張 艷，馬 放，李圭白

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

大規(guī)模的藍(lán)藻水華現(xiàn)象嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡，降低水源水質(zhì)［1］，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也使水處理工藝面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。無論是傳統(tǒng)的混凝、沉淀和高級(jí)氧化工藝［2，3］，還是新興的膜 分 離技術(shù)［4，5］，處理效果均與藻細(xì)胞個(gè)數(shù)及其胞外分泌物(extracellular organic matter，EOM)濃度有著緊密的聯(lián)系［6］。為了增強(qiáng)出水效果，通常會(huì)采取適當(dāng)措施調(diào)整相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，如水溫、流速等［7－9］。然而，對(duì)于含藻水而言，上述調(diào)整因子不僅會(huì)改變處理過程中細(xì)胞表面官能團(tuán)、分子間作用力和水體動(dòng)力學(xué)特征，而且會(huì)干擾了藻細(xì)胞本身的生長代謝，并最終可能對(duì)處理效果帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響［10－12］。

因此，本文以銅綠微囊藻作為試驗(yàn)對(duì)象，選擇部分水處理工藝中的運(yùn)行參數(shù)(包括溫度、光照強(qiáng)度和振動(dòng)等)，研究其對(duì)藻細(xì)胞數(shù)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(duì)藻細(xì)胞生長代謝的影響?？疾炱鋵?duì)不同環(huán)境條件的適應(yīng)性，為含藻水處理工藝的研究奠定理論依據(jù)，對(duì)研究相關(guān)處理方法具有十分重要的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 材料及方法

本試驗(yàn)使用的銅綠微囊藻藻種購自中國科學(xué)院水生生物研究所。采用BG－11培養(yǎng)基在錐形瓶?jī)?nèi)對(duì)銅綠微囊藻進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)30 d，定期觀察藻細(xì)胞生長情況并利用溶解性有機(jī)物濃度(dissolved organic matter，DOC)評(píng)價(jià)EOM的濃度變化。在無特殊標(biāo)注的情況下，所有試驗(yàn)的初始藻細(xì)胞濃度均約1×105個(gè)/L，培養(yǎng)溫度為20～24℃，培養(yǎng)液pH約8，全程光照為3000 lux并處于靜態(tài)培養(yǎng)狀態(tài)。在每個(gè)具體試驗(yàn)周期內(nèi)，會(huì)改變相應(yīng)的試驗(yàn)參數(shù)，而其他條件不變。

試驗(yàn)中采用平板計(jì)數(shù)法記錄藻細(xì)胞濃度變化。對(duì)于藻細(xì)胞胞外分泌物濃度，會(huì)先將水樣在測(cè)定前先經(jīng)過0.45μm濾膜過濾，之后采用總有機(jī)碳分析儀(TOC－VCPN，SHIMADZU，JAPAN)進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)藻細(xì)胞生長的影響

由圖1可知當(dāng)水溫從10℃升至30℃時(shí)，在生長穩(wěn)定期可達(dá)到的最高濃度隨溫度的升高而迅速增加。當(dāng)水溫為30℃時(shí)，在培養(yǎng)的第16 d藻細(xì)胞數(shù)量達(dá)到2.6×1010個(gè)/L，是10℃時(shí)的20倍，同時(shí)前者在衰亡期的下降速率也呈現(xiàn)相對(duì)緩慢的趨勢(shì)。然而進(jìn)一步增加水溫至35℃時(shí)，不僅藻細(xì)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(xì)胞濃度迅速下降)。分析認(rèn)為在此溫度條件下，藻細(xì)胞內(nèi)的某些代謝過程由于高溫受到抑制，其最高藻細(xì)胞濃度僅為1.3×1010個(gè)/L。

圖1 不同水溫條件下藻細(xì)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(guī)律Fig.2 Changes of EOM at Different Temperature

圖2證實(shí)EOM的增加速率隨溫度的增加而逐漸增大。當(dāng)水溫在10～30℃時(shí)，隨著藻細(xì)胞個(gè)數(shù)的增加，胞外分泌物的濃度也隨之升高。與圖1相反，當(dāng)溫度升至35℃時(shí)，相比30℃時(shí)胞外分泌物的濃度進(jìn)一步增加。分析認(rèn)為過高的溫度改變了藻細(xì)胞正常的代謝速率。高溫在藻細(xì)胞培養(yǎng)的初始階段促進(jìn)了藻細(xì)胞的生長，同時(shí)也加速了藻細(xì)胞的破裂，導(dǎo)致更多的胞內(nèi)分泌物擴(kuò)散到外部環(huán)境。因此在實(shí)際水處理工藝中，應(yīng)注意原水水溫變化，適時(shí)調(diào)整混凝藥劑投加量，以便獲得最佳處理效果。

2.2 光照對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞生長的影響

自養(yǎng)生活需要依靠光合作用合成有機(jī)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(qiáng)為1000～5000 lux時(shí)，最高藻細(xì)胞濃度經(jīng)歷了一個(gè)快速上升的過程后很快趨于穩(wěn)定，最佳光照條件在4000 lux附近。光強(qiáng)接近5000 lux時(shí)，在生長穩(wěn)定期中藻細(xì)胞最大濃度與4000 lux時(shí)接近。當(dāng)光強(qiáng)僅為1000 lux時(shí)，其生長穩(wěn)定期的最大值亦達(dá)到4000 lux時(shí)的60%。這說明銅綠微囊藻細(xì)胞能相對(duì)有效利用弱光進(jìn)行光合作用。

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

圖4對(duì)比了當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)(3000 lux)，不同光照周期對(duì)藻細(xì)胞生長的影響。相比連續(xù)光照，適度降低光照時(shí)間(光照/黑暗比:18/6、12/12)，藻細(xì)胞生長速率并無明顯變化。進(jìn)一步降低光照時(shí)間至6/18時(shí)，可觀察到藻細(xì)胞生長速率明顯下降的現(xiàn)象，且生長對(duì)數(shù)期推遲。對(duì)于光照浮游植物，光合作用有光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)過程，一般連續(xù)光照會(huì)降低暗反應(yīng)即酶促反應(yīng)的速度，使得藻細(xì)胞生長速率變緩［14］。然而，過度降低光照時(shí)間，同樣會(huì)降低光反應(yīng)。在一些特殊水處理工藝中(比如投加粉末活性炭)，反應(yīng)器中光照強(qiáng)度會(huì)明顯下降，這對(duì)細(xì)胞完整性的影響十分明顯［15］。

圖4 不同光照時(shí)間下藻細(xì)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(yīng)器中一次性投加大量粉末活性炭做預(yù)處理工藝)，反應(yīng)器中光照強(qiáng)度會(huì)明顯下降，此時(shí)需要考慮反應(yīng)器內(nèi)聚集的藻細(xì)胞出現(xiàn)大量死亡并破裂的可能性，因?yàn)檫@對(duì)反應(yīng)器中有機(jī)物濃度變化有著十分重要的影響［16］。

2.3 振動(dòng)對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞生長的影響

在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)液一直處于靜止?fàn)顟B(tài)；但在天然水體中，藻類的生長環(huán)境并不是靜止不動(dòng)的［17］。為了研究水體流動(dòng)對(duì)藻細(xì)胞生長的影響，本試驗(yàn)中采用磁力攪拌器模擬擾動(dòng)條件(轉(zhuǎn)速分別為0、50、150、200r/min)以測(cè)定藻細(xì)胞的生長代謝情況。由圖5和圖6可知隨著擾動(dòng)頻率的增加，細(xì)胞生長速率逐漸變緩。當(dāng)擾動(dòng)頻率在50r/min時(shí)，相比未擾動(dòng)，藻細(xì)胞的生長速率變慢，但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，藻細(xì)胞的繁殖速率逐漸增加，雖然其生長對(duì)數(shù)期延后，但其藻細(xì)胞能達(dá)到的最大濃度與空白試驗(yàn)的數(shù)據(jù)接近。說明在培養(yǎng)的初始階段，擾動(dòng)導(dǎo)致藻細(xì)胞生長出現(xiàn)延遲，但經(jīng)過一定適應(yīng)期后藻細(xì)胞生長狀態(tài)恢復(fù)。但是當(dāng)擾動(dòng)頻率達(dá)到150r/min時(shí)，藻細(xì)胞最高濃度降低(1.6×1010個(gè)/L)。進(jìn)一步提高擾動(dòng)頻率達(dá)到200r/min時(shí)，在生長對(duì)數(shù)期最高藻細(xì)胞濃度僅為0.8×1010個(gè)/L。劇烈的擾動(dòng)還影響了銅綠微囊藻細(xì)胞的代謝過程，降低了分泌物的產(chǎn)生(如圖6)。分析認(rèn)為，擾動(dòng)一方面會(huì)通過影響藻細(xì)胞的光合作用以及對(duì)營養(yǎng)鹽的吸收效率等代謝過程抑制藻細(xì)胞的增殖；另一方面，可能會(huì)直接造成細(xì)胞壁的破裂。

在膜過濾過程中，利用曝氣或?qū)δそM件進(jìn)行豎直或水平方向的振動(dòng)等方法均會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)水體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)［18，19］，這對(duì)膜污染能起到很好的緩解效果。但是，在調(diào)整曝氣強(qiáng)度或振動(dòng)頻率時(shí)需要考慮其對(duì)藻細(xì)胞活性的影響，避免部分藻細(xì)胞破裂帶來污染物增多的現(xiàn)象出現(xiàn)。

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

圖6 不同振動(dòng)頻率下胞外分泌物濃度變化規(guī)律Fig.6 Changes of EOM at Different Vibration Frequency

3 結(jié)論

本文研究了不同生長條件下銅綠微囊藻細(xì)胞個(gè)數(shù)及其分泌物濃度變化規(guī)律，通過定量分析得到如下結(jié)論。

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

(2)試驗(yàn)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(jìn)行光合作用。

(3)不劇烈的擾動(dòng)對(duì)銅綠微囊藻的生長幾乎沒有影響，但在劇烈擾動(dòng)(轉(zhuǎn)速為200r/min)的情況下藻細(xì)胞的生長則會(huì)受到嚴(yán)重干擾。

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