IF=4.008

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前言

  • 循环式水产养殖系统(RAS)，其水需求量较低，且废物输出较少。然后RAS中的水必须经过处理才能重复使用。

  • 研究已在实验室和中试模式下成功地证明微藻对RAS水处理的适用性。此外，已有研究探讨微藻-细菌联合体在水产养殖废水处理中的作用。然而，对于微藻联合(多培养)用于处理RAS废水的了解甚少。

  • 先前的研究已经证明，微藻混养有望减少因病毒、细菌或真菌感染或原生动物捕食而造成的影响。此外，微藻对于不同的养分需求可以提高养分的整体利用率，从而提高废水处理的效率。

  • 小球藻和斜生四链藻的混养组合在之前研究中已有应用。

  • 微藻培养的另一个重要因素是光生物反应器（PBR）；PBR主要分为封闭式和开放式。

  • 在本研究中，使用开放式薄层光生物反应器，由于高流速和薄栽培层，其光合效率最佳。在PBR中注入CO2以促进微藻生长，开放式设计和高表面积体积比导致高蒸发率，需要连续添加RAS处理水。

  • 本研究在实验室规模的控制条件下，在有菌和无菌养殖水中，以及中试规模的开放薄层PBR中，利用RAS的鱼缸中的未处理水，测试小球藻和斜生四链藻共培养的效果。

  • 监测微藻的生长和最终干重，随时间变化的物种比例(每种物种的相对数量)，原生动物和细菌的存在下监测营养物去除效率。

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Materials and methods

循环水养殖系统

  • RAS水质（mg/L）：

152.8 NO3-N；195.1 K+；16.1 PO4-P；0.3 NO2−；

≤0.1 NH4+；147.3 Cl−；246.4 Na+； 420.6 SO42−；

39.6 Mg2+；168.9 Ca2+；38.4 COD；4.2∙105 cfu/ml；pH=7.5；

微藻培养—实验室模式

  • 从鱼缸中收集水，直接(称为有菌)或过滤后(0.22μm，称为无菌)用于实验室规模的养殖。

  • 分别进行单培养和混合培养，得到3(2个单培养，1个共培养)*2(无菌/非无菌RAS水)*4(重复)=24个独立培养。

  • 实验周期：19天；检测细胞光密度、干重；计数原生动物、细菌数量变化；培养过程中，每三天测定一次细胞密度和原生动物数量，培养第3、7、11和19天测定细菌数量，4、9、13和19天测定干重。在培养开始和结束时使用测试试剂盒测定硝酸盐和磷酸盐。初始浓度为96.3 mg NO3-N和9.9 mg PO4-P。pH值为6.9，细菌初始浓度为3*104 cfu/ml。

微藻培养—光生物反应器

  • 反应器由一个倾斜的培养表面组成，微藻培养在其上循环。在表面的下端，将培养物收集到一个槽中，然后用离心泵将其再次抽吸。

  • 为控制和维持最佳培养条件，利用多个传感器监测平台上培养悬浮液的厚度、氧气等参数。通过放置在玻璃平台上方和下方的两个传感器测量光合有效辐射(PAR)的光合有效光子通量密度。在培养槽中通过压力传感器对循环藻悬浮液的体积进行连续监测。

  • 培养周期为29天，水从储水罐(每两天从RAS系统注满水)供应到系统。每次填充后，在储罐中测定硝酸盐和磷酸盐的浓度以及盐度。RAS水中磷酸盐浓度较低，因此，决定补充磷酸盐(如KH2PO4)，以防止磷限制生长，从而实现氮和磷的同时消耗。所提供的磷酸盐的剂量达到一个N:P比接近经验推导出的小球藻的最优比例。

  • 生物量的增长每天通过光密度、干重和细胞密度监测。每天测定实验中细菌和原生动物的丰度、循环悬浮液和RAS水贮存槽中的盐度(电导率)。从第5天开始，收集样品用于红外光谱和热导率进行生物质分析。

数据分析

  • 以细胞密度、光密度和干重来衡量有菌和无菌培养之间的生长差异，计算为有菌培养和无菌培养的平均值之比减去1，正值表明有菌培养后生长更好，反之亦然。

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Results and discussion

微藻生长

  • 三种培养模式在有菌和无菌水中皆可以生长较好；培养前期，在有菌水中的光密度较高，而在后期，无菌RAS水的光密度较高；但整体差异性较小。

  • 细胞密度存在同样的情况，在有菌和无菌的RAS水中，三种培养模式在前期呈指数增长，在第6天左右同时进入平台期。

  • 共培养时，在实验的前半段，小球藻细胞的比例增加，在60-70%左右，而四链藻在30-40%左右。

  • 在无菌水中的四链藻细胞干重高于有菌水；

  • 细胞干重：四链藻＞共培养＞小球藻；

  • 小球藻细胞密度高，而干重较低可能是由于细胞大小造成的；

  • 在无菌和有菌条件下，微藻的最大生长速率相似的；

  • 在中式环境下开展共培养实验，实验周期为29天，总处理水量达1771L，微藻干重为11.1 g/L；微藻干重较低可能是由于培养前五天时，硝酸盐含量的迅速下降，导致氮供应不足；

  • 研究发现，RAS水的营养水平低于微藻培养的需求，导致生产效率较低；

  • 微藻的生长模式因其使用的测量方法 (光密度、细胞密度、干重、浊度)而变化；

  • 虽然总细胞密度在大约10天后趋于平稳，但生物量(干重、浊度)的增加一直持续到实验结束；

  • 生物量中C:N的值在第10天时急剧增加，随后缓慢下降，但仍保持在较高水平；因此，第10天可能出现了严重营养限制(第5天循环水中硝酸盐被耗尽) ，影响生长。

  • 实验过程中检测养殖环境中pH、溶氧、电导率等指标变化；通过研究发现，调控下的中式实验条件利用微藻的生长。

原生动物和细菌

  • 在实验过程中，单培养和混养体系中的原生动物数量均有所增加；观察到的原生动物的数量比之前研究中少了32倍，这表明，原生动物的数量并不会对微藻生长产生严重的影响；

  • 如果原生动物的存在对微藻的生长没有影响，或者可以控制使其保持在有害水平以下，则无需对废水进行消毒。

  • 无菌培养的初始细菌浓度低于检出限，然而细菌密度迅速增加，最终与有菌水中相似；

  • 无菌水中细菌增长的趋势和培养藻类、模式有关。但有菌水中差异性不显著；

  • 原生动物的存在/不存在对细菌的影响较大。前者甚至会降低细菌的浓度，而后者可能会影响细菌的生长，例如通过分泌物对细菌有益或有害的方式。

  • 在中试培养过程中，原生动物和细菌的丰度同样增加；

  • 原生动物的丰度变化分为三个阶段：1）0-12天丰度较低；2）13-20天与实验室规模结果类似；3）14-28天结果与其它研究类似；

  • 将该结果与微藻生长模式相对应，可以发现，小球藻生长降低可能由于原生动物引起的；但在实验室模式下，同样数量的原生动物并没有影响小球藻生长（没有详细解释）；

养分去除

  • 实验室模式下硝酸盐去除率均超过98%，磷酸盐去除率均超过99%，证实RAS水具有适合微藻培养的营养成分。

  • 中式实验结果表明，硝酸盐在培养中的迅速下降降低了整体生产力，与其他研究相比，最终的干重较低。

  • 中式实验下硝酸盐的去除率为98.6%，降解后NO3-N含量在3 mg左右，这使得水适于微藻分离后在RAS中重复使用，也满足排放标准。

  • 实验过程并未考虑其他营养物（磷酸盐）的限制因素。

来源 | 水产设施养殖与装备工程研究中心

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