有些学者将固定CO₂和污水处理结合起来,筛选出一些既能固定CO₂又能清洁污水的微藻。在光照强度240μmol/(m-s)、初始氮浓度128 mg/L、通气比0.3 m3/ ( m3.min )、通气通断间隔15 s/60 s条件下培养小球藻,研究其对CO₂固定和脱氮除磷效果结果表明在培养期间 ,小球藻 最高固碳速率达到564.67 mg/ (Ld),氮、磷去除率分别为66.72%、55.95%。在微重力条件下研究小球藻在四种废水中以及通入高浓度二氧化碳时的生长状况,试验结果表明,小球藻在四种废水中均能生长，且能有效吸收氮磷等污染物,通入高浓度CO₂时,小球藻的固碳效率有显著提升。耦合CO₂减排和污水生态处理微藻资源化培养是现今环境领域关注的主题,但现在大多学者主要关注的是CO₂耐受藻的选择及微藻对工业CO₂的吸收效果研究,忽略了微藻在自然条件下对CO₂的吸收。因此本次试验选取斜生栅藻( Scenedesmus obliqus )、绿球藻( Chlorococcum sp. )和普通小球藻为试验对象，研究三种微藻在相同条件下对尿素氮、硝态氮、铵态氮的去除率及对CO₂固定的效率。

将对数生长期的斜生栅藻、绿球藻和普通小球藻分别接种至无碳源且以尿素氮( CH4N2O)、硝态氮( NaNO3 )和铵态氮( NH4Cl4 )为混合氮源的BG-11培养基中,各氮素质量比为1 :1: 1 ,氮的质量浓度为247 mg/L ,藻细胞初始密度均为1x 106cells/m L ,培养体积为1.5L,每组设3个平行,培养周期为6 d ,期间持续通入空气(流速为300 m L/min )以提供碳源,培养条件与藻种培养时一致,每天震荡3次。取样测定培养液中尿素氮、硝态氨和铵态氮的含量及微藻的细胞密度和干重。

三种微藻生长曲线

如图1所示,在相同条件下三种微藻生长曲线呈现指数增长,符合微藻生长规律。从第三天开始,三种微藻生长差异显著( P<0.05),普通小球藻的细胞密度 显著高于斜生栅藻和绿球藻( P<0.05)。第六天时斜生栅藻、绿球藻和普通小球藻细胞密度分别为687.67x10⁴、616.87x10⁴和1161.52x 10⁴ells/m L。

图1 三种藻类的生长曲线

三种微藻比生长率变化及CO₂的固碳速率

微藻比生长率见表1 ,培养期间三种微藻的比生长率均先上升后下降趋势,以第三天时最高;三种藻类间以普通小球藻最高,第三天时为0.87d^-1 ,显著高于斜生栅藻和绿球藻( P<0.05)。第六天时,斜生栅藻、绿球藻和普通小球藻的比生长率分别为0.18、0.19、0.15d-1,三者间无显著差异( P>0.05)。试验期间,在通入300 m L/min自然空气情况下,普通小球藻对CO2的固定速率呈先上升后下降的趋势(图2) , 第三天达到最大值,为0.217g/ (Ld) , 显著高于绿球藻和斜生栅藻( P<0.05 )；斜生栅藻和绿球藻在第六天达到最大值,分别为0.125和0.142g/ (L:d)，普通小球藻为0.119 g/ (Ld) ,此时三者间无明显差异。

表1 微藻比生长率

图2 三种微藻CO2固碳速率

三种微藻对不同氮源的去除率

斜生栅藻对三种氮源的去除率如图3所示，自第一天开始,斜生栅藻对尿素氮、硝态氮、铵态氮的去除率存在显著差异( P<0.05)，至第六天时,培养液中三种氮源浓度分别为6.73、73.44、81.54 mg/L ,去除率分别为92.86%、79.28%、 22.86% ,斜生栅藻对尿素氮的去除率显著高于对硝态氮和铵态氮的去除率( P<0.05)。绿球藻对三种氮源的去除率在第二天开始存在显著差异( P<0.05) ,第六天时,培养液中尿素氮、硝态氮和铵态氮的浓度分别为20.78、70.56和64.00mg/L ,绿球藻对硝态氮的去除率为80.10% ,显著高于对尿素氮( 77.98% )和铵态氮( 39.45% )的去除率。可见绿球藻对硝态氮的去除效果优于尿素氮和铵态氮。普通小球藻，第六天时,培养液中尿素氮、硝态氮、铵态氮浓度分别为35.89、67.20、69.07 mg/L ,对三种氮源的去除率分别为61.96%、81.04%、34.66% ,三者间存在显著差异( P<0.05) , 说明普通小球藻对硝态氮的去除效果最好。

图3 三种微藻对不同氮源的去除率

三种微藻的生长及固碳速率

微藻由于自身的结构特性,能够进行光合作用,合成有机物,满足自身生长需求并储存多余能量。通过食物链,将固定的碳传递至鱼类、类或哺乳类等高等生物,这些生物的排泄物又可被低等生物利用。经食物链的传递,一部分碳被固定进入底泥，另外一部分被移出水体。相对于森林储存的碳几百年内大部分会重返大气,储存在水体中的碳则几乎很少返回大气。据测算小球藻、栅藻和水华鱼腥藻含碳量分别达46.38%、51.28%和68.76%。因此藻类被公认为提高碳汇的重要载体。了解微藻的自然生长及固碳速率可以为碳汇测算提供理论基础。

本研究中三种藻类在培养期间细胞密度随时间的增加而增加,说明在该条件下三种微藻均能正常生长。三种微藻比生长率逐渐上升在第三天达到最大值，随后降低,其中普通小球藻的平均比生长率高于绿球藻和斜生栅藻,说明普通小球藻在培养期间物质积累最多,且藻种不同物质积累的速率也有差异。

CO₂作为光合作用的必要条件之一,其固定速率反 应了微藻对CO₂的吸收转化能力,对我们筛选和评价微藻固定CO₂能力有重要意义。不同微藻固碳能力不同 ,因此了解微藻的固碳差异对后续研究具有现实意义。对水华鱼腥藻( Anabaena flos-aquae )、小颤藻( Oscillatoria tenuis)、阿氏颤藻( Oscillatoria agardhii)、水网藻( Hydrodictyon reticulatum)、斜生栅藻和鞘藻( Oedogonium sp. )六种淡水微藻在相同条件下进行培养,发现六种微藻的固碳速率有显著差异;以藻液初始浓度A680=0.3+0.1接种, 无碳的BG II培养基为基础通入0.04%、5.00%和20.00%的CO2(V/v) , 气体流量为200 m L/min的条件下,研究两株绿藻对CO2浓度响应,结果表明在0.04%条件下小球藻FACHB- 1580和栅藻FACHB- 1618 CO₂平均固定效率分别为0.352和0.425g/( Ld),5.00%和20.00%CO2条件下平均固碳速率均高于0.04%。本文中普通小球藻、绿球藻和斜生栅藻平均固碳速率分别为0.115、0.096和0.067 g/(Ld),说明在整个培养期间,普通小球藻吸收的CO2比绿球藻和斜生栅藻多,具有较好效果。中普通小球藻与斜生栅藻平均固碳速率低于卫晴的试验结果，这可能与微藻初始浓度及氮源不同有关。普通小球藻固碳速率在第三天出现拐点,这是由于细胞密度较大,藻液对光的掩蔽效应增强,光合作用变弱。

微藻对不同氮源的吸收和利用

微藻能直接利用水体中的铵态氮,通过转氨基, 迅速合成自身所需氨基酸;而硝态氮和尿素氮需要经过硝酸酶和尿素酶通过还原和脱羧产生铵态氮,最终被微藻吸收。当硝态氮、尿素氮作为唯一氮源时,藻类生长需要面临更多的还原压力,因此硝态氮、尿素氮被认为不是一种经济的生存策略。但不同微藻对不同形态的氮源利用存在差异,且对浓度要求也不一样,如:低浓度铵态氮促进铜绿微囊藻生长,高浓度会对其产生生长胁迫。

研究发现,硝酸氮是小球藻最适氮源,而研究发现尿素对蛋白小球藻生长、色素积累优于硝态氮和铵态氮；研究不同氨源对布朗葡萄藻( Botryococcus brauni )生长、总脂和总烃含量的影响中发现硝态氩是布朗葡萄藻和布朗葡萄藻较好的氮源;研究指出相同条件下,亚心形扁藻( Platymonas subcordiformis )对尿素氮的去除利用优于硝态氮和铵态氮可见微藻种类、培养条件均会影响其对氮源的吸收。本试验中,三种微藻均能利用尿素氮、硝态氮、铵态氮,且尿素氮和硝态氮的去除率均显著高于铵态氮,说明三种微藻对不同氮源去除存在差异。斜生栅藻对三种不同氮源去除率为:尿素氮>硝态氮>铵态氬,绿球藻为:硝态氮>尿素氮>铵态氮,普通小球藻为:硝态氮>尿素氮>铵态氮,三种微藻对不同氮源的去除率均不同,与微藻优先利用铵态氢的说法有所差异。我们认为是同一微藻在单一氨源和混合氢源中对氮源的吸收有所差异造成的。研究结果表明,斜生栅藻偏好铵态氮,但在栅藻和小球藻对养殖废水的试验中,发现在混合氮源中,硝态氨的浓度大于铵态氮时,硝态氮的存在会抑制微藻对铵态氮的吸收。本文三种微藻铵态氮去除率最低,与上述结论相符。除此之外,对比三种微藻发现,不同微藻在相同混合氮培养下,单一氨源对其他形式氮源的影响也具有差异。斜生栅藻尿素氮抑制硝态氨和铵态氨的吸收,绿球藻及普通小球藻硝态氮抑制尿素氮和铵态氮的吸收。因此,选择微藻处理污水时,既要考虑微藻的特性也要考虑其他氮源的影响。