比較兩種不同藻類處理稻田水的效果差異

楊澤琨 張佺興 楊雪凌 楊 虹

（廣東省實驗中學 廣東 廣州 510375）

0 前言

藻類是一類生活于水體中的微小植物，能夠在生長過程中吸收水體中的營養鹽。藻類是低等生物，具有以下特征：個體差異大，絕大多數是自養原殖體，無不育細胞存在。這些特征決定它在污水凈化方面具有以下功能：首先，藻類與好氧細菌形成藻菌共生系統，促進對污水中有機物的氧化分解。其次，藻類吸收污水中的氯、磷，合成自身需要的有機物，顯著降低污水中氨磷的限度。再者，藻類的富集作用可用于清除污水中有毒重金屬離子和放射性元素，或回收貴重金屬離子和微量元素。此外，藻類本身也可以作為肥料，餌料甚至食品或保健品加以利用，成本低廉且具有較高的經濟價值。

過度施肥是導致農業污染的最重要原因之一，這也往往導致農業廢水中的氮、磷等營養元素含量過高，并隨著它們的排放進而污染自然水域，從而引起水體潛在的富營養化風險。在我國南方稻田隨處可見，而且稻田水往往與自然水體相通，因此氮、磷含量較高的稻田水排進自然水體也是造成水域污染和引起富營養化的一個重要原因。

螺旋藻隸屬藍藻門，藍藻綱，藻殖段目，顫藻科，螺旋藻屬。有關螺旋藻的培養技術、應用價值及商品化生產等問題國內外已進行大量研究，而直接利用生活污水培養，在國內外尚少見報道生活污水不僅能培養營養價值較高的螺旋藻，且可利用該藻有效地去除污水中的氮，磷和有機質，加上該藻藻絲大（300-500um），生長旺盛時成片上浮，易于采收，該藻又具廣鹽性，在淡水、海水中均可生長等優點，可為防止污水排放而造成的富營養化超控制作用，當然還需要在室外進行現場驗證，并適當進行半人工生態調控。但用它們在稻田水中的生態作用還不夠明確，這方面的實驗也較少。

小球藻屬于綠藻門、綠藻綱、小球藻屬。目前世界上已知的小球藻有十幾種，加上它的變種可達數百種之多。由于小球藻生態分布廣，易于培養，生長速度快，是進行生物技術研究的良好材料。小球藻也是水體中的初級生產者，營養價值較高，可作為魚類等水生動物的餌料，在污染物沿食物鏈傳遞的過程中起著重要作用。曾有研究肯定了藻類對污水中氮、磷等營養物的去除作用和效果。小球藻(ChloreaUa sorokiniana)除具備上述除氮磷能力外，還具備去除多種重金屬離子的能力。

因此本實驗選用了比較有代表性的常見絲狀藍藻——鈍頂螺旋藻和綠藻——小球藻作為試驗藻種。

1 材料與方法

1.1 稻田水

實驗所用稻田水采自陸豐地區一塊稻田表層。先在121度下滅菌煮沸30分鐘，使得較可能多的營養鹽得以溶解。冷卻后用普通定性濾紙過濾，除去明顯不能溶解的雜質，供后續試驗使用。

1.2 藻種及培養

本試驗選取兩種具有代表性的常見藻——鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）和小球藻（Chlorella vulgaris），藻種來源于中科院武漢水生生物研究所藻種室，試驗在暨南大學水生所413實驗室進行，得到了相關老師的指導和幫助

試驗正式開始前，先在恒溫光合培養箱中對藻種進行了擴大培養。試驗設置了六組四種處理，第一組：50mL螺旋藻藻液接種于盛有950mL自來水的大三角瓶中作為空白對照；第二組：50mL小球藻藻液接種于盛有950mL自來水的大三角瓶中，也作為空白對照；第三、四組：50mL螺旋藻藻液接種于盛有950mL處理后的稻田水的大三角瓶中；第五、六組50mL小球藻藻液接種于盛有950mL處理后的稻田水的大三角瓶中。六組大三角瓶均放在室內窗口處進行連續培養15天，并用簡易氣泵向瓶內表層持續通氣，使得水體有一定晃動，瓶口再用棉塞封堵，防止試驗期間水分的過度蒸發。

1.3 測試方法

在接種后的第0、3、6、9、12、15天，將瓶能藻液搖勻后，每次用45um的濾膜抽濾100mL的藻液，過濾液用來測量正磷和硝氮的含量，濾膜收集在黑色封口袋中于冰箱中保存備用。正磷和硝氮的測量方法分別采用國標鉬酸比色法和鹽酸比色法。葉綠素在反復凍融后溶于丙酮，7000r/min下離心15min后進行比色測量，最后計算葉綠素的含量。同時吸取0.1mL的各組藻液，在普通光學顯微鏡40*10倍下于0.1mL浮游植物計數框內進行，技術三次后求平均值，得到藻細胞的密度數量（個/mL）。

2 結果與討論

本試驗通過在實驗室條件下用過濾再經高溫處理后的稻田水（采自粵東沿海稻田）中進行培養，以自來水作為空白對照，同時予以通氣，模擬自然水體的不穩定狀態，接種后連續培養15天，每隔三天取樣一次（共六次），測定水體中藻細胞數目、葉綠素含量、溶解態氮、磷的含量。然后進行數據整理和處理，做出兩種藻在相通處理下的生長曲線、氮、磷的含量變化以及葉綠素含量的變化曲線。

2.1 藻細胞密度數量隨培養時間的變化

從圖1藻細胞密度數量隨培養時間的變化來看，前3天各個處理組中，除了培養于自來水中的螺旋藻細胞數目下降外，其他都上升，且均為培養瓶中的優勢種，沒有明顯的其他藻類的出現，但小球藻的數目增加得更快，。推測可能是由于鈍頂螺旋藻在該條件下的適應力不如小球藻，加上自來水中營養偏低，因而在低濃度營養狀況的自來水中螺旋藻細胞數目最先下降。

圖1 藻細胞密度數量隨培養時間的變化

3-9天內，四組處理中的藻類數量都開始下降，這應該是和種內和種間競爭的加劇有關，另外在第六天各組處理中均發現了少量的其他藻，但優勢種并沒有改變。但在第12天的觀測中發現，各優勢種的數量進一步減少，在多種藻共同生長的情況下，小球藻和螺旋藻的數量逐漸大幅下降。第15天的觀察發現，小球藻和螺旋藻在培養液中的數量優勢已不明顯，其它諸如衣藻、柵藻等開始豐富起來，而螺旋藻更是大為減少，比小球藻的密度數量還低。這表明了在自然狀態不加人為干擾的情況下，小球藻和螺旋藻較難以成為優勢群體。

2.2 硝氮濃度隨時間的變化

表1 硝氮濃度隨時間的變化（紅色數字表示各處理前期最大和最小濃度）

由表1可以計算出，前期各個不同處理中，由于前9天內，各個處理的優勢種還未改變，自來水螺旋藻、自來水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻處理組中，對硝氮的吸收效率分別為24.45%、17.10%、24.00%、34.27%，相差不是很大。后面的9-15天里，自來水中培養的螺旋藻和小球藻濃度變化趨勢基本一致，但稻田水培養的螺旋藻和小球藻濃度變化也基本一致，但發現有小球藻存在的處理中，硝氮含量更低，這也間接反映了在高濃度情況下，小球藻對硝氮的吸收能力比螺旋藻強。

如圖2所示，不同處理組中，開始的0-9天里，藻液中的硝氮濃度是逐漸降低的，用稻田水培養小球藻的瓶中硝氮濃度降到最低值的時間最快，而且最低值比稻田水培養螺旋藻的處理組低，由表1可以得到，前者對硝氮的最高吸收效率達到34.27%，后者僅有24.00%，這表明小球藻具有比鈍頂螺旋藻更快更強的吸收硝氮的能力。用自來水培養的各瓶中由于本身硝氮濃度較前者低，硝氮濃度的最低值也低，但通過觀察也發現，前3天小球藻對氮的吸收更快一些。

圖2 硝氮濃度隨培養時間的變化

當各組優勢種細胞數目開始下降時，硝氮的濃度有所上升，可能與微生物的分解作用有關，此外也可能是由于細胞裂解造成的貯存于原細胞中的營養鹽的釋放。當9天以后，其他藻生長起來以后，原優勢種逐漸失去了優勢地位，導致了液體中硝氮濃度有所上升，但在有小球藻存在的處理組中，硝氮的濃度始終低于螺旋藻處理組。這也間接證明了小球藻比螺旋藻有更強的吸收氮的能力。推測如果延長培養時間，當培養瓶內各種藻類達到競爭平衡狀態時，硝氮的含量會維持在一定水平。

2.3 正磷濃度隨培養時間的變化

表2 正磷濃度隨培養時間的變化（紅色數字表示各處理前期最大和最小濃度）

由表2的數值可以看出，前期各個不同處理中，由于前9天內，個優勢種還未改變，自來水螺旋藻、自來水小球藻、稻田水螺旋藻、稻田水小球藻處理組中，對正磷的吸收效率分別為50.51%、44.30%、18.70%%、93.87%，高濃度下兩種藻對磷的吸收率相差較大，低濃度下相差不大。后面的9-15天里，小球藻和螺旋藻在各個處理中已經不占優勢地位，其他藻開始生長起來，此后個處理組中正磷的含量有所回升，這應該與螺旋藻和小球藻死亡后把體內的磷釋放出來有關。

由圖3可發現，不同處理下，開始的0-3天里，加入小球藻的瓶中P濃度急劇降低，幾乎達到零，這和小球藻具有儲磷機制相吻合，但加入螺旋藻的瓶中P濃度下降得較緩慢。由表2可以得到前者對磷的吸收率高達93.87%，后者僅有18.70%，這說明小球藻比螺旋藻有更強的吸收磷的能力。第3天后發現兩種藻數量都開始下降，第6天時試驗中也出現了衰敗腐爛分解的跡象，因而加入小球藻的稻田水處理組磷濃度出現了回升。第6天后加入螺旋藻的稻田水處理組的磷濃度卻加速降低，但此時螺旋藻已經不占優勢，但綠素含量持續增加，這只能是因為其它藻的作用下吸收了大量的磷，表明螺旋藻高濃度下吸收磷的能力較差，甚至不如其他藻類的綜合作用。推測如果延長培養時間，當培養瓶內各種藻類達到競爭平衡狀態時，正磷的含量會維持在一定水平。

圖3 正磷濃度隨培養時間的變化

第9天以后，小球藻的優勢作用減弱，其他藻逐漸也生長起來，磷濃度有所回升，但由于小球藻已不處于絕對優勢地位，磷濃度僅維持在0.13mg/L左右。加入螺旋藻的瓶中P濃度下降開始6天較緩慢，后來6天在其他藻的作用下加快，在第12天時磷濃度達到最低。這說明螺旋藻的儲磷機制相對其它藻較弱，而第15天后時，螺旋藻數量進一步減少，可能是它的分解釋放作用，又致使水中P含量稍有上升。

2.4 葉綠素a含量隨培養時間的變化

通常，可以用水體中葉綠素a的多寡來反映水體浮游藻類的生物量，試驗條件下二者有較好的正相關性，本試驗中也采取了測量葉綠素含量的方法。

圖4 葉綠素隨培養時間的變化

由圖4可看到，接種后，培養在自來水中的螺旋藻在前3天生物量下降很快，而小球藻生物量卻增加較多，這表明在低營養條件下，小球藻較螺旋藻在該實驗條件下具有較強的適應性。而培養在稻田水中的螺旋藻前三天生物量稍有下降，小球藻則很快就適應了環境增長迅速。3-9天中，培養在自來水中的螺旋藻生物量經歷了緩慢降低后又緩慢增加的過程，培養在自來水中的小球藻而則與之相反，先升高后降低，且生物量與稻田水培養組比較相差很大，這主要與二者的營養狀況不同有關。培養在稻田水中的螺旋藻生物量逐漸增大，小球藻的生物量則可能是進入穩定期含量變化不大。9-15天時間段里，一方面由于其他藻類開始生長起來，競爭加劇導致原來接種的藻類在各自三角瓶中的數量優勢逐漸降低，但總的生物量開始增多，螺旋藻和小球藻在各處理組中都已不占優勢了。培養在自來水中的藻類生物量明顯低于培養在稻田水中的，這是由于前者水體中的營養比后者低。

3 結論

通過實驗過程中，對藻細胞數、硝氮、正磷及葉綠素含量的測定分析，得到以下結論：

1）由試驗結果可以發現，該實驗條件下，無論是在中低濃度還是高濃度的水體中，小球藻的適應性和競爭力都要比螺旋藻的強，但在模擬野外環境下，二者難以長久保持成為優勢種。2）小球藻在該批稻田水中具有更強的儲氮和儲磷能力，對二者的最高吸收率分別為34.27%和93.87%，尤其是對磷的消除效率極高，在小球藻占絕對優勢時，幾乎能吸收水體中全部的P于自身體內，但也會隨著自身的分解而把磷再次釋放到水體中；而在低濃度氮、磷情況下，二者的吸收效率相差不大。3）小球藻在水體中越占優勢，水體中的氮、磷含量降低得越多，因而它在消除稻田水中過多氮、磷有潛在的應用價值。4）高濃度下，鈍螺旋藻對磷的吸收效果并不如預期的那么好，甚至還要弱于其他藻類的綜合作用，這與以往文獻得到的結論不同，可能與試驗選用的藻種或該批稻田水的某種未知性質有關。5）稻田廢水有潛在的利用價值，可以用于培養藻類（如小球藻）后再排放，以達到資源的充分利用和保護環境的目的。

但由于自然和野外環境條件下，小球藻受到其他藻類和環境條件的限制，不易成為絕對優勢種，這對它發揮該作用不利。所以，在稻田水中如何采取適當措施使小球藻成為優勢種，這是一個值得研究的問題，解決該問題后利用稻田廢水培養小球藻，有助于小球藻產業中降低生產成本和水環境保護，達到一舉兩得的效果。

4 致謝

本試驗在暨南大學水生生物研究所實驗室進行，得到了胡韌、彭亮老師等的指導和建議。試驗過程中在黃享輝研究生的幫助下，順利學習和完成了試驗中的各項實驗技能和報告的撰寫。在此，一并表示感謝！

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