全 文 ：第 巧 卷 第 1期
9 9 1 5年 2月
中 国 环 境 科 学
I C N HA EV I N( ) N RM TS A L〔’I E( N、 E
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固定化栅藻对污水的净化及其生理特征的变化 `
严国安 李益健 王志坚 张忠新 胡玉波
( 武汉大学环境科学系 .武汉 43。。 7) 2
文 摘 将斜生栅藻包埋固定在揭藻酸钙凝胶胶珠中 .对人工配制的污水进行净化 · 研究其对污水中氨氮和正
礴酸盐的净化效率以及净化过程中藻类的生 长 、 叶绿素 含量 、 光合强度和过氧化物酶活性的变化 .并与未固定
的斜生栅藻 ( 悬浮藻 )进行对照比较 结果表明 .由于固定化提高了斜生栅藻的合成代谢生理活性 ,延迟衰老 , 对
污水中氨氮和正磷酸盐的净化效率明显提高 、
关键词 固定化栅藻 污水净化 . 生理变化
自 6 。 年代固定化酶问世以来 , 已逐渐发
展到固定动 、 植物细胞 · 微生物及细胞融合和
DN A 重组细胞 ,研究和应用领域不断扩大 。 从
8 0 年代开始 , 固定化藻类的研究 引起广泛的
兴趣 , 主要 围绕着 用作生物催化剂 、 产 能 、 供
氧 、 废物的生物富积等几个方面展开二’ j 。 利用
固定化藻类的生物富积作用净化污水的研究
包 括对污 水 中 N 和 P 一 : 3」、 烃 类 化合 物 及
汞 〔` 一 6 〕的去除 , 目前仍处于实验研究阶段 。 有
关藻类 固定 化后 生 理 特 征 的 变 化 亦 有报
导 卜 ’ `三。 本文通过对斜生栅藻的固定 ,对照比
较了固定藻和悬浮藻对污水中氨氮 、 正磷酸盐
的净化效率 , 并与其生理特征 的变化结合起
来 , 力图初步揭示其净化机理 , 为进一步深人
研究打下基础 。
材料和方法
1
.
1 实验材料
斜生栅藻 ( S c e n o d o s m u s 动l啊 ,` , ) . 由中国
科学院水生生物研究所藻种库提供 。褐藻酸钠
(分析纯 )为载体 污水人工配制 , 配方如下 :
C a ( N ( )
3
)
: · 4 H 2 ( ) 0
.
8 9
,
M g S ( )
、 · 7 H : ( ) 0
.
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,
K z H P ( ) 4 0
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K N ( ) ; ()
.
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痕量 ,加人 3 0 ( ) 0 n l l 水中
1
.
2 固定化及脱固定化方法 ” 。
将经培养后 的藻离心浓缩 . 弃去上 清液
后 , 与 4%褐藻酸钠溶液均匀混合 , 用滴管吸
取滴在 0 . IM 预冷的 C a CI : 溶液中即成藻珠 ,
静置 2 小时后取出 , 用生理盐水及培养液洗
涤 。 每个藻珠含藻细胞约 1 0 6 个 , 藻珠直径约
为 4 m m 。 在进行固定藻生长等生理特征测定
时必先脱固定化 ,具体方法是将藻珠放人三角
瓶中 ,加人适量的 1 . 5%柠檬酸纳 , 摇动至藻
珠完全溶解 , 即成悬浮状 。
1
.
3 实验方法
将藻种接人 K no p 培养液中培养 10 天
后 . 均分为 2 份 , l 份进行包埋固定 , l 份仍保
持悬浮态 。 然后分别放人两个装有 4 0 m L 人
工污水的锥形瓶中 ,再将锥形瓶置于光照培养
箱中进行人工控制的静态净化模拟实验 。光照
由 1 2w 日光灯提供 ,水面光强为 2 4 0 0 lu x ,每
天 21 小时连续光照 ,温度控制在 24 士 Z C ,每
隔 2一 4 h 摇动 1 次 。 每天定时从锥形瓶中取出
一定数量 的藻珠和 测定一定体积的 污水中
N H犷一 N 和 R沁一 P 含量及藻类生长 、 叶绿素 a
含量 、 光合强度和过氧化物酶活性 始终保持
藻珠与污水的比例不变 。从另一锥形瓶中亦取
得相同体积的污水 ( 内含悬浮藻 ) 以保持与固
定藻 的一致 。 N H亡一 N 的测定采用纳 氏比色
法 , (P ) {一 P 的测定采用钥一锑一抗分光光度
法 匕’ 2止。 藻类的生长以培养物在 6 6 0n m 波长下
收稿日期 : 19 9 3一 0 5一 3 1
* 国家自然科学基金资助项目
1期 严国安等 : 固定化栅藻对污水的净化及其生理特征的变化
的光密度 ( OD 值 )表示 : 叶绿素 a含量测定采
用 L o z a r e n单色分光光度法 ; 光合强度是通过
测定污水中溶解氧的变化来计算得出 , 以碘量
法 ( 即 w m kl e r 氏法 )测定污水中溶解氧 ; 过氧
化物酶活性测定采用分光光度法 , 以每分钟光
密度变化值表示酶活性大小 L’ 3一 。
口 . ~ 一一气
. 一一 - -一 . 量浮藻!匀足藻
结果和讨论
叠’:队舀
}飞泛
2
.
1 对 N H 亡一 N 和 (P ) {一 P 的净化效率
由图 1 、 图 2 可 以看出 , 污水经过静态 5
天的净化 , 污水中 N H丁一 N 和 P O犷一 P 含量大
大减少 , 固定化栅藻的净化效率明显高于悬浮
态栅藻 。 固定藻和悬浮藻对 N H 丁一N 的净化效
率分别为 78 . 7%和 43 . 。% , 固定藻比悬浮藻
高 3 5 . 7% ; 固定藻和悬浮藻对 P O I一 P 的净化
效率分别为 82 . 7%和 7 2 . 7% , 固定藻比悬浮
藻高 10 % 。 两种状态的栅藻的净化效率主要
集中在净化作用的前 3 天 ,污水中 N H犷一 N 和
PO重一 P 的含量急剧下降 , 其去除速率快 。 在净
化作用的第三天 , 固定藻和悬浮藻对 N H才一N
的去除率分别为 5 . 5 %和 40 . 2% , 对 (P ) {一 P
的去除率分别为 79 . 1%和 67 . 3 % 。 以后的两
天 , 悬浮藻对 N H 才一 N 和 P 。 }一 P 的去除速率
均减慢 , 而固定藻对 P O ;一 P 的去除率亦明显
减慢准挤州 H广一N 的去除仍保持高的去除速率
亏
“寸脚I {d )
图 2 斜生栅藻对 (P 刀 一 P 的净化
量浮藻
!匀足藻
弓
日少l,小 d ,
图 1 斜生栅藻对 N H介 N 的净化
ch ve
a ile r 等川曾报导固定在角叉菜 聚 糖
中的 曲栅 藻和 斜生栅藻能在 生小时内去除
9 0厂的氨氮和在 2 小时内去除 1 0 % 的磷酸
盐 。 R o ib ns on 等川对小球藻去除磷的动力学研
究表明 , 固定化小球藻在 12 天实验期间 ,从培
养基中去除 6 % 的磷和从二级处理出水中去
除 4 4% 的磷 。 本项研究结果与之出现一些差
异 , 可能是固定在载体中藻细胞数 、 培养条件
及污染物负荷不 同所致 。 鉴于固定化栅藻对
N H才一N 和 P O {一 P 有高的净化效率 , 尤其适
于污水的三级处理 , 以进一步提高出水质量 。
.2 2 固定化栅藻的生长 、 叶绿素 a 含量 、 光合
强度和过氧化物酶活性的变化
从图 3 至图 6 可知 ,在净化作用开始后第
一天 , 固定化栅藻的生长 O D 值 、 叶绿素 a 含
量 、 光合强度和过氧化物酶活性均略低于悬浮
藻 , 这是 由于栅藻固定后 , 藻细胞微环境发生
改变 , 对藻细胞有 一 “ 伤害期 ” 或适应期匕 1 , 8 , 〔 `一 ,
而 图 l 、 2 所示 , 固定 藻对 N H丁一 N 和 (P )犷甲
的净化效率未受这一伤害期 ” 的影响 , 仍高于
悬 浮 藻 , 这 可 能 是载体凝 胶对 N H 丁一N 和
(P 刃 一 P 的吸附导致污水中含量减少的缘故 。
载体凝胶对汞 的吸附作用 已有报道川 , 而对
N
、
P 的吸附并传质 , 促进 了藻类的吸收 , 使净
化效率得以提高 这方面的研究未见报导 ,有
待以后进一步研究 。 适应期以后 , 固定藻的生
理活性大大提高 , 最后 除过氧化物酶活性外 ,
其生长 O D 值 、 叶绿素 a 含量和光合强度均高
于悬浮藻 。
藻类的生长通常采用细胞计数 、 生物量称
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中 团 环 境 科 学 1 5卷
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图 3
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斜生姗藻生长 OD值比较
2 3 4
时1 ( t ad)
图 6斜生栅藻过氧化物醉活性的变化
一 固定旅 一户夕ǎ,任·创已à-如川书肠古
3 4
时间 (d)
图 4 斜生橱燕的叶绿素 a 含 t 变化
一一一一一一
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O es es ~~ 叼
固定旅
悬浮`
3
时 .(1 (d )
图 5 斜生栅燕光合强度的变化
重及 O D 值表示等 3 种方法 , 从图 3 可 以看
出 , 固定藻的 O D 值除第一天外均高于悬浮
藻 。 aB il ez 等困曾研究固定化丛粒藻的生长并
报道 , 固定藻生长速度略低于悬浮藻细胞 , 细
胞的形状相 同 , 但大小为悬浮藻的 2 . 5 倍 。
R o b i n s o n 等 [ 9」的研究表明 , e o Z是固定化藻细
胞的生长限制因子 , 由于 C O : 在载体中的扩
散受到限制 , 使得固定在载体中的藻细胞密集
在载体胶珠的外围 。 因此 , 固定藻的 O D 值高
于悬浮藻并不表示其生长速度高于悬浮藻 。但
可间接表明固定藻的综合生理活性高于悬浮
藻 。 虽然固定藻的生长速度低于悬浮藻 ,其叶
绿素 a 含量却高于悬浮藻 , 主要原因可能是固
定化状态下人射到藻珠中的光减少及 自我遮
暗而促进光合色素的合成比 9〕。
aB il ez 等 sj[ 曾报导固定化丛粒藻细胞光
合放氧量是悬浮藻的 3 倍 。 但从图 5 可知 , 固
定化栅藻的光合强度仅是悬浮藻的 1 . 2倍 ,两
者相差没有那么大 ,这与 Jea fn ils 等 匕`。〕的研究
是一致的 。 固定藻的光合强度高于悬浮藻 ,可
能是 由于固定化能增加在光合作用过程中起
关键作用的光系统活性 , 特别是光系统 I 的短
波光反应活性 。
过氧化物酶是植物体内常见的一种氧化
酶 , 与体内呼吸作用强度有关 。 对两种状态的
斜生栅藻细胞内过氧化物酶活性测定 ( 图 6)
表明 , 除净化作用第 2 天外 , 固定藻的过氧化
物酶活性均略低于悬浮藻 。 可见固定化载体中
藻类细胞的浓度直接影响藻类的呼吸代谢活
性 。 R o b in s o n 等 Lg〕也曾发现固定化小球藻的呼
l-`性101匀,臼n叨ó6,lù么LL仓住
(l=é任:`,一。匕如双侧暇
1期 严国安等 :固定化姗旅对污水的净化及其生理特征的变化
吸速度低于悬浮藻细胞 。
在 5天的净化作用期间 , 固定藻和悬浮藻
的生长 O D 值 、 叶绿素 a 含量 , 光合强度及过
氧化物酶活性的变化是随时间而提高的 ,其提
高的速度主要集中在前 3 天 , 随后则变慢 , 变
化平缓 。 与图 l 、 图 2 对照可见 ,其生理活性的
变化与 N H才一 N 和 P。 ;一 P 的净化效率变化趋
势基本一致 。 所以可以这样认为 ,固定化燕类
提高了对污水中 N H才一 N 和 (P ) ;一 P 的净化效
率主要是由于 固定化提高了藻类的合成代谢
生理活性 , 延迟衰老 , 并在一定程度上降低了
藻类的分解代谢活性 。 另外 , 固定化载体对 N 、
P 的吸附亦有一定的作用 。
其光合强度增大 , 放氧量高的优势 ,建立 固定
化藻菌共生系统 , 以提高净化效率 。 研究高效
生物净化反应器 , 提高工作稳定性 ,充分发挥
藻类的净化作用潜力 ,使固定化藻类逐步走向
实用化 。
3 结论
固定化栅藻对 N H才一 N 和 PO童一 P 的净化
效率明显高于悬浮态栅藻 ,对藻类进行固定用
于污水的净化处理 , 以提高污水的净化效率 ,
是一条实用 、 可行的新途径 。 特别是用作三级
处理方法 , 以进一步提高出水质量 。今后 ,应大
力开展适合于污水处理为 目的的固定化技术
和载体的研究 ,研制出使用方便 、 价格低廉 、 无
公害 、 载藻量高的新载体及新固定化方法 。
藻类固定化提高了对污水中 N H户一 N 和
P O {一 P 的净化效率主要是由于提高了藻类合
成代谢生理活性及降低了分解代谢活性 。载体
本身对 N 、 P 的吸附亦起一定作用 , 其净化机
理有待进一步研究 。 在以后的研究中 , 既要重
视藻类对废物的吸收富集作用 , 亦要充分利用
, 考文献
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, 1 9 8 5 , 7 : 6 2 1一 6 2 4
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,
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.
19 8 5
.
6 3 : 2 7 7 ~ 2 8 3
12 中国国家环境保护局 . 水和废水监侧分析方法 (第三
版 ) · 北京 : 中国环境科学出版社 , 19 8 9
13 章狡德等 · 植物生理实脸法 . 南 昌 : 江西人民出版社 ,
1 98 6
Im m o b U七 a t io n o f s ce ne d e s ntu s f o r s e w a g e P u r i f i c a t io n
a n d e h a n g e o f it s P h y s io l o g ic a l e h a r a c t e r is t ic s
Y a n G u o a n
,
L i Y i i ia n
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W a n g Z h l ii n g
,
Z h a n g Z h o n g x in a n d H u Y u b o
D e p a r t m e n t o f E
n v ir o n m e n t a l 段 ie n e e , W u h a n U n l v e r s i t y , W u h a n 4 3 0 0 7 2
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t h i s p a p e r s t u d ie d t h e p u r if ie a t io n e f f ie i e n e ie s o f a m m o n i a
一 n it r o g e n a n d o r t h o
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, t h e e o n t e n t o f e h l o r o p h y ll a
,
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一
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p h a t e b y im m o b i li z e d a lg a e a r e o b v io u s l y h ig h e r t h a n t h o
s e b y f r e e
a l g a e b e e a u s e im m o b il i z a t io n o f a lg a e m a y la r g e l y r a is e i t s s y n t h e t i e m e t a b o i e a e t iv it ie s
.
K e y w o r d s : im m o b i li z e d S c e n e d 尸 s m u s
, s e w a g e p u r i f i e a t i o n
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