全 文 ：第 30卷 第 1期 海 洋 环 境 科 学 Vol.3 0 , No.1
2 0 1 1年 0 2月 MARINEENVIRONMENTALSCIENCE February.2 0 1 1
菱形藻在污水中的生长及其净化能力
邢荣莲 1, 2 ,苏 群 2 ,王长海2 ,孙利芹2
(1.山东省黄河三角洲生态环境重点实验室 ,滨州学院 ,山东 滨州 256600;2.烟台大学 海洋学院 ,山东烟台 264005)
摘 要:研究了菱形藻(Nitzschiasp.)在不同浓度污水中的生长及其对不同形态氮磷的去除情况。结果表明:(1)菱形藻在
不同浓度污水中均可以生长 ,但比生长速率存在显著差异 ,其中在 50%、 80%污水环境与基础培养(f/2)环境中生长较快 ,比
生长速率为 5.9～ 8.5,不存在差异;(2)不同浓度污水培养菱形藻后 N、P养分均有一定的去除 ,总磷(TP)和 NO3 -N利用率
均在 60%以上 , NO2 -N、总氮(TN)、NH4-N的利用率分别在 40%、70%、90%以上 ,表明菱形藻有较强的净化水源的能力;(3)
污水培养后菱形藻的营养成分含量均高于纯海水培养的 ,其中 80%污水环境下藻细胞叶绿素 、胞外多糖(EPS)、胞内多糖
(IPS)、蛋白质和总脂肪含量最高 ,分别占干重的 3.5%、2%、 4%、 1.5%和 14.5%。
关键词:菱形藻;生活污水;生长;净化
中图分类号:Q178.53 文献标识码:A 文章编号:1007-6336(2011)01-0072-04
GrowthandpurificationabilityofNitzschiasp.inwastewater
XINGRong-lian1 , 2 , SUQun2 , WANGChang-hai2 , SUNLi-qin2
(1.ShandongKeyLabofEco-EnvironmentalScienceforYelowRiverDelta, BinzhouUniversity, Binzhou256600, China;2.Ocean
SchoolofYantaiUniversity, Yantai264005, China)
Abstract:TheefectsofwastewaterongrowthandpurificationabilityofNitzschiasp.werestudied.(1)Itcouldgrowinalwastewater
andshowedtheremarkablediferencesinthegrowthrate.Itgrewbeterinenvironmentof50% sewage, 80%sewageandf/2, andthe
growthratewas5.9 ～ 8.5.(2)Aftercultivation, ammonia-N、nitrite-N、nitrate-Nandphosphate-Pweremuchreduced.Theuptakera-
tioofnitrate-Nandtotalphosphorusexceeded60%, nitrite-N、totalnitrogen, ammonia-Nexceeded40%, 70%, 90%, respectively.It
showedthatNitzschiasp.hadthestrongdefecatedability.(3)Thenutrientcontentwashigherinwastewaterthanthatinseawater.
chlorophyl, extra-celularpolymericsubstance, intracelularpolymericsubstance, proteinandlipidwerehighinenvironmentof80%
sewage, andtheproportionsinthedryweightofNitzschiasp.were3.5%, 2%, 4%, 1.5%, 14.5%, respectively.
Keywords:Nitzschiasp.;wastewater;growth;decontamination
随着经济的发展 , 大量富含 N、P等营养物质的生活
污水 、工业废水及农业废水流入自然海域 , 导致海岸附近
水域的污染越来越严重 [ 1] , 致使近海岸生物特别是藻类
处于营养盐不断变化的环境中 , 从而影响到藻类的生长 ,
进而影响到藻类营养成分的含量 , 包括蛋白质 、总脂肪 、
胞内外多糖等 [ 2] 。很多研究表明 , 藻类也可以有效利用
水体中的营养物质 ,主要是 N和 P, 进行自我生长繁殖的
同时达到水质净化的目的 [ 3 ～ 5] 。利用污水进行微藻培养
最早由 Oswald和 Gotaas提出 [ 6] , 之后国内外学者在淡水
微型藻类净化污水的潜力方面进行了大量的实验室研究
以及各种规模的试验性研究 [ 7] , 关于海洋微藻在污水中
的生长及净化能力的报道甚少。
菱形藻是底栖硅藻的一种 , 因含有丰富的营养物质 ,
可以作为鲍 、海胆 、海参等名贵经济动物生长所必不可少
的饵料 [ 8] , 另外菱形藻属也是环境污染监测指示种 [ 9] 。
本研究取自近海污水 ,用来培养近海分离到的菱形藻 , 研
究其在不同浓度污水中的生长速率及其对 N、P的利用
率 ,同时考察了藻细胞的主要营养成分含量的变化 , 以期
为海洋微藻对近海污水的响应方面提供基本的信息 , 为
微藻污水净化能力提供参考。
收稿日期:2009-05-20,修订日期:2009-07-08
基金项目:山东省黄河三角洲生态环境重点实验室开放基金资助项目(2009KFJJ02);国家自然科学基金(31001113, 31070368);山东省
优秀中青年科学家科研奖励基金(2008BS06012);南京农业大学江苏省海洋生物学重点实验室研究基金资助课题(JSMK2008-004)
作者简介:邢荣莲 , (1977-),女 ,山东文登人 ,副教授 ,博士 ,主要从事藻类技术方面的研究
通讯作者:王长海 ,博士生导师 , E-mail:chwang2001@sina.com
第 1期 苏 群 , 等:菱形藻在污水中的生长及其净化能力 73
1 材料与方法
1.1 藻 种
菱形藻(Nitzschiasp.)藻种由大连理工大学提供 , 烟
台大学微藻生物技术实验室纯化保种。
1.2 海水与污水
实验用污水取自烟台大学海域污水排放口 , 海水取
自烟台大学近海海域 , 污水和海水均经膜过滤后使用。
设计了污水和海水不同浓度的配比:0%、20%、50%、 80%
和 100%。每个浓度设三个平行。培养前污水及海水水
样的养分特性见表 1。
表 1 培养污水及海水水样养分特性
Tab.1Nutritionalcharacterizesinwastewaterandseawater
样品 c/mg· L
-1
TN NH4-N NO3 -N NO2-N TP pH S
污水 4.947 0.4722 0.2855 0.0424 0.3991 8.76 22
海水 2.774 0.1206 0.0412 0.0117 0.0121 8.31 32
基础培养条件(f/2) 15.092 0.1206 12.318 0.0117 1.1399 8.25 33
1.3 培养条件
将对数生长期的藻液接种于 300 mL三角瓶中 , 初始
接种量为(3 ～ 5)×104 /mL, 培养液体积为 200 mL。 在
HZQ-QG振荡器(哈尔滨东联电子技术开发有限公司)中
进行全天光照培养 ,光照强度为 3 000 lx, 温度为 20℃, 转
速为 50 r/min。
1.4 测定方法
1.4.1 细胞生长速率的测定
每天将培养液内附着的硅藻吹散摇匀 , 从 3个不同
位置各取 1mL加到离心管 , 在超声波清洗仪内超声均匀
后于显微镜下计数。
计算比生长速率 [ 10]:K=3.322×lgN2-lgN1T
2
-T
1
其中:N1是指数初期细胞个数;N2为指数末期细胞个数;
T1是指数初期时间;T2为指数末期的时间。
1.4.2 N、P含量及营养成分含量的测定
TP采用磷钼蓝分光光度法 , TN采用过硫酸钾氧化-
紫外分光光度法 [ 11] , NH4-N采用靛酚蓝分光光度法 , NO3-
N采用酚二磺酸分光光度法 , NO
2
-N采用萘乙二胺分光光
度法 , pH值采用 pH计。
培养至第 9 d, 收集藻液进行胞内外营养成分含量的
测定。总叶绿素采用丙酮法 , 蛋白含量采用考马斯亮蓝
法 [ 12] , 总脂肪采用索氏抽提法 , 胞外多糖(extracellular
polymericsubstance, EPS)和胞内多糖 (intracelularpoly-
mericsubstance, IPS)采用硫酸-蒽酮法。
1.4.3 N, P利用率的计算
培养后培养液经 0.45 μm硝酸纤维滤膜抽滤后分析
养分。 N、P利用率用下述公式 [ 13]计算:
利用率(%)=A-aA×100%
式中:A为培养前培养液中 N、P的含量;a为培养末
期培养液中的 N、P的含量。
1.5 数据统计分析
实验数据采用 spss11.5软件进行统计学分析 , 根据
需要做 TakeyHSD多重比较 , 显著性水平:a
2 结果与讨论
污水对菱形藻生长的影响
由图 1可知 , 菱形藻在不同浓度的污水环境中均能
生长。污水环境中菱形藻从第 4 d起进对数生长期 , 第 7
d就结束了对数期进入稳定期 , 而 f/2环境中的从第 3 d
起至第 7d仍然保持在对数 λ期 ,即污水环境的培养周期
要短于 f/2环境的。污水环境下的菱形藻在对数末期的
细胞数量为 105 /mL, 低于 f/2环境下的藻细胞数量。而
且污水环境的在镜检下可以看到部分细胞死亡及呈现苍
白色 , f/2培养的在培养至第 8 d时 ,细胞活力仍很好。
图 1 污水对菱形藻细胞生物量的影响
Fig.1 EfectsofwastewateronbiomassdensityofNitzschia
sp.
不同浓度污水环境中菱形藻的比生长速率(图 2)相
差不大 , 但均高于纯海水培养的 , 而低于 f/2的。表明污
水中的养分促进了底栖硅藻的生长 , 但由于养分远不足
f/2中充足 ,因此其生长又受到一定的影响。
上述结果表明 , 菱形藻在不同浓度污水环境中的生
长受到一定限制 , 我们认为是盐度 、pH值及营养盐浓度
配比的原因。菱形藻的适宜盐度为 35[ 14] ,而污水环境中
的盐度仅为 20左右 ,大大低于菱形藻的最适培养盐度。
尽管有研究表明 ,底栖硅藻具有广泛盐度适应性 [ 15] , 10 ～
50的盐度范围对菱形藻的比生长速率影响不显著 [ 14] 。
但盐度在一定程度上影响着硅藻的渗透压 、营养盐吸收
74 海 洋 环 境 科 学 第 30卷
等多个方面。另外就是 pH值 , 底栖硅藻对 pH值的适应
范围初期一般在 7.8 ～ 8.3之间 [ 16] , 污水环境中的 pH值
在 8.5以上 ,均偏离了底栖硅藻对酸碱度的最佳适应范
围。第三个原因就是营养盐的浓度配比 , 尤其是 N/P,
80%的 N/P为 14.03,是最接近 f/2中的 N、P比率的。这
也进一步证明了 , N/P在底栖硅藻的优化培养中所起的
重要作用。
图 2 污水对菱形藻生长速率的影响
Fig.2 EffectsofwastewaterongrowthrateofNitzschiasp.
2.2 污水对菱形藻营养成分含量的影响
2.2.1 污水对菱形藻叶绿素含量的影响
污水环境与 f/2之间 ,菱形藻叶绿素累积量(图 3)存
在极显著性差异(p<0.01),质量浓度含量顺序为:f/2>
80%>50% >20%>100%>0%, 这与比生长速率一致 ,
由此说明:叶绿素可以反映底栖硅藻的生长。 f/2环境下
菱形藻叶绿素累的含量最大 , 达到 6.3 mg/L, 占干重的
2.18%, 海水培养最低 ,仅为 0.7 mg/L,占干重的 0.27%,
污水环境下藻细胞叶绿素的含量在 1.6 ～ 2.5 mg/L, 占干
重的 1.14% ～ 3.45%, 但均低于钱振明 [ 12]培养的 10% ～
12%,这可能与培养条件 , 接种密度 ,取样方式等有关。
图 3 污水对菱形藻叶绿素含量的影响
Fig.3 EffectsofwastewateronchlorophyllofNitzschiasp.
2.2.2 污水对菱形藻多糖含量的影响
污水环境下 , EPS的含量(图 4)与 f/2之间存在极显
著性差异(p<0.01), 80%环境下 EPS的含量最大 , 占干
重的 2.0%,明显高于海水培养的含量 ,但大大低于 f/2环
境下的含量。 IPS的含量(图 4)与 f/2之间差异不显著
(p>0.05)。
2.2.3 污水对菱形藻蛋白质 、总脂肪含量的影响
污水环境下 ,菱形藻蛋白质的含量(图 4)没有显著差
异(p>0.05), 含量在 1.12% ～ 1.51%之间;总脂肪累积
量(图 4)没有显著差异(p>0.05), 含量在 11.1% ～
14.2%。80%环境下 , 两者的含量最高 , 分别占干重的
1.5%和 14.5%,低于 f/2环境下的总脂肪含量。
关于盐度对营养成分的影响 , KuwadaY[ 17]的研究表
明 ,当盐度适当降至其原环境盐度的 2/3时 , 对其生长有
明显的促进作用 ,蛋白质 、脂肪等的含量也随之增加。这
与我们的研究结果有出入 , 我们则认为:盐度高于或低于
其最适范围 , 必然影响其渗透压 , 抑制其生长 , 也必然影
响蛋白 、多糖和脂肪的积累 , 对藻细胞而言 , 在低盐度下
生长不需要更多的能量 , 作为细胞内储物质的脂肪含量
相应也会减少。
图 4 污水对菱形藻营养成分含量的影响
Fig.4 Efectsofwastewateronchemicalcompositionsof
Nitzschiasp.
综合之 ,污水环境下的藻细胞 , 营养成分的含量与浓
度之间的趋势是低 ～高 ～低 , 80%培养的含量最大 , 高于
海水培养的 , 但都大大低于 f/2环境下的含量。由此说
明:菱形藻营养成分的含量与生长相一致 , 只有在最佳生
长条件下 ,营养成分的含量才能达到较高的水平。而污
水环境下的 , 盐度 、pH值 、及营养盐浓度配比等都使其生
长受到一定限制 ,故营养成分的含量均低于 f/2环境下的
含量。
2.3 培养后 N、P的含量
图 5表示的是经过培养后水体养分的变化情况 , 海
水的利用率均为最大 ,均达到 97%以上 , 即菱形藻能充分
利用海水中的养分 , 主要原因可能是海水中本身所含的
N、P养分不高的原因。
菱形藻对污水中 N的利用情况是:NO3-N均在 60%
以上 ,顺序为:0%>50%>80%>20%>100%;NO
2
-N均
在 40%以上 , 顺序为:0% >80% >50% >100% >20%;
NH4-N:均达到 90%以上。 对 P的利用率污水环境下与
f/2之间没有显著性差异(p>0.05),均达到 60%以上。
第 1期 苏 群 , 等:菱形藻在污水中的生长及其净化能力 75
图 5 N、P养分的利用率
Fig.5 UptakeratesofnutritioninNitzschiasp.
由此可以看出菱形藻对 NH4-N的利用率最高 , 其次
是 NO3-N, 再次是 NO2-N。 NH4-N的利用率均达到 90%
以上 ,主要原因可能是水体中 NH4-N含量本来不高 , 仅为
0.1206 mg/L,同时 NH4-N存在着一个 NH3挥发过程 , 而
且后期 NH4-N有氧化为 NO3-N的可能。经过 9 d的培养
后 NH4-N基本检测不到。
综合之 , 0%培养的利用率最高 , 原因是纯海水 N、P
含量最低 , 菱形藻为满足生长 , 要充分吸收这些养分。
20%、50%、80%培养的利用率相差不大 , 而 100%培养的
利用率最低 ,菱形藻生长状态也不好。这表明 ,污水中 N、
P营养物的利用率与藻的生长呈正相关。
3 结 论
(1)菱形藻在不同浓度污水环境中均能生长 , 只是
其生长情况低于 f/2, 表明利用污水培养菱形藻是可行
的。
(2)菱形藻营养成分的含量与浓度之间是的趋势低
～高 ～低 , 80%培养的含量最大 , 高于海水培养的 , 与生
长呈正相关。
(3)N、P的利用情况为:NH4-N的利用率最高 ,均达
到 90%以上 , TP和 NO3-N利用率均在 60%以上 , NO2-N
和 TP的利用率分别 40%和 70%以上;纯海水培养的对各
种营养盐的利用率最高。
由此说明 ,利用污水来培养菱形藻是可行的 , 即获得
了营养价值较高的藻种 ,又净化了水源。
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