姚丹丹，梁英輝，穆 丹，李青楠

(佳木斯大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

微藻(Microalgae)是指一類富含葉綠素a并且能夠進(jìn)行光合作用的微生物的總稱。微藻在陸地湖泊、海洋及其它水域中廣泛分布，個體微小，只能在顯微鏡下分辨其形態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有100萬種藻類，而已知的微藻有40000余種。目前，使用生物技術(shù)大量種植或生產(chǎn)的微藻分屬于藍(lán)藻門、綠藻門、金藻門和紅藻門四個門，其中普通小球藻(Chlorellavulgaris)、蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、亞心形四爿藻(Tetraselmissubcordiformis)、固氮藍(lán)藻(Nitrogen-fixingcyanobacteria)、魚腥藻(Anabeanasp.)、擬柱胞藻(Cylindrospermopsisraciborskii)、鼠尾藻(Sargassumthunbergii)、梅尼小環(huán)藻(Cyclotellameneghiniana)、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)等已有應(yīng)用[1-5]。微藻具有含油量高、易于培養(yǎng)、生長周期短、生長速度快、生長空間廣闊的優(yōu)點(diǎn)。此外，該藻類還可以用于重金屬的生物吸附、污水處理和環(huán)境評估等領(lǐng)域。早在上世紀(jì)40年代，微藻規(guī)模養(yǎng)殖的研究開始在美國、日本、德國和以色列等國開展[6-7]。近年來，微藻異養(yǎng)化高細(xì)胞密度培養(yǎng)技術(shù)的研究證實(shí)，微藻既可以進(jìn)行光能自養(yǎng)，也可以進(jìn)行細(xì)胞異養(yǎng)培養(yǎng)[8]。微藻可以吸收稻田污水中的重金屬、無機(jī)鹽，且可降解農(nóng)藥、酚類、烷類等有機(jī)物[9-11]。同時，微藻作為一種模式生物，其光合作用機(jī)制、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究，常應(yīng)用于污水處理、餌料加工及動物飼料添加劑的生產(chǎn)中[12]。

由于藻類是微生物主要類群之一，在其生命過程中，對于轉(zhuǎn)化和改善稻田肥力、稻田養(yǎng)分具有直接或間接的影響。前人的相關(guān)研究[13-14]主要集中在微藻的固氮作用和對稻田氮損失的影響等方面，而微藻對施入稻田的化肥在稻田中的轉(zhuǎn)化、遷移、固定、損失等過程的影響程度與作用機(jī)理及其相關(guān)的影響因素仍未進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究。近年來在稻田生產(chǎn)中，含氮、磷肥料的大量施用、工業(yè)廢水的集中排放，導(dǎo)致稻田中的種苗生長受到抑制、進(jìn)而造成水稻質(zhì)量下降[15]。本文在總結(jié)稻田利用微藻凈化水質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了微藻凈化和修復(fù)的效果報道，以期為提高稻田產(chǎn)量、土壤營養(yǎng)利用率、改善農(nóng)藥、化肥引起的環(huán)境污染問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 微藻對于稻田中氮、磷等營養(yǎng)成分的利用

稻田水中富含氮、磷等營養(yǎng)元素，為水稻生長提供必需條件，同時也促進(jìn)了稻田中微藻的生長。微藻的生長不但可促進(jìn)稻田養(yǎng)分的生物轉(zhuǎn)化與循環(huán)，最重要的是微藻能吸收固持氮、磷，有利于稻田中土壤肥力的提高，避免流失到水環(huán)境中造成環(huán)境危害[16]。總之，微藻生長對水環(huán)境是災(zāi)害，而對稻田則有其有利的一面。故相關(guān)學(xué)者利用微藻處理稻田污水，力圖將稻田污水處理與微藻資源利用充分結(jié)合起來。

1.1 微藻具有固氮、固磷作用

微藻可通過有機(jī)氮化合物和無機(jī)氮化合物的光合作用，在其細(xì)胞中合成氨基酸和蛋白質(zhì)?？到鸹ǖ萚17]通過野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，固氮藍(lán)細(xì)菌可以利用空氣中的分子氮來合成氮化合物，并不斷豐富土壤中的氮化合物。Magorzata等[18]研究顯示，生長小球藻的廢水中，總氮和總磷含量分別下降了88%和99%。楊文鑫[19]通過固定氮的濃度調(diào)節(jié)氮磷比值，試驗(yàn)結(jié)果表明小球藻的生長與氮磷比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，氮磷比為32:1條件下對小球藻生長的影響較顯著。曹煜成等[20]得出蛋白核小球藻數(shù)量與氮磷的消耗呈正相關(guān)。Marzieh等[21]研究表明即使廢水中的CO2水平高達(dá)24%的情況下，小球藻也可適應(yīng)并生長良好，同時可以吸收70.00%～95.00%的氮和磷。呂福榮等[22]的研究表明，小球藻對于氮、磷的吸收效率，因氮、磷組合濃度的不同而存在差異，在一定濃度范圍內(nèi)可以有效地吸收磷元素，溫度升高或照明增強(qiáng)有利于磷和氮的去除。

微藻對氮、磷的吸收隨著時間的推移而逐漸增加。梁慧元等[23]研究表明在72 h內(nèi)，固定化污泥/固定化小球藻初始比率(R=1/3)的共培養(yǎng)系統(tǒng)對氮、磷去除效率較高。姜紅鷹[24]在一系列模擬試驗(yàn)中表明小球藻對廢水中氮、磷的去除效果明顯，在模擬廢水中經(jīng)過3～6 d，小球藻對氨的去除率可達(dá)80%。由于微藻對氨氮的吸收不涉及氧化還原反應(yīng)，所需要的能量較少，但對于硝氮和亞硝氮的吸收則需通過硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶轉(zhuǎn)化成氨氮再被吸收，故在這3種無機(jī)氮都存在的情況下，微藻優(yōu)先利用氨氮[25]。

1.2 微藻能夠提高氮、磷利用的有效性

微藻在光照充足、營養(yǎng)源豐富的條件下，通過光合作用吸收磷酸鹽并將其轉(zhuǎn)化成磷脂、ATP等有機(jī)磷化合物，也可以通過吸收降解、生物富集等方式，提高污水中各種氮、磷營養(yǎng)物的有效性。

孔欣等[26]通過室內(nèi)試驗(yàn)得出小球藻生長既受氮磷營養(yǎng)鹽濃度水平影響，又受到氮磷比值影響。Fu等[27]研究確定磷對小球藻具有激發(fā)作用，在氮限制條件下，略微過量的磷(≤ 45 mg/L)可刺激小球藻的細(xì)胞生長，且生物量增加10.2%。王曉昌等[28]研究表明在一定的氮、磷濃度范圍(NO3--N: 1～8 mg/L；PO43--P: 0.2～1.0 mg/L)內(nèi)，小球藻生物量受初始磷濃度的影響較大，磷濃度為0.4 mg/L時小球藻生長最好；小球藻葉綠體中PSⅡ反應(yīng)中心的最大光合作用效率(Fv/Fm)值可綜合表征小球藻的生長指標(biāo)、氮和磷的吸收利用率以及營養(yǎng)鹽脅迫下小球藻的生長，在固定磷濃度條件下，提高氮濃度，F(xiàn)v/Fm均值也會隨之增加，發(fā)生磷脅迫的Fv/Fm閾值為0.18～0.24。Wang等[29]研究發(fā)現(xiàn)污水中主要的營養(yǎng)物質(zhì)如磷、氮等影響小球藻超負(fù)荷吸收鉻和硒的能力，試驗(yàn)通過測定金屬富集系數(shù)來評價小球藻對金屬的吸收能力。結(jié)果表明，當(dāng)加入一定濃度的磷時，小球藻吸收金屬的能力下降。Tnia等[30]研究顯示小球藻能夠去除濃縮廁所廢水(即黑水)中存在的無機(jī)氮和磷，其中氮與磷的比例為15～26；小球藻對于氮、磷的去除效率，因?yàn)閺U水中的氮磷比不同而存在差異，導(dǎo)致磷的去除效率加快的同時，氮的去除效率相對降低。

2 微藻對重金屬的吸收與富集

在工業(yè)化和城市化進(jìn)程中，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展加快，導(dǎo)致印染、造紙等污染行業(yè)排放廢水以及大量施入的化肥導(dǎo)致稻田污染嚴(yán)重。其中，重金屬污染導(dǎo)致水稻中的重金屬殘留物影響稻米質(zhì)量，間接危害人類健康[31]。沈德中等[32]研究了Cu、Ni、Pb、Zn等四種重金屬對稻田內(nèi)藻類的綜合影響，發(fā)現(xiàn)土壤—藻類系統(tǒng)中不同重金屬濃度的臨界值如下：Cu2+為50 mg/kg、Ni2+為50 mg/kg、Pb2+為150 mg/kg、Zn2+為300 mg/kg。班龍科等[33]應(yīng)用時間依賴微板毒性分析法研究發(fā)現(xiàn)，5種重金屬(銅、錳、鎘、鋅、鉛)對小球藻的毒性隨時間逐漸增大，具有明顯的時間依賴性。

微藻產(chǎn)生的胞外聚合物可與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合，通過有效控制微藻生長過程和環(huán)境中各種重金屬離子的濃度來抑制和預(yù)防重金屬污染[34]。王樹磊等[35]研究表明，蛋白核小球藻的抑制率與重金屬的濃度存在明顯的量效關(guān)系；與葉綠素含量、吸光度變化相比，F(xiàn)v/Fm對重金屬脅迫的響應(yīng)最為穩(wěn)定和敏感；從EC50值的比較來看，Cd2+對原球藻的毒性最高，其次是Cr6+和Pb2+，而Mn2+毒性最小。劉忠曉[36]以不同接觸時間對小球藻吸附重金屬鎘進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明Cd2+在100 mg/L濃度下，小球藻對Cd2+的吸附效率為86.6%。Rollemberg等[37]研究了小球藻吸附鎘離子的機(jī)理，結(jié)果表明污水中氫離子濃度與堿金屬陽離子之間的競爭影響普通小球藻對于鎘離子的吸附作用。

馬駿馳[38]研究顯示活體亞心形四爿藻對受污染海水中Pb2+、Hg2+、Cr2+、Cd2+等4種重金屬均具有良好吸附效果。耿紅等[39]研究表明，低濃度(0 ～0.50 mg/L)的Hg2+和Cd2+由于毒性興奮效應(yīng)能刺激普通小球藻細(xì)胞密度的增長，促進(jìn)葉綠素含量增加和蛋白質(zhì)合成。聶利華等[40]發(fā)現(xiàn)，擬柱胞藻能夠快速有效地吸附重金屬，降低重金屬(尤其是Pb2+、Hg2+、Ag+、Cu2+)引起的水環(huán)境污染，從而達(dá)到改善水質(zhì)的功效。周書奎等[41]以小球藻作為廢水重金屬生物吸附劑的試驗(yàn)表明，隨著Pb2+濃度的增加，小球藻對廢水中Pb2+的吸附效率呈下降趨勢。Chong等[42]研究了普通小球藻和四尾柵藻等11種藻類處理綜合污水中的鎳和鋅的規(guī)律性。經(jīng)過小球藻處理90 min后，鎳的濃度從30 mg/L下降到10 mg/L，這是由于污水pH值會隨微藻光合作用升高，進(jìn)而在堿性條件下導(dǎo)致部分重金屬離子以微沉淀的形式析出[43]。孫東紅等[44]利用原子吸收分光光度法，研究魚腥藻對電鍍污染水體中Zn2+的修復(fù)效果的結(jié)果顯示，魚腥藻濃度為629.2 mg/L時，水中的Zn2+濃度由3.296 mg/L降至0.748 mg/L，單位吸附量達(dá)4.859 mg/g。陳家武等[45]將梅尼小環(huán)藻固定化處理后，對含Cd2+的廢水進(jìn)行吸附研究，在pH值為7.0時，梅尼小環(huán)藻對Cd2+的吸附量為4.78 mg/L，去除率可達(dá)96.25%。陳家武等[46]還采用稻田污染模擬試驗(yàn)，得出有藻田的稻谷Cd殘留比無藻田的降低76.47%。由此可見，微藻對稻田中重金屬的吸附可發(fā)揮良好的效果。

3 微藻能有效降解有機(jī)化合物和無機(jī)化合物

藻類、腐殖質(zhì)和金屬離子可以在光條件下通過一系列復(fù)雜的光化學(xué)過程相互作用而形成復(fù)合物，降解水中的有機(jī)污染物。污水中的有機(jī)化合物可以作為微藻生長的碳源。研究發(fā)現(xiàn)[47]，大部分微藻可以進(jìn)行混合培養(yǎng)，即能通過光合作用利用空氣培養(yǎng)液中游離的CO2分子作為碳源，并利用光能合成自身的復(fù)雜有機(jī)物。因此，藻類可以有效的降解污水中的有機(jī)化合物，如碳?xì)浠衔?、淀粉、麥芽糖、農(nóng)藥、烷烴以及其它金屬有機(jī)化合物等生物難降解的有機(jī)物[48]。

Hu等[49]研究表明，固定化小球藻在廢水處理過程中具有去除營養(yǎng)的巨大潛力，基于瓊脂固定的小球藻，可以有效地從分批和連續(xù)培養(yǎng)物中去除NH4+-N和PO43--P，去除效率最高為96%～99%。固定在瓊脂上的微藻即使被回收八次，仍然能夠去除94%的NH4+-N和66%的PO43--P。吳敏等[50]研究發(fā)現(xiàn)，將微囊藻毒素降解細(xì)菌和橢圓小球藻共同固定化后，MC-LR的降解效果好于單獨(dú)固定化細(xì)菌。Bordel等[51]分析了封閉光生物反應(yīng)器中小球藻和革蘭氏陰性菌生物降解污染物的機(jī)理，更好地了解微藻、細(xì)菌、光和污染物濃度之間的復(fù)雜關(guān)系，將促進(jìn)藻細(xì)菌工藝的發(fā)展，可將其作為廢水回收和從廢水中生產(chǎn)藻類的經(jīng)濟(jì)有效替代方案。Magorzata等[18]研究顯示，利用小球藻處理廢水，使廢水中N-NO3的含量減少88.6%，N-NO2的含量減少74.3%，溶解的正磷酸鹽減少99%。孫紅文等[52]利用普通小球藻、蛋白核小球藻和斜生柵藻處理偶氮染料污水的試驗(yàn)表明，蛋白核小球藻生長最好，脫色率最高。在10種單偶氮染料中，酸性紅B的脫色率高達(dá)89.8%。

4 研究展望

微藻對于稻田水質(zhì)的凈化機(jī)理如下：對于稻田水中的氮、磷營養(yǎng)成分，主要依賴于藻類進(jìn)行水體中氨氮的同化吸收，通過磷酸鹽化學(xué)沉淀與水中的陽離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+等)結(jié)合，經(jīng)沉淀去除水體中的磷；在重金屬凈化機(jī)制方面，微藻可以利用自身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，快速吸附已經(jīng)溶解于水中的金屬離子，然后運(yùn)用固液兩相法達(dá)到分離和去除污水中的金屬離子的目的[53]；微藻還可以利用光化學(xué)反應(yīng)，降解水中的有機(jī)污染物及其它無機(jī)化合物，從而凈化稻田水質(zhì)。

綜上所述，利用微藻吸收和降解稻田中的氮、磷營養(yǎng)素、吸收與富集重金屬、與無機(jī)鹽結(jié)合降解多種有機(jī)物來修復(fù)稻田污染符合生態(tài)學(xué)原理。盡管近年來有關(guān)微藻處理污水的研究越來越多，但大多數(shù)研究集中于評估微藻不同物種的形態(tài)變化和抗逆生理生化特性上，未來應(yīng)加強(qiáng)微藻抗逆機(jī)制及分子生物學(xué)等方面的深入研究，為后續(xù)微藻修復(fù)稻田污染的應(yīng)用推廣提供參考依據(jù)。