全 文 ：环 境 工 程
2014 年第 32 卷增刊
栅藻生物膜与水体浮游栅藻的耦合作用研究
尹 涛 丁爱中 程莉蓉
(北京师范大学水科学研究院教育部水沙科学重点实验室，北京 100875)
摘 要:通过构建的光反应器研究了水体与藻垫的关系。结果为:1)培养基加入栅藻后，在温度为 19. 22 ～ 25. 27 ℃周期
性变化条件下，电导率呈现周期性的波动，变化幅度为 1 904 ～ 1 939 μS /cm，pH变化幅度为 8. 88 ～ 9. 58，溶解氧为 7. 22 ～
9. 3 mg /L，叶绿素 a保持周期性的波动，为 6. 16 ～ 77. 59 μ g /L，浊度与叶绿素呈正比例关系，y = 9. 295 2x(Ｒ2 = 0. 916 2)。
2)水体扰动后，水体中叶绿素含量急剧升高到 461. 1 μ g /L，然后逐渐降低到 40. 95 μ g /L;温度在 27. 69 ℃时，叶绿素周期
性波动消失。浊度与叶绿素呈正比例关系 y = 13. 418x(Ｒ2 = 0. 784 6)。3)静置培养，在周期性温度和光照变化条件下，水
体生物量在一定范围内呈现周期性变化。在水体受到剧烈扰动后，水体中的生物量急剧升高;恒定温度，叶绿素周期性变化
消失。不同过程浊度和叶绿素浓度呈正比例关系，比例系数不同。
关键词:光反应器;生物膜;四尾栅藻;水华
COUPLING EFFECT OF SCENEDESMUS QUADＲICANDA BIOFILM AND
PLANKTONIC SCENEDESMUS QUADＲICANDA IN WATEＲ COLUMN
Yin Tao Ding Aizhong Cheng Lirong
(Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education，College of
Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)
Abstract:Aphotobioreactor was constructed and then the relationship between Scenedesmus quadricanda in water and
algae mat was studied． The result is:1)Conductivity is fluctuated cyclically as the temperature and the light changed
periodically after Scenedesmus was added into the medium;pH was in the range of 8. 88 ～ 9. 58;DO was in the range
of 7. 22 ～ 9. 3 mg /L． chlorophyl a was in the range of 6. 16 ～ 77. 59 μ g /L;2)the content of chlorophyll a in water
increased to 461. 1 μ g /L sharply;the indexes above were kept relatively constant under the temperature of 27. 69
℃ ． The conclusion is that biomass changed periodically in a certain range as temperature and light intensity changed
periodically;biomass in water increased sharply as the water column disturbed dramatically;parameters in water keep
similar level under the constant condition．
Keywords:photobioreactor;biofilm;Scenedesmus quadricanda;water bloom
* 国家水体污染控制与治理科技重大专项基金资助项目
(2008ZX07012 － 002 － 004);国家自然科学基金(41040028);北京市
委、市 政 府 重 点 工 作 及 区 县 政 府 应 急 预 启 动 项 目
(Z10110605540000)。
0 引言
随着 80 年代开始的中国工业化进程加深，污染物
大量排入不同水体中，湖泊河流等受到富营养化威胁，
导致藻类的大量繁殖形成水华，其可以产生藻毒
素［1］，影响城市供水等［2］，其中，水体的氮磷营养盐水
平较高时，常可见绿藻大量繁殖，形成绿藻水华，导致
水体透明度下降，遮蔽高等水生植物，最终导致沉水植
物消亡，湖泊形成浓汤型藻型结构。其中，氮磷是影响
湖泊水华发生的重要因素［3］，人们对此有过很多阐
述。而对藻类的生长过程研究，集中在单一藻在均匀
混合的培养液中的生长特性方面［4 － 6］，在野外监测中，
对浮游植物的群体结构变化研究也较多［7 － 9］，对生物
膜与水体的相互关系研究涉及较少。
南海子湖 2010年冬建成引入中水，从而迅速成为一
个富营养化人工湖泊，5—10月水体透明度一般为 50 cm
以下，间或有绿藻水华发生。其中，栅藻为其中常见种。
而在湖泊内部深水区，由于没有阳光照射，藻类不能生
存，而在湖泊边缘，特别是南海子湖泊进水口区浅水区
域，发现大量藻垫。藻垫含有高浓度藻，藻垫和水体中的
浮游植物相互影响。为研究夏季绿藻和藻垫的相互影
响，探索水华发生机制，为预防绿藻水华寻找依据。本文
取南海子湖中常见种四尾栅藻为例进行研究。
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藻的生命周期较短，1 ～ 2 d 可以增长 1 倍［10 － 12］。
其中栅藻也是如此［13］。而监测藻类生长的动态变化
往往以天为单位，时间尺度较大，为了更精细化研究藻
垫与浮游植物的交互影响，需要用更小的时间尺度来
研究藻类生长动态。为此，构建了以分钟为监测频率
的光反应器，光应器具体由光照培养箱、manta 监测
仪、有机玻璃培养容器、充气泵、连接软管等构成。其
中，监测系统采用 manta监测仪，可以实时监测两者的
动态变化。在构建完成后取一定浓度的栅藻液放入
BG －11 培养基，在一定光强和温度下静置培养，待生
成藻垫后，扰动藻垫，并重新设置恒定的光照和温度，
研究不同条件下水体生物量及浊度等参数的变化。
1 实验部分
1. 1 实验过程
四尾栅藻取自中国环科院，用 BG － 11 培养基培
养。首先，取栅藻藻种放置在 250 mL 锥形瓶中，置于
温度为 22 ℃光照为6 000 lux的光照培养箱下培养 1
周，然后取藻液 30 mL，转移至光反应器中。培养器中
培养液为 1 300 mL，设定光照培养箱温度最低 20 ℃、
最高温度 25 ℃，以保证温度在两者间震荡;光照为
6 000 lux，光暗比为 14∶ 10。在转接过程中，均在无菌
操作台上进行。培养后期可见有藻垫生成，然后重新
更换 manta 电池，读取数据，并重新设定恒定光照
9 000 lux，温度为 26 ℃。
1. 2 反应器
如图 1，光反应器包括 manta 野外测量仪、光照培养
箱(HPG －280BX)、有机玻璃反应器以及附属配件。反应
器中manta野外监测仪可实时高精度检测，实验采用 5
min /次设定监测频率进行监测，监测指标包括电导率、pH
值、硝酸盐变化、OD值等。光照培养箱提供稳定可调的
光照和温度。以及有机玻璃培养容器为微生物提供培养
容器，培养仪器为透明有机玻璃空心圆柱体。
图 1 光反应器示意图
1. 3 光反应器组装过程
将内径尺寸和 manta 外径尺寸)相等的空心有机
玻璃圆柱体，上下各开一个进样孔。圆柱体内部位于
中间部位的有三个有机玻璃凸起，用来承接上部manta
监测仪。然后将有机玻璃容器清洗放入灭菌台经过紫
外线消毒。随后将 manta 清洗，然后放入超净工作台，
开启紫外线灭菌。随后将 Manta监测仪旋拧上保护罩
后缓缓压入有机玻璃容器。用凡士林密封上部旋转部
分。通过下部进液口，将培养液注入。随后，注入栅藻
液。开启 manta，放置在光照培养箱内，设定光照培养
箱光照与温度。
其中 A:manta;B:培养容器;C:光照培养箱。其
中监测仪 manta探头有保护罩并放置在有机玻璃容器
的承重支架上，进液口与出液口在需要时可以密封与
开启。培养液以刚刚浸过探头为准，体积为 1 300 mL。
2 结果与讨论
2. 1 栅藻垫周期性培养下水体参数的响应
如图 2，温度在 19. 22 ～ 25. 27 ℃作类似正弦曲线
震荡，温度均值为 22. 72 ℃。高浓度栅藻液接入光反
应器后，接种的栅藻叶绿素浓度为 77. 59 μg /L ，48 h
内急剧震荡下降至 7. 91 μg /L。随后在 6. 16 ～ 7. 91
μg /L 浓度范围内震荡，表明水体叶绿素浓度达到了动
态平衡。浊度从 31. 2NTU 逐渐下降并趋于 0. 1NTU;
溶解氧浓度保持在 7. 22 ～ 9. 3 mg /L，均值为 7. 91 mg /
L，变化幅度不大，比自然水体太湖水体稍低［14 － 15］。
电导率随温度作周期性的波动并逐渐上升，变化范围
为 1 904 ～ 1 939 μS /cm，上升幅度不大。pH 开始从
9. 58 急剧降低到 8. 88，然后再上升到 9. 17，相对于滇
池和洱海［16］及太湖［17］水体较高。
叶绿素浓度呈下降趋势，是因为栅藻在增长过程
中没有搅拌，栅藻沉降到器壁上，栅藻接种初始因为适
应新培养液有部分藻死亡，其余大部分藻依然存活，以
至使水体中 pH 保持在碱性范围内。理想状况下，在
藻类均匀混合条件下培养，由于阿里效应［18］先是停滞
期，然后依次是指数增长期、平台期、衰退期［19］。而对
于栅藻，第 1 天为滞后期，从第 2 ～ 10 天为增长期间，
稍后为平台期［20］。而实际上栅藻的生长曲线表现并
不典型［21］。本实验接种较高浓度栅藻后静置培养，浮
游栅藻生物量在 48 h内表现为下降，随后叶绿素浓度
在保持在 6. 16 ～ 7. 91 μg，期间，观察到反应器底部有
绿色藻垫生成。水体中叶绿素下降期，沉降速度大于
水体中藻类的增值速度。在波动时期，水体中栅藻增
殖速度与沉降速度大体一致，在平台期，水体中藻液沉
降速度与再悬浮速度一致，因此，随后的过程中，水体
中藻液浓度依然保持在一定范围内波动。也就是说，
在一定温度光照条件下水体中藻液浓度保持相对恒
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图 2 周期性波动的光照温度下，水体中栅藻的生长趋势
定，而增加的部分会“析出”成栅藻垫。因此，水体中
的浮游栅藻和藻垫有耦合作用，当浮游栅藻的浓度超
过波动阈值 7. 91 μ g /L的时候，水体中的藻则沉降至
藻垫上。沉降后，水体中的藻液的浓度一定，培养基中
的营养盐被栅藻吸收继续增长，继续增长的藻继续沉
降，水体中的栅藻生物量得以保持在一定范围内波动。
从 1 d内来看，温度变化趋势与水体中的叶绿素浓度
变化趋势一致，在温度最低点时，水体叶绿素浓度下
降，反映了在设定夜晚(温度最低时)，水体中的藻趋
向于向藻垫迁移，在设定白天(温度高时)向水面迁
移。自然界中，夜里温度低，藻类趋于沉降利用湖泊沉
积物营养盐，白天温度高，藻趋于利用阳光进行光合作
用。栅藻迁移现象与湖泊自然水体一致［22 － 23］。温度
与电导率变化趋势有一个滞后期，当温度达到最低点
时，叶绿素急剧降低到最低点，随后为 2 ～ 3 h(在 120
h附近)，电导率达到最低点，说明电导率不只与温度
有关系，还可能与藻类的迁移有关，藻类由于带有负电
荷，有规律的迁移导致水体中的电导率不随温度波动。
2. 2 在藻垫扰动后，藻垫恒定条件下培养水体中参数
的响应
在恒定光照温度条件下进行试验。取出 manta 中
的电池，并设定恒定光照 9 000 lux 和温度 26 ℃。如
图 3，水体中叶绿素急剧升高至 467. 1 μ g /L，这是由
于水体扰动导致的水体中高浓度生物量，说明藻垫中
高浓度藻在水力搅拌下重新释放到水体中。与此类
似，湖泊在适宜的情况下，水体中的增长的藻沉淀到藻
垫上，在风力作用下，水体扰动形成的剪切力使藻垫中
的藻释放到水体中去，导致水体中藻类的急剧升高，同
时湖泊底部营养盐大量释放到水体中去，则会在短时
间内水体形成水华。
图 3 恒定光照和温度下，高浓度栅藻和藻垫系统动态
随后，叶绿素浓度逐渐从 467. 1 μ g /L 降低至
41. 46 μ g /L，浊度从 19. 7 逐渐趋向 3. 8。溶解氧浓度
逐渐从 9. 74 mg /L趋向于 7. 57 mg /L。与前期培养条
件下的浓度类似(图 2)，溶解氧浓度缓慢下降，下降幅
度较小，说明水体中的藻浓度逐渐降低并趋于稳定。
电导率缓慢升高然后趋于一定值，期间浓度幅度波动
不大。pH值保持在较高水平接近 11，显示在高浓度
藻液中水体偏碱性。而电导率与之前相比有较大幅度
降低，表明经长期培养，水体中的营养盐被藻吸收，水
体中的营养盐浓度降低。另外，在同样光强下，生物量
较高时，溶解氧浓度也较高，水体中生物量下降趋势与
溶解氧下降趋势一致。
2. 3 两种条件下的比较分析
图 2，静止培养实验，叶绿素浓度逐渐趋向一定值
7. 91 μ g /L，图 3 扰动实验，叶绿素浓度逐渐趋向一定
值 40. 95 μ g /L，表明藻垫、水体中的藻达到了动态平
衡。两次水体中的叶绿素浓度不一致，说明藻垫在不
同条件下静置培养，水体中的叶绿素阈值不同。图 2
是在 6. 16 ～ 7. 91 μg波动;图 3 在恒定光照温度下，栅
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藻水体中的浓度趋向恒定值 40. 95 μ g /L。培养液中
接种栅藻实验是形成栅藻生物膜的过程;搅动后恒定
条件下实验是高浓度栅藻的沉降过程。搅动后温度、
光照高于接种后的温度和光照强度，所以浮游植物生
物量也高于前者。静置状态下，不同条件下的浮游植
物叶绿素浓度阈值不同。表明在同样营养盐状况条件
下，较高的温度和光照条件下的水体生物量水平较高。
叶绿素和浊度数据开始波动均较为剧烈，随后两
者逐渐显示显著线性相关性。如图 4，接种前与搅拌
前 24 h，两实验开始叶绿素和浊度相关关系不显著，随
后，栅藻生物膜与浮游栅藻相互影响逐渐趋于稳定，叶
绿素浓度和浊度逐渐呈正比例关系。接种离散藻生长
条件下水体叶绿素浓度与浊度的关系为:y = 9. 953 2x
(Ｒ2 = 0. 949 3);在沉降后重新泛起的藻叶绿素浓度与
浊度的函数:y = 13. 418x(Ｒ2 = 0. 784 6)。两种情况
的比例系数与拟合度均不同，其中，比例系数前者小于
后者，拟合程度前者大于后者。在低浓度下，线性关系
更强。上述两实验系数不同，是因为浊度与粒径大小
相关［24］，接种的藻和重新泛起的藻粒径大小是不同
的，接种的藻是离散的四尾栅藻;由于沉降胞外分泌物
质粘合，重新泛起的藻形成粒径较大的聚集体，所以重
新泛起的栅藻粒径大于接种的栅藻的粒径。同样质量
浓度，浊度大小与分散体系内的粒子多少有关。接种
体系粒径偏小，因此关系式的函数式系数偏大;重新泛
起的栅藻颗粒较大，同样质量下的栅藻团个数偏少，浊
度偏小，所以与叶绿素的函数式系数偏大［25］。因此，
通过测定叶绿素与浊度的比例系数既可知栅藻的结合
形态，推测浮游植物的粒径大小。
3 结论
1)在营养盐相同的系统中，不同温度光照条件
下，水体中的栅藻生物量不同。生成的藻分布于藻垫
与藻液中，当栅藻藻垫受到扰动时，水体中生物量增
大，在停止扰动后会逐渐趋向定值，不同的光照温度条
件水体中栅藻的含量不同。
2)水体中的四尾栅藻生物量以及电导率在不同
条件下表现形式不同。在周期性温度光照培养下，浮
游栅藻生物量和电导率存在周期性波动;恒定条件下
叶绿素和电导率周期性波动现象消失。
3)浊度和叶绿素浓度呈正比例关系，比例系数不
同。增殖过程水体中主要由离散栅藻组成，沉降过程
水体中，由于搅动水体中有大颗粒藻团释放到水体中，
导致两个实验过程水体中粒径的不同，因此比例系数
也不同。
a—沉降过程;b—增殖过程
图 4 浊度和叶绿素浓度的相关性分析
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(下转第 363 页)
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统出水较优，COD 去除率约为 70． 8%，NH3 － N 去除
率约为 91. 7%，TN去除率约为 38. 3%。
2)对不同曝气量下生物膜活性分析表明，曝气量增
大有利于生物膜耗氧活性和硝化活性提高，但其对反硝
化活性产生抑制作用，不利于生物膜同步硝化反硝化。
实验运行中曝气量为 220 L/h时，生物膜活性较高。
3)水力停留时间决定了生物膜附着性和营养条
件，对生物膜活性影响明显，过大或过小的水力停留时
间均不利于生物膜保持较高活性。实验系统中水力停
留时间为 12 h时，生物膜耗氧活性和同步硝化反硝化
活性较优。
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作者通信处 刘良军 310051 杭州市浙江大海元环境科技有限公司
E-mail 85587822@ 163． com
2014 － 04 － 21
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收稿
(上接第 298 页)
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作者通信处 尹涛 100875 北京新街口外大街 19 号北京师范大学水利
科学研究院
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2014 － 06 － 03 收稿
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