微藻与水环境修复_高政权

年代以来， 生物技术的飞速发展， 使藻类大规模培养 技术逐步完善。国内外对进一步发挥藻类净化污水的 潜力进行了大量研究， 使藻类净化污水的机理研究取 得了很大进展［５］。 １．１ 消除氮磷等有机物
经济的飞速发展和城市化快速推进， 使得大量富 含 氮 、磷 等 营 养 物 质 的 生 活 污 水 、工 业 废 水 及 农 业 废 水流入自然水域， 从而导致了水体的富营养化［６］。我国 七大水系和周边海域都遭到了不同程度的污染。其中 海河、辽河、黄河、淮河及渤海等污染都相当严重， 基 本全都是由氮和磷引起的水体富营养化和赤潮； 全国 超过四分之三的湖泊也出现了不同程度的富营养化， 尤以巢湖、滇池、太湖为重； 近岸海域四类、劣四类海 水水质占 ３０％， 超标污染物质主要为氮和磷［７］。这已对 生态系统和社会经济的发展造成很大的负面影响。受 技术水平， 短期利益使然和法制不健全因素的影响， 我国大多数污水都未经严格处理就被排放到公共水
收稿日期： ２００７－ ０７－ ０２； 修回 ２００７－ ０８－ １４ 基金项目： 国家自然科学基金项目（ ４０７０６０５０； ４０７０６０４８） ； 山东理工大学博士启动基金项目（ ４０４１－ ４０５０１７； ４０４１－ ４０５０１６） ； 山东理工大学特色学科建设 基金项目资助 作者简介： 高政权（ １９７２－ ） ， 男， 副教授， 博士， 从事藻类生理与生化研究，（ 电话） ０５３３－ ８３７８２３６（ 电子信箱） ｍｅｎｇｃｈｕｎｘｉａｏ＠１２６．ｃｏｍ。
关键词： 微藻； 水环境修复； 氮磷污水； 重金属 中图分类号： Ｘ１７１ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００３－ ６５０４（２００８）０３－ ００３０－ ０５
Ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ａｎｄ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ＧＡＯ Ｚｈｅｎｇ－ ｑｕａｎ， ＭＥＮＧ Ｃｈｕｎ－ ｘｉａｏ
微藻对污水具有很强的清洁能力。能够对污水进 行除氮和磷的微藻有许多种， 效果最好的是螺旋藻、 小球藻、栅藻、颤藻， 栅列藻等。下面着重介绍螺旋藻 修复水环境特点。
由于比较容易从培养液分离出来， 螺旋藻是进行 水环境修复的理想生物材料。螺旋藻是一种生长在非 洲 、墨 西 哥 和 东 非 大 裂 谷 等 热 带 高 温 地 方 碱 性 盐 湖 中 的蓝藻。国内外都有利用养殖螺旋藻等微藻使废水净 化的报道， 并收到初步成效。李志勇等［８］利用糖蜜废液 进行了螺旋藻的培养研究发现， 当废水 ＣＯＤ 在 ５００￣ ３３００ｍｇ／Ｌ 时， ＣＯＤ、糖、ＮＨ４＋－ Ｎ、ＰＯ４３－ 的去除率分别为 ７５％、８０％、７０％￣８５％、６０％￣７５％， 最高生物量可达干重 １．８５ｇ／Ｌ。Ｃｈｕｎｇ 等［９］用螺旋藻对沼气发酵的猪粪废水 进行了二次处理， 结果表明， 氮的同化效率为 ７６％， 通 过小鼠试验没有发现有毒性反应， 生物效价高达 ６７．７％。 Ｏｌｇｕｉｎ［１０］、Ｃｈａｕｈａｎ［１１］、Ｌｉｕ［１２］认 为 大 部 分 废 水 特 别是食品工业的废水都可用来培养螺旋藻。Ｏｌｇｕｉｎ 使 用一种开放式通道的方法培养螺旋藻， 取得了较好效 果 。 目 前 已 有 生 活 、煮 茧 、糖 蜜 、乳 品 等 废 水 经 过 预 处 理后养殖螺旋藻的报道［１３－ １５］。由于丝状的螺旋藻可以 较容易地从培养液中分离出来， 在养殖过程中它能有 效地除去有机废水中的营养源， 在废水处理中很有前 途。实际上， 用经过一定处理的污水培养螺旋藻， 不但 可以使污水得到进一步净化， 减少环境污染， 而且还 可将获得的微藻用作饲料或肥料。这种废水净化方式 成本低， 耗能少， 效益明显， 开发潜力非常大。
第 ３１ 卷 第 ３ 期 ２００８ 年 ３ 月
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ． ３１ Ｎｏ．３ Ｍ权， 孟春晓
（ 山东理工大学生命科学学院， 山东 淄博 ２５５０４９）
摘 要： 目前， 环境污染已威胁到我们人类的生活质量和身体健康。水污染作为环境污染的主要组成部分， 已成为污染治理和环境 修复的当务之急。文章综述了微藻作为一种生物修复工具修复富营养化水源和重金属污染水源的研究进展其国内外研究概况。具体阐 述了微藻修复受污染水环境的机理， 能除氮脱磷的微藻种类、环境因素对微藻除氮脱磷的影响， 利 用 微 藻 除 氮 磷 富 营 养 化 的 研 究 现 状 ， 以 及 利 用 微 藻 作 为 生 物 武 器 消 除 重 金 属 污 染 的 优 势 、特 点 和 现 状 。 重 点 论 述 了 螺 旋 藻 和 小 球 藻 两 种 微 藻 修 复 水 体 污 染 的 概 况 。
目前， 环境污染是我们人类生存面临的最大危机， 这种危机对中国这样的欠发达国家的威胁尤其严重。 水污染是环境污染主要组成部分。１９９７ 年全国工业废 水排放量 ２２６ 亿 ｔ， 达到国家排放标准的仅为 ５１．８％， 生活污水排放量 １８９ ｔ， 处理率不足 ２０％［１］。水体氮和 磷 的 污 染 、重 金 属 污 染 以 及 由 此 造 成 的 水 体 富 营 养 化 问题已成为许多国家以及科学家共同关注的问题。
（ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｚｉｂｏ ２５５０４９， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ ｓｔ ｒ ａｃｔ ｓ： Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ ｌｉｖｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐｅｏｐｌｅ ａｒｅ ｂｅｉｎｇ ｔｈｒｅａｔｅｎｅｄ ｂｙ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ． Ａｓ ｐｒｉｍａｒｙ ｐａｒｔ， ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕ－ ｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｕｒｇｅｎｔ ｉｓｓｕｅ ｉｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｕｔｒｏｐｈｉ－ ｃａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｂｙ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｗａｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ， ｗｉｔｈ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｔｏ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ， ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｒｅｍｏｖｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｏｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ， ａｄｖａｎｔａｇｅｓ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｃｔｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ． Ｔｈｅ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｂｙ ｓｐｉｒｕｌｉｎａ ａｎｄ ｃｈｌｏｒｅｌｌａ ｗａｓ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ｍｉｃｒｏａｌｇａｅ； ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ； ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ
小球藻也有较高的的污水处理能力。小球藻是绿 藻门绿藻纲绿球藻目的一个属， 单生或聚生， 细胞多 为球形、椭圆形、细胞壁很薄， 主要营腐生生活， 在富 含有机质的污水中能大量繁殖。蒋培森等［１６］选用蛋白
核小球藻处理啤酒厂废水污泥。将废水污泥的抽提液 以不同比例与培养基混合， 以不加抽提液的培养基为 对照， 然后分别接种等量的蛋白核小球藻。在 ２５ ℃， １０ｈ 光 照／ｄ （ ５０００Ｌｕｘ） 和 每 天 摇 动 两 次 的 条 件 下 培 养 ， １０ｄ 后 发 现 在 废 水 污 泥 抽 提 液 与 培 养 基 之 比 为 ８０： ２０ 时， 无论是藻生物量还是粗蛋白含量都在几组 处理中是最高的， 与对照相近。日本的山崎繁久等［１７］ 在海生小球藻的培养液中添加白酒酿造的蒸馏废液， 然后在恒温箱内充气， 光照等条件下培养 ７ｄ。结果表 明， 蒸馏废液能促进海生小球藻增殖。胡月薇等［１８］研 究表明， 小球藻在无光异养条件下能利用啤酒厂废水 中多种营养成分。小球藻去除废水中的铵态氮并将它 们转化为细胞中的蛋白质、叶绿素等含氮物质， 并显 著地降低废水中的 ＣＯＤ、ＢＯＤ。吕福荣等［１９－ ２０］研究表 明， 在自养条件下， 小球藻对氮、磷的吸收在开始的前 １２ｈ 内速度比较快， 利用率达 ７０％和 ６０％左右； 吸收 氮 、磷 ２ｄ， 利 用 率 可 分 别 达 到 ７５％和 ６２％； 低 浓 度 的 氮、磷组合有利于小球藻对氮的吸收； 在磷浓度 ５０￣ １００ｍｇ／Ｌ 范 围 内 可 以 有 效 地 吸 收 磷 ， 吸 收 率 接 近 ６０％。升高温度有利于小球藻对磷、氮的吸收。随着固 定化技术的发展， 有些科学家认为固定化小球藻要比 悬浮小球藻净化能力更强一些。把小球藻固定到多聚 糖 凝 胶 中 对 生 活 污 水 进 行 一 级 处 理 ， ３ｄ 内 对 ＮＨ４＋的 去除率达 ９５％以上， ＰＯ４３－ 的去除率则为 ９９％［２１］， 在同等 条件下， 直接用悬浮态的藻细胞进行污水处理， 氮、磷 的去除率均只为为 ５０％［２２］。 １．１．３ 环境因素对微藻除氮磷的影响
微藻能够相当有效地清除水环境中的氮和磷， 但 也取决于环境因素对其的作用。因此要控制好藻类浓 度、温度、ｐＨ 值、污水中氮磷浓度甚至 光 照 浓 度 硅 微 藻处理污水会有很大影响。
藻类浓度的影响： 一般来说， 悬浮微藻的浓度越 高， 处理污水中的氮磷能力就越强， 而且时间也越短。 但是过高的密度也会影响藻类自身， 富集会使光合作 用效率下降， 从而影响污水中氮磷的去除。温度的影响： 温 度 支 配 着 酶 反 应 动 力 学 、微 生 物 生 长 速 率 以 及 化 合 物的溶解度等， 因而对于控制污染物降解、转化起着 关键作用［２３］。ｐＨ 值的影响： 藻类一般喜好接近中性而 不是碱性的 ｐＨ 条件［２４］。通常情况下， 当环境 ｐＨ 值大 于 ８．５￣９ 时， 对藻类生长是有害的［２５］。但是， 在一定条 件下， ｐＨ 值升高也会使氮磷等离子得以除去少部分。 氮磷浓度的影响： 微藻直接受到废水中所含有的营养 物 质 如 氮 磷 等 的 影 响［２６］。 随 着 污 水 中 氮 磷 浓 度 的 增 加， 微藻对营养物质的吸收率也逐渐增大。光照的影 响： 微藻对氮磷等营养物质的去除和微藻的光合作用 密切相关， 只有光合作用正常并且光合作用大于呼吸
第３期
高政权， 等 微藻与水环境修复
３１
域里去了， 因此除去污水中的氮磷是修复水环境的主 要课题。近年来很多研究表明微藻处理污水的潜力很 大， 尤其是对除去污水中的营养物质氮和磷特别有 效。 １．１．１ 微藻修复水环境的机理
微藻是以水为电子供体的光能自养生物。光合作 用过程中， 它们以光能为能源， 利用简单的无机物合 成有机物， 同时消耗、同化污水中大量的氮、磷等营养 物质， 使水源得到净化。微藻对氮磷等营养物质的主 要去除途径一般包括吸收和吸附。微藻利用水中溶解 的 ＣＯ２、ＨＣＯ３－ 和 ＣＯ３２－ 作 为 碳 源 进 行 光 合 作 用 的 同 时， 使废水的 ｐＨ 升高， 从而导致氨态氮的挥发和正磷 酸盐的沉淀， 这也是氮磷等营养物质去除的一条途径［６］。 微藻消化吸收无机氮磷转化成生物量的能力可以有 效的进行氮磷化合物解毒。 １．１．２ 除氮磷的微藻
１ 微藻在修复水环境两方面的应用
微藻也称单细胞藻类， 是一种在显微镜下才能辨 别其形态的微小的藻类类群。约占全球已知 ３ 万余种 藻类的 ７０％［２－ ３］。藻类大多具有从水相中吸收有毒物质 或降解有机污染物的能力［４］。微藻具有资源丰富、种类 繁多、光合效率高、生长速度快 、易 无 性 繁 殖 和 适 应 性强的特点， 因此可利用藻类进行污水处理和水环境 修复。２０ 世纪 ５０ 年代， Ｏｓｗａｌｄ 和 Ｇｏｔａａｓ 最早提出利 用微藻处理污水的想法。后来， 尤其是自 ２０ 世纪 ８０