藻的环境响应与水处理的应用

赢在优势 2020-05-18

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随着时代的变迁和工业的进步，能源和水资源的问题已经成为世界性的难题，特别是水资源的污染和匮乏已经成为世界上难以根除的问题，我国又是水资源较匮乏的国家。根据对长江口和临近海域的调查检测资料显示，在夏季和春季长江口以及临近海域的水体富营养化的概率较高，甚至达到100%，所以水质污染特别严重。

长江口和临近海域氮、磷的质量浓度偏高，引起的富营养化，导致赤潮的发生，赤潮打破了海域的生态系统的平衡，并且给水产养殖带来了巨大的损失。如果水质的环境变差，水中的生物就会有反应，因为水环境是由水中的生物构成的相互依存、相互制约的一个生态系统。

水体由于人类的活动输入各种污染物，就会导致不同程度影响到水体当中的其他生物，如浮游植物、浮游动物或水体中其它大型生物，严重会导致一些物种的消失，造成生态系统平衡的破坏。而这些水体中的生物中的藻类是水生生态系统中的第一生产者，可以为更高的营养级别的生物提供食物和氧气，数量的多少和种类的多样性直接或间接的影响或者是反映出整个水生生态系统的结构和功能的稳定，如在夏季爆发蓝藻就是水体富营养化的直接反应。

伴随着季节的变化，湖泊中溶解氧、pH值、营养盐浓度等都会发生比较复杂的变化，同时水生生物的代谢速率和捕食强度也会发生季节性的改变。作为自然水生态系统中最主要的生产者和消费者，浮游植物和浮游动物同时受到这些因素的影响。在全球变暖的大背景环境下藻类对富营养化、极端气候和人类活动等多重环境压力具有明显的响应，藻类随着环境的变化呈现生物量、种类变化快速敏感的特征，可以真实反映水体的状况，认识藻类的响应模式，并利用藻类的各项优势为养殖服务。

某地区的湖泊浮游植物类群从春季的绿藻门、硅藻门、裸藻门变为夏季的绿藻门和蓝藻门，而秋季和冬季的主要浮游植物类群分别为绿藻门和硅藻门。浮游植物优势类群的变化主要是由于水质的变差引起的。一般情况下，在夏季，绿藻和蓝藻的生物量比例有所增加，裸藻门的比例有所下降。WT、TN和TP是影响蓝藻和绿藻的主要环境因子。这三种环境因子的均值都在夏季达到最大值。在冬季，浮游植物密度和生物量达到最低值，蓝藻和绿藻门的生物量比例也达到最低，而硅藻门的生物量和密度比例达到最大值。

藻对水质的调节及处理：池塘养殖是我国水产养殖的重要方式，近年来随着养殖规模的不断增加越来越多的养殖户依靠高投饵和高放养来增加养殖产量，提升经济效益，由于养殖池塘是一个半人工系统，相对于天然系统受人为干扰的影响较大，自动调节能力弱;相较于人工系统又有很多不可控性，过度追求高效益容易造成池塘水体的富营养化并导致水体中藻相结构的失衡，对水产养殖的可持续发展造成不良影响。

在养殖过程中，污染物的主要来源有过量的有机物，有机质的来源主要是未被使用的饵料、肥料及水生生物的排泄或死亡的水生生物的尸体，这些成为底质中细菌增长的能源物质。残饵中的蛋白质分解出的氮沉积到底泥中，日积月累，底泥就会积累很多的氮，并且这些氮会逐渐分解成有害的氨氮、亚硝酸盐，释放到水体中成为内源性的污染物。磷是产生水体富营养化的主要因素，主要的来源是外源的输入和沉积物磷的释放。

图1

藻调节水质的功效：陆地上的植物可以进行光合作用，产生氧气供我们进行呼吸，但可能会忽略到另外一种产氧的植物，从图1可以看出地球上70%的面积是海洋，只有30%是陆地，但我们知道在海洋中也是有可以产氧的植物，它叫浮游植物。所说的浮游植物指的是藻类，藻类为地球上的50%提供了氧气。高等植物对空气有进化作用，绿化率越高的地区其空气质量越好，而藻类对水体同样有进化的作用。可以想象在未来的大海中存在着一群浮游植物，虽然不像陆地上高等植物一样具有根、茎、叶，但是它们在水体中起着重要的作用，一方面可以作为第一生产者，可以作为鱼虾蟹的开口饵料。另一方面是在白天进行大量的光合作用，产生大量的氧气，供水体中植物与动物进行呼吸。不仅给水体生物作为饵料或者是氧气的来源，而且提供地球上50%的氧气。

小球藻属于单细胞藻类，是绿藻门、绿球藻目、小球藻科中的一个重要的属，包括大约十个种，常见的有蛋白核小球藻、椭圆小球藻和普通小球藻。由于小球藻具有很强的适应环境的性能，在-2~39℃的区间内都能生长地非常健康，因此也就常生长在含有其他微藻的培养环境之中，具有极其特别的特点就是在富含各种元素的污水中竟然也可以进行大量繁殖。

硅藻营养丰富，容易消化，不仅浮游动物、小鱼小虾和贝类喜欢吃，像鲸等又都以小鱼小虾等为食料。因此硅藻等浮游生物的多寡，明显地决定着鱼类的产量，这是无可置疑的了。每年春天，对虾和许多鱼类都喜欢来我国渤海、黄河口一带产卵，就是因为这里风平浪静，水温适宜，硅藻非常丰富的缘故。

小环藻属隶属硅藻门、中心纲、圆筛藻目、圆筛藻科。小环藻是生长在不同环境条件的浮游藻类，为盐性的硅藻物种，可以生活在淡水环境中，少数生活在一些咸水湖或者海洋环境中。多为单细胞生活，很少形成短链，细胞呈圆盘形或者呈短圆柱状。细胞近鼓形，直径10~30微米。壳面边缘带具放射状的粗线纹，10微米内具8~12条；线纹向壳面边缘逐渐增宽呈楔形；中心区平滑或具极细的放射状的点纹。分布很广，常见于浅水湖泊中。

有益藻在水产养殖中的的功效：可通过光合作用增加水体溶解氧是增加溶氧的最有效方法。具有丰富的蛋白质和不饱和脂肪酸可作为幼苗的开口饵料及养殖生物的饵料。含有活性物质多糖、糖蛋白、核苷酸聚肽等，可以增加机体免疫能力。在水体中可以吸收利用残饵和养殖生物的排泄物，达到降低氨氮亚盐等的目的。可以吸附水体中的重金属离子。有益藻类可以消耗水体环境中富含的营养元素，防止赤潮的产生。藻类存在会使pH值发生变化，pH值在白天升高时对细菌，病原体的生存都是致命的。

在养殖过程中，用检测仪检测水体中的氨氮或亚硝酸盐，如果氨氮和亚硝酸盐超标对养殖生物是一种不利的情况，水体中的氮又分为有机氮和无机氮，有机氮就是残饵、粪便、生物尸体等最开始的形态，也是大分子形态，逐渐大分子形态就会进行分解，分解成小分子的氨氮、亚硝酸盐或硝酸盐氮。氨氮和亚硝酸盐属于对养殖生物有害的氮的形式。无机氮又主要以硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮的形式存在。微藻的同化作用，可以将硝酸盐纳入自身物质的碳骨架中。铵根可以直接被利用，消耗最少的能量，最容易被吸收，其次为亚硝酸盐和硝酸盐。

磷的含量过高会爆发有害藻蓝藻，磷是水生浮游植物在代谢过程中必不可少的重要元素，磷是参与能量传递和核酸合成等细胞过程的重要元素。微藻对磷的去除主要是使磷通过磷酸化作用进入细胞中的能量传递物质ATP中。微藻细胞内的磷酸化过程有底物水平磷酸化、氧化磷酸化和光合磷酸化3种形式。微藻通过此方式利用的磷元素的形态主要包括磷酸氢根和磷酸二氢根。而有实验表明，正磷酸盐也可以被微藻有效的去除，并且固定化对其有利。

重金属是构成地壳的元素，含量不足0.1%，广泛存在于矿物和岩石中。根据重金属的物理性质，其比重大于5.0g/cm的元素，称作重金属，其化学性质一般比较稳定，主要包括Cu、Fe、Hg、Cd、Zn、Pb、Mn、As、Mo、Ni、Cr等。重金属在水体中含量过高会危及到水生动物，养殖生物在整个代谢或生长中是必不可少的元素，但是如果含量过高具有毒性。具有不可生物降解或者生物积累的作用。

重金属的来源：第一个来源是养殖的池塘与土地连接在一起，或者周围的土地曾经用过种植农作物。这就会导致化学中的重金属流入水体中，因为化学中各种重金属含量都比较高，所以养殖周边的农田使用化肥如果频繁的话就会导致农药残留经过水体扩散到养殖的水体中，形成重金属的污染。第二个来源是养殖池塘有化工厂偷排的现象，在与养殖户接触的过程中，有养殖户反应说以前池塘的水质很好，但是突然水体表面发红，经检测知道水体中铁的含量严重超标。四川、贵州、海南的养殖户都不同程度的出现水体表面发红的现象，因为周围有化工厂、水泥厂及钢铁厂等具有排污现象，排到水体中，导致水体中重金属含量超标。第三个来源是养殖户在养殖过程中会使用一些药物，比如杀蓝藻的药物硫酸铜，硫酸铜就会带入铜离子，铜离子也是一种重金属。

重金属对水产养殖生物具有一定的危害，如过量的铜和锌会通过体表或食物链进入到对虾体引起对虾中毒，减少蜕皮次数和降低体内磷酸酶活性，从而影响其生长，降低对虾的存活率和产品质量。水生生物对铜和锌等重金属具有富集性，以各种方式存在的重金属在进入养殖环境后会在生物体中存留和积累，并在各生物群落间迁移，通过食物链浓缩对生物生长和发育产生不良影响。采用化学杀藻剂可作为控制蓝藻生长的应急措施，但有机物和重金属残留会对水体造成二次污染。在蓝藻数量不是很多的情况下我们可以考虑不用杀蓝藻，而是采用物理温和的办法去抑制蓝藻的继续生长或者将蓝藻转变成其他的有益藻类。

重金属污水的处理技术

化学沉淀法：通过化学反应去除重金属离子的方法，加入能与重金属反应的物质，使得在污水中呈溶解状态的重金属离子变为沉淀物而被除去。包括硫化物沉淀法、中和沉淀法、铁氧化物沉淀法等。

吸附法：吸附法是利用多孔性固体物质对重金属离子进行吸附，包括物理吸附、化学吸附、离子交换吸附三种类型。吸附剂的种类很多，有活性炭、活化煤、焦炭、煤渣、树脂、木屑、矿物类材料的吸附剂如沸石、硅藻土等。沸石、硅藻土等。活性炭有特殊的结构，其表面积巨大，能够吸附较多的重金属离子是常用的吸附剂。活性炭吸附的机理被认为是重金属离子和其表面离子交换的一种吸附、金属离子沉积在活性炭的表面而形成的物理吸附以及在活性炭表面的含氧官能团的一种化学吸附。

氧化还原法：向污水中加入氧化剂或者还原剂与重金属离子发生化学反应，也是将有害的固定住，变成另外一种无害的东西，以沉淀或者转化的形式减少重金属离子的毒副作用。

离子交换法：指污水中的重金属离子和树脂上官能团发生吸附和除去的过程。树脂的性能对除去重金属离子的影响比较大，比较常用的离子交换树脂包括螯合树脂、腐植酸树脂、阴阳离子的交换树脂等，由于螯合树脂有特定的螯合基团，所以只能除去特定的重金属离子。

生物吸附法：生物吸附法是指用某些特定的植物放养于重金属污水中，该植物利用自身的特性将污水中的重金属离子吸附，从而达到净化水质的目的。常用的吸附污水中重金属的植物有小球藻、酵母菌、真菌等，该法成本低，因为植物可以大量的繁殖，对环境的干扰较小，不存在二次污染，修复的效率也高，水质的pH值、温度范围也广等，同时还可以有效的回收一些贵重的重金属。因此，目前生物吸附法发展前景广阔。

图2

图2是小球藻在不同浓度的重金属离子中培养的过程的研究，将小球藻培养在不同浓度的铜离子、铅离子及混合的重金属离子的溶液中，经过一段时间培养后，可看到小球藻在这些重金属离子溶液中的变化。主要是研究不同浓度的重金属对于小球藻毒性的作用。研究的结果是当低浓度时重金属离子对于藻的毒性不大，但当达到一定剂量时，铜离子对藻的毒性最大。铜离子可以使藻的细胞壁发生溶解，然后使藻和藻连接在一起，形成一个团聚核粘连。

图3

图3是微生物对金属离子的吸附作用图，从图3看小球藻属对于各项金属离子吸附都具有一定的作用。当养殖户池塘中的金属离子发生超标，尤其是铁离子，如果铁离子超标水色会出现浑浊，变成铁锈色。当出现这种情况采取的方法是培藻。通过培藻使藻吸附水体中的金属离子。

藻细胞对重金属的吸附过程可以分成两步，第一步是物理富集，此过程不需要提供能量，重金属离子只是简单的和一些基团结合被富集到藻细胞表面，这些被富集的重金属可被其他离子、螯合剂或酸解吸下来。第二步是主动富集，随时间的延长，富集率增加缓慢，逐渐达到饱和状态，这一过程藻细胞与重金属离子的相互作用不但需要能量，而且需要某些特定酶的参与，其过程与藻体中蛋白质、糖、脂等的代谢密切相关。

图4

图4是不同类型的硅藻（小环藻），从图片或细微的结构来看，小环藻表面有丰富的孔道结构，在其表面还有一类丰富的带氧或者带氮的集团，这些集团往往带负电荷。会吸引水体中带正电荷的金属离子，发生静电吸附。在发表的文章中呈现了硅藻比表面具有丰富的硅羟基，可以将带有正电荷的金属离子吸附到硅藻的表面，所以不同类型的硅藻其表面官能团的数量和种类不同的话其吸附能力不同。经研究发现小球藻和硅藻的能力较强。另外也有研究发现如果水体中藻类的多样性丰富，对于不同类型物质的吸收的程度较高，还有吸收利用率也会提高。

因此活性的藻体会利用藻体表面带的负电荷与带有正电荷的重金属离子发生静电吸附，完成第一阶段的物理吸附，再完成第二阶段的生物吸附。对重金属进行吸附，对细胞内的消化，将重金属从水体中富集到藻体中，完成水质的净化。

图5

图6

图5、图6分别是圆筛藻和谷皮菱形藻。硅藻具有规整的孔道结构，每一个孔道结构表面又具有丰富的硅羟基，可以吸附重金属离子。还对水体中氨氮和亚硝酸盐进行吸附。

有研究报道：条纹小环藻对铜和锌富集过程分为快速、慢速和富集平衡3个阶段。快速富集在30 min内完成，富集率可达70 %以上；慢速富集大约分别在4h和6h完成，富集率均可达90%；以后达到富集平衡。温度、盐度和光照度对条纹小环藻铜和锌富集有显著影响。条纹小环藻铜和锌富集的最适温度范围分别为25~35°C和15~35°C，盐度范围分别为20~35和25~30，光照度均为3000~7500lx。条纹小环藻铜和锌富集的光饱和点为3000lX。条纹小环藻在亚热带虾池中对铜和锌均具有较强的富集能力。

关于虾池水体的锌和铜离子的研究较多，如对于日本对虾的成活率和锌离子、铜离子浓度相关的研究发现：当低浓度时，对于日本对虾的生长没有影响，但是当铜离子和锌离子超过一定量后就会明显的对虾的生长起到抑制的作用，甚至升高虾的死亡率。不同的养殖生物对于铜离子和锌离子的耐受范围不同。有研究显示，小环藻培养在盐度较高的亚热带对虾养殖中不断稳定长期释放氧气还可以很好的降低水环境中重金属的污染的程度，保持良好的水质，给对虾提供良好的养殖环境，而且小环藻在对虾养殖后期的池塘如果作为优势藻，具有很强的竞争力，可以保持养殖生态系统的平衡和稳定池塘的水质。小环藻在生长过程中可以吸收水体中大量的氨氮、亚硝酸盐等物质，从而净化水质。因为其可以持续不断的产生大量的溶解氧，所以也促进好氧菌的生长，这些好氧菌进一步可以分解水体中其他的一些有机污染物，并且溶解氧高可以抑制水体中厌氧生物的生长，进而抑制硫化氢、甲烷等有害气体的产生，防止水体的二次污染。

藻类对于环境具有明显的响应，可以通过自己的生物多样性、种类或者数量来体现环境的变化，尤其是蓝藻的爆发就是表明了现在环境的恶化，因为藻类对环境变化的敏感度较高。另外也知道藻除了可以提高水体中的溶解氧还有作为优质饵料外，还对水体的净化有非常大能力，如可以降低水体中的氨氮、亚硝酸盐，可以将氨氮、亚硝酸盐转为自身的营养来源，提供自身的生长。对重金属离子也有很好的吸附作用，所以在水产养殖过程中藻类是较好的利器。