孢桿菌接種時(shí)吸取菌液2 mL(大約106CFU/mL)，以4000 r/min的速率離心處理10 min，去除上清液后，用無(wú)菌水洗滌2次，然后接種到100 mL模擬廢水中；藻菌組合接種處理時(shí)按上述步驟分別將絲藻及地衣芽孢桿菌接種至同一裝有100 ml模擬廢水的錐形瓶中。5組模擬廢水均按上述步驟分別進(jìn)行絲藻、地衣芽胞桿菌以及藻菌組合的接種處理，每種處理重復(fù)3次。以上操作全部在無(wú)菌條件下進(jìn)行，接種完成后錐形瓶覆以透氣無(wú)菌封口膜，置于25℃光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光暗比為12h∶12h。

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借助SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行比較和分析。模擬水體中氮、磷的去除率計(jì)算公式為

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 絲藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒庵底兓治?/h3>

水體中絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵禍y(cè)試結(jié)果如圖1所示。由如圖1(a)可以看出，在不含葡萄糖的模擬水體中，藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實(shí)時(shí)熒光值從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始一直高于純絲藻體系相應(yīng)值，并在實(shí)驗(yàn)第5日達(dá)到最大值5123，比純絲藻體系相應(yīng)值4537增加了12.9%，表明地衣芽孢桿菌促使絲藻的生物量顯著增加(p<0.05)，這與Liang等[7]的研究結(jié)果一致。然而到了實(shí)驗(yàn)第7日，藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實(shí)時(shí)熒光值明顯下降，而純?cè)弩w系中絲藻細(xì)胞的相應(yīng)值持續(xù)增加最終超過(guò)前者。造成這種現(xiàn)象的原因可能是藻菌快速生長(zhǎng)使培養(yǎng)基微環(huán)境發(fā)生變化，如有毒代謝物的產(chǎn)生、營(yíng)養(yǎng)物不足或環(huán)境pH值的改變等，從而導(dǎo)致絲藻生長(zhǎng)過(guò)程衰退[8]；從圖1(b)可知，同樣的現(xiàn)象發(fā)生在葡萄糖質(zhì)量濃度為20mg/L的水體環(huán)境中，藻菌體系的生物量從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至實(shí)驗(yàn)第5日始終高于純絲藻體系相應(yīng)值(p<0.05)，但二者差距較未添加葡萄糖時(shí)有所減小。實(shí)驗(yàn)第7日藻菌體系的生物量急劇下降，而純絲藻體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素實(shí)時(shí)熒光值繼續(xù)上升達(dá)至最大值5108，這與藻菌體系在實(shí)驗(yàn)第5日獲得的最大葉綠素?zé)晒庵?226無(wú)明顯差異(p>0.05)，上述結(jié)果表明，地衣芽孢桿菌在外加有機(jī)碳濃度較低時(shí)促進(jìn)了絲藻的生長(zhǎng)，縮短了絲藻的生長(zhǎng)周期；由圖 1(c)可見(jiàn)，當(dāng)模擬水體中葡萄糖質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，純絲藻和藻菌體系中絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵底兓€基本重合，二者熒光強(qiáng)度無(wú)明顯差異；當(dāng)葡萄糖質(zhì)量濃度增加到100 mg/L(圖1(d))和150 mg/L(圖1(e))時(shí)，純絲藻和藻菌體系絲藻細(xì)胞的葉綠素?zé)晒庵涤珠_(kāi)始出現(xiàn)明顯差異(p<0.05)，但與圖1(a)、1(b)測(cè)試結(jié)果不同的是，此時(shí)地衣芽孢桿菌明顯抑制了絲藻的生長(zhǎng)，表明細(xì)菌和藻類(lèi)的相互作用并非一成不變，而是隨著水體環(huán)境的變化而發(fā)生改變，這與Guo等[9]的研究結(jié)果一致，當(dāng)培養(yǎng)條件從光合自養(yǎng)變?yōu)楣夂袭愷B(yǎng)時(shí)，小球藻與假單胞菌的關(guān)系從共生轉(zhuǎn)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)。地衣芽孢桿菌對(duì)絲藻生長(zhǎng)的抑制作用可能是因藻菌對(duì)限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)所造成[10]，由于水體中葡萄糖濃度增加，細(xì)菌生長(zhǎng)速度加快，它們的迅速增殖將消耗更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，造成藻類(lèi)生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏從而導(dǎo)致其生長(zhǎng)受到限制，因此本文中高濃度葡萄糖添加條件下絲藻的葉綠素?zé)晒庵碉@著低于無(wú)葡萄糖添加條件下的相應(yīng)值(p<0.05)。

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

2.2 水體中氮濃度的變化分析

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

2.3 水體中磷濃度的變化分析

(a)未添加葡萄糖 (b)ρ=20 mg/L

(c)ρ=50 mg/L (d)ρ=100 mg/L

(e)ρ=150 mg/L

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)水體中葡萄糖質(zhì)量濃度不高于20 mg/L時(shí)，藻菌組合體系中地衣芽孢桿菌可以促進(jìn)絲藻生長(zhǎng)，并能顯著促進(jìn)絲藻體系對(duì)水體中的氮、磷的去除；當(dāng)水體中葡萄糖質(zhì)量濃度高于50 mg/L時(shí)，地衣芽孢桿菌抑制絲藻生長(zhǎng)，藻菌組合處理對(duì)水體中氮、磷的去除能力下降。

(2) 通過(guò)改變外源有機(jī)碳濃度可以調(diào)控藻、菌相互關(guān)系，從而使藻菌組合體系在實(shí)際應(yīng)用中能最大限度地發(fā)揮其污水凈化能力。

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