不同生長條件對銅綠微囊藻生長的影響

張 艷，馬 放，李圭白

（哈爾濱工業大學市政環境工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090）

大規模的藍藻水華現象嚴重破壞生態平衡，降低水源水質［1］，造成巨大的經濟損失，同時也使水處理工藝面臨嚴峻的考驗。無論是傳統的混凝、沉淀和高級氧化工藝［2，3］，還是新興的膜 分 離技術［4，5］，處理效果均與藻細胞個數及其胞外分泌物(extracellular organic matter，EOM)濃度有著緊密的聯系［6］。為了增強出水效果，通常會采取適當措施調整相關運行參數，如水溫、流速等［7－9］。然而，對于含藻水而言，上述調整因子不僅會改變處理過程中細胞表面官能團、分子間作用力和水體動力學特征，而且會干擾了藻細胞本身的生長代謝，并最終可能對處理效果帶來嚴重的負面影響［10－12］。

因此，本文以銅綠微囊藻作為試驗對象，選擇部分水處理工藝中的運行參數(包括溫度、光照強度和振動等)，研究其對藻細胞數量和胞外分泌物濃度的影響。以期掌握水溫、光照條件和水流條件對藻細胞生長代謝的影響?？疾炱鋵Σ煌h境條件的適應性，為含藻水處理工藝的研究奠定理論依據，對研究相關處理方法具有十分重要的理論價值和指導意義。

1 材料及方法

本試驗使用的銅綠微囊藻藻種購自中國科學院水生生物研究所。采用BG－11培養基在錐形瓶內對銅綠微囊藻進行連續培養30 d，定期觀察藻細胞生長情況并利用溶解性有機物濃度(dissolved organic matter，DOC)評價EOM的濃度變化。在無特殊標注的情況下，所有試驗的初始藻細胞濃度均約1×105個/L，培養溫度為20～24℃，培養液pH約8，全程光照為3000 lux并處于靜態培養狀態。在每個具體試驗周期內，會改變相應的試驗參數，而其他條件不變。

試驗中采用平板計數法記錄藻細胞濃度變化。對于藻細胞胞外分泌物濃度，會先將水樣在測定前先經過0.45μm濾膜過濾，之后采用總有機碳分析儀(TOC－VCPN，SHIMADZU，JAPAN)進行測定。

2 試驗結果與討論

2.1 溫度對藻細胞生長的影響

由圖1可知當水溫從10℃升至30℃時，在生長穩定期可達到的最高濃度隨溫度的升高而迅速增加。當水溫為30℃時，在培養的第16 d藻細胞數量達到2.6×1010個/L，是10℃時的20倍，同時前者在衰亡期的下降速率也呈現相對緩慢的趨勢。然而進一步增加水溫至35℃時，不僅藻細胞生長速率變慢，而且生長衰亡期提前(幾乎從第15 d開始細胞濃度迅速下降)。分析認為在此溫度條件下，藻細胞內的某些代謝過程由于高溫受到抑制，其最高藻細胞濃度僅為1.3×1010個/L。

圖1 不同水溫條件下藻細胞的生長曲線Fig.1 Growth Curves of Algal Cells at Different Temperature

圖2 不同水溫條件下胞外分泌物濃度變化規律Fig.2 Changes of EOM at Different Temperature

圖2證實EOM的增加速率隨溫度的增加而逐漸增大。當水溫在10～30℃時，隨著藻細胞個數的增加，胞外分泌物的濃度也隨之升高。與圖1相反，當溫度升至35℃時，相比30℃時胞外分泌物的濃度進一步增加。分析認為過高的溫度改變了藻細胞正常的代謝速率。高溫在藻細胞培養的初始階段促進了藻細胞的生長，同時也加速了藻細胞的破裂，導致更多的胞內分泌物擴散到外部環境。因此在實際水處理工藝中，應注意原水水溫變化，適時調整混凝藥劑投加量，以便獲得最佳處理效果。

2.2 光照對銅綠微囊藻細胞生長的影響

自養生活需要依靠光合作用合成有機物，因此光照是影響光合作用的最重要的因素之一［13］。由圖3可知在光強為1000～5000 lux時，最高藻細胞濃度經歷了一個快速上升的過程后很快趨于穩定，最佳光照條件在4000 lux附近。光強接近5000 lux時，在生長穩定期中藻細胞最大濃度與4000 lux時接近。當光強僅為1000 lux時，其生長穩定期的最大值亦達到4000 lux時的60%。這說明銅綠微囊藻細胞能相對有效利用弱光進行光合作用。

圖3 不同光照強度下藻細胞的生長曲線Fig.3 Growth Curves of Algal Cells at Different Light Intensity

圖4對比了當光照強度一定時(3000 lux)，不同光照周期對藻細胞生長的影響。相比連續光照，適度降低光照時間(光照/黑暗比:18/6、12/12)，藻細胞生長速率并無明顯變化。進一步降低光照時間至6/18時，可觀察到藻細胞生長速率明顯下降的現象，且生長對數期推遲。對于光照浮游植物，光合作用有光反應和暗反應兩個過程，一般連續光照會降低暗反應即酶促反應的速度，使得藻細胞生長速率變緩［14］。然而，過度降低光照時間，同樣會降低光反應。在一些特殊水處理工藝中(比如投加粉末活性炭)，反應器中光照強度會明顯下降，這對細胞完整性的影響十分明顯［15］。

圖4 不同光照時間下藻細胞的生長曲線Fig.4 Growth Curves of Algal Cells at Different Lighting Time

水處理過程中一般不需要考慮光照因素的影響。但在某些特殊情況下(比如在浸沒式膜反應器中一次性投加大量粉末活性炭做預處理工藝)，反應器中光照強度會明顯下降，此時需要考慮反應器內聚集的藻細胞出現大量死亡并破裂的可能性，因為這對反應器中有機物濃度變化有著十分重要的影響［16］。

2.3 振動對銅綠微囊藻細胞生長的影響

在實驗室培養過程中，培養液一直處于靜止狀態；但在天然水體中，藻類的生長環境并不是靜止不動的［17］。為了研究水體流動對藻細胞生長的影響，本試驗中采用磁力攪拌器模擬擾動條件(轉速分別為0、50、150、200r/min)以測定藻細胞的生長代謝情況。由圖5和圖6可知隨著擾動頻率的增加，細胞生長速率逐漸變緩。當擾動頻率在50r/min時，相比未擾動，藻細胞的生長速率變慢，但隨著培養時間的增加，藻細胞的繁殖速率逐漸增加，雖然其生長對數期延后，但其藻細胞能達到的最大濃度與空白試驗的數據接近。說明在培養的初始階段，擾動導致藻細胞生長出現延遲，但經過一定適應期后藻細胞生長狀態恢復。但是當擾動頻率達到150r/min時，藻細胞最高濃度降低(1.6×1010個/L)。進一步提高擾動頻率達到200r/min時，在生長對數期最高藻細胞濃度僅為0.8×1010個/L。劇烈的擾動還影響了銅綠微囊藻細胞的代謝過程，降低了分泌物的產生(如圖6)。分析認為，擾動一方面會通過影響藻細胞的光合作用以及對營養鹽的吸收效率等代謝過程抑制藻細胞的增殖；另一方面，可能會直接造成細胞壁的破裂。

在膜過濾過程中，利用曝氣或對膜組件進行豎直或水平方向的振動等方法均會使反應器內水體產生強烈的擾動［18，19］，這對膜污染能起到很好的緩解效果。但是，在調整曝氣強度或振動頻率時需要考慮其對藻細胞活性的影響，避免部分藻細胞破裂帶來污染物增多的現象出現。

圖5 不同振動頻率下藻細胞的生長曲線Fig.5 Growth Curves of Algal Cells atDifferent Vibration Frequency

圖6 不同振動頻率下胞外分泌物濃度變化規律Fig.6 Changes of EOM at Different Vibration Frequency

3 結論

本文研究了不同生長條件下銅綠微囊藻細胞個數及其分泌物濃度變化規律，通過定量分析得到如下結論。

(1)水溫的升高有助于加速藻細胞的生長代謝，但過高的溫度(超過30℃)會在抑制藻細胞生長的同時破壞細胞壁完整性。

(2)試驗中，銅綠微囊藻受光照影響并不十分敏感，能有效利用弱光進行光合作用。

(3)不劇烈的擾動對銅綠微囊藻的生長幾乎沒有影響，但在劇烈擾動(轉速為200r/min)的情況下藻細胞的生長則會受到嚴重干擾。

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