朱 林，車 軒，曾憲磊，劉興國，劉 晃，王小冬，陳芳旭，黃 達

（中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術重點試驗室，上海200092）

隨著我國現代經濟的高速發(fā)展和人口劇增，水體污染、富營養(yǎng)化已成為我國最為關注的環(huán)境問題之一[1]。當前國內在污水處理技術方面普遍存在耗能高、成本高、占地大等一系列問題，傳統(tǒng)的物理處理法效率低、處理不徹底且能耗較大；化學處理使用的試劑一般具有毒性，會對環(huán)境造成二次污染。生物處理法因其符合經濟節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的宗旨，成為近年來的發(fā)展趨勢[2]。

淡水藻類是一種很早以前就在地球上生存的生物，在上億年的生物進化演變中，淡水藻類的基本功能沒有發(fā)生改變，其以水、陽光和二氧化碳為初始養(yǎng)分，利用氮、磷等營養(yǎng)物質，通過光合作用來合成自身生長所需要的有機物質，因此，淡水藻類是水體的初級生產者，在有光的情況下對水體中的重金屬及有機物有吸收富集的作用[3-4]。細菌是一種沒有真正細胞核的原核生物，廣泛分布于土壤和水中，與其他生物共生，它們起到將自然界中的各種有機物分解成無機物的作用，又能合成有機物[5]。細菌中一大類好氧菌在自然界的物質循環(huán)中的地位無可替代。菌藻的有效結合符合自然生態(tài)原則，可以促進有效的N循環(huán)，不會引起二次污染，還具有保護環(huán)境的積極作用[6-7]。

菌藻共生系統(tǒng)不僅能夠吸收空氣中的CO2，還能利用藻類和細菌兩類生物之間的生理功能協同作用來凈化污水的生態(tài)系統(tǒng)[8]。微藻和菌類之間的相互關系可提高微藻生物量，促進脂質和糖類等化合物的生產。與微藻共培養(yǎng)的菌體能為微藻生長提供維生素及鐵載體等，降低微藻生物量積累的成本。在污水處理中，藻類通過光合作用吸收污水中的氮、磷等營養(yǎng)物質，菌利用植物光合作用產生的O2，降解有機物，菌藻共生系統(tǒng)能高效去除污水中的氮磷營養(yǎng)物質、重金屬及抗生素等，因而在污水處理領域日益受到廣泛的關注[9]。

因菌藻共生生物膜細菌群落組成對生物修復作用效率具有重要影響。本試驗構建了3組生物膜反應器，設置不同的光照強度，對3組菌藻共生生物膜的水質數據及細菌群落進行監(jiān)測和分析，以期為菌藻關系研究提供數據支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗系統(tǒng)構建

生物膜反應器如圖1所示，面積0.5 m2（長1 m，寬0.5 m），水層厚度2 cm，由6 mm厚的PVC板制成。生物膜反應器上方30 cm設置5個日光燈（光照強度0～8 000 lx，可調）。對照組、1#試驗組及2#試驗組光照強度依次設置為0，4 750，7 580 lx，反應器前設置容積100 L的進水池，由水泵驅動進水，流量5 L/h，水力停留時間2 h，每組3個重復。

1.2 反應器接種和硝化功能構建

試驗采用人工配水進行反應器硝化功能構建，廢水營養(yǎng)鹽成分列于表1。

表1 廢水營養(yǎng)鹽成分

系統(tǒng)啟動后，進行微藻和細菌接種。微藻接種液為淡水池塘養(yǎng)殖水，接種量100 mL，細菌接種液為淡水養(yǎng)殖池塘底泥，接種量5 g。每2 d取水樣檢測水質指標，當氨氮降為0 mg/L后投加NH4Cl，投加之后馬上測量理化數據。使用水質多參數分析儀（YSI6920）測定水體理化特征，主要包括水溫、pH值、溶氧（DO）、氧化還原電位及葉綠素濃度，在復旦大學先進材料實驗室進行菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察。

2 結果與分析

2.1 菌藻共生生物膜細菌群落環(huán)境因子分析

由圖2可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均水溫分別為（24.9±0.2），（24.9±0.3），（25±0.2）℃，整個試驗過程中基本保持穩(wěn)定。由圖3可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均pH值分別為 6.07±0.99，6.42±0.76，6.70±0.68，其中，對照組及1#試驗組隨著試驗進行，pH值均呈現下降的趨勢，2#試驗組隨著試驗進行，pH值呈現先下降后上升的趨勢。由圖4可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均溶解氧質量濃度分別為（6.15±1.21），（6.8±0.92），（7.14±0.68）mg/L，對照組呈現下降的趨勢，1#試驗組及2#試驗組溶解氧質量濃度基本保持穩(wěn)定。由圖5可知，對照組、1#試驗組及2#試驗組的平均葉綠素質量濃度分別為（0.71±0.42），（5.25±2.36），（235.12±86.06）μg/L。

2.2 菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察

菌藻共生生物膜細菌群落電鏡觀察顯示，在10 μm水平上，1#試驗組和2#試驗組均觀察到藻類細胞，其中，1#試驗組藻類形狀為正圓形和橢圓形（圖6），2#試驗組藻類形狀為橢圓形和長扁圓形（圖7），對照組沒有觀察到藻類細胞（圖8），對照組、1#試驗組及2#試驗組均觀察到細菌，說明有光照的情況下菌藻共生生物膜才能形成。

3 結論與討論

藻類和細菌是水生態(tài)系統(tǒng)和氧化塘系統(tǒng)中兩類有密切關系的生物，它們在水體的物質循環(huán)和污水凈化中都起著非常重要的作用[10]。微藻可對重金屬和造成水體富營養(yǎng)化的營養(yǎng)物等進行有效地去除[11]，細菌、真菌等微生物可降解大分子有機物、氨氮等。將兩類生物的功能結合起來，就形成了復雜的菌藻共生系統(tǒng)[12]。光照是藻類進行光合作用的必要條件，在一定光強范圍內，光合作用速率隨光強的增加而增加[13]，這可能是導致對照組菌藻共生生物膜葉綠素質量濃度隨著試驗的進行越來越低，1#試驗組的葉綠素質量濃度比2#試驗組低的重要原因；另一方面，藻類和細菌等微生物之間存在復雜的相互關系，它們可能競爭環(huán)境中的營養(yǎng)物質而相互抑制，也可能相互利用與促進，甚至可能相互依賴形成復雜的共生系統(tǒng)，微藻利用CO2和廢水中的碳酸鹽物質，將細菌產生的無機物通過光合作用轉化為有機物儲存在細胞內，同時釋放出氧氣，增加水中的溶氧量，營造好氧環(huán)境，進而促進好氧細菌和真菌的生長繁殖[14]，所以，菌藻共生生物膜溶解氧質量濃度為對照組低于1#試驗組，1#試驗組低于2#試驗組。

由于CO2的過度消耗和微藻的嗜堿特性[15]，單藻系統(tǒng)的pH通常達到9以上，然而過高的pH會抑制一般微生物的生長且不利于水的再利用[16]，額外添加化學試劑，或者通過曝氣、通入CO2等手段調節(jié)pH不僅增加經濟成本，而且還增加了環(huán)境成本[17-18]。菌藻共生系統(tǒng)可以解決這個問題，有效調節(jié)系統(tǒng)pH至微堿性，微藻進行光合作用需要利用CO2和廢水中的硝酸鹽物質[19]，對照組及1#試驗組隨著試驗的進行，pH值均呈現下降的趨勢，2#試驗組隨著試驗的進行，pH值呈現先下降后上升的趨勢，設置光照強度越大，試驗過程中pH值平均值越高，通過電鏡觀察得出1#試驗組及2#試驗組有藻類細胞，對照組沒有藻類細胞，藻類進行光合作用需要消耗CO2，且對照組、1#試驗組及2#試驗組平均水溫基本持平，都在25℃左右，是藻類進行光合作用的適宜溫度[20-21]，所以，1#試驗組的平均pH值高于對照組，而2#試驗組的平均光照強度高于1#試驗組，藻類細胞密度也更高，平均pH值更高。