藻类净水除杂系统对微塑料及氮、磷去除效果的影响.pdf

第 45 卷 第 2 期 渔 业 科 学 进 展 Vol.45,No.2 2 0 2 4 年4 月 PROGRESS IN FISHERY SCIENCES Apr.,2024 *江苏省高等学校基础科学(自然科学)研究重大项目(22KJA170001)、连云港市重点研发计划(社会发展)(SF2336)、连云港市第六期“521 工程”科研项目(LYG06521202265)和江苏高校优势学科建设工程项目共同资助。刘子烁，E-mail: 通信作者：冯志华，教授，E-mail: 收稿日期:2023-10-27,收修改稿日期:2023-11-13 DOI:10.19663/j.issn2095-9869.20231027001 http:/ LIU Z S,LIU S W,YANG Y X,JIN W,MA X N,FENG Z H.An algae water purification and decontamination system that removes microplastics,nitrogen and phosphorus.Progress in Fishery Sciences,2024,45(2):114122 藻类净水除杂系统对微塑料及 氮、磷去除效果的影响*刘子烁1 刘诗伟1 杨玉祥1 靳 玮1 马晓娜1,2 冯志华1,2(1.江苏海洋大学 江苏省海洋生物资源与环境重点实验室 江苏 连云港 222005；2.江苏海洋大学 江苏省海洋生物产业技术联合创新中心 自然资源部滨海盐沼湿地生态与资源重点实验室 江苏 连云港 222005)摘要 微塑料污染和养殖尾水超标排放已成为全球重要问题。在同一系统中，同时研究丝状藻对氮、磷的去除效果和对微塑料的拦截效果尚未见报道。为解决这一问题，本研究构建了一种藻类净水除杂系统，并研究其拦截微塑料和去除水体氮、磷的能力。研究使用水绵(Spirogyra)、浒苔(Enteromorpha)和刚毛藻(Cladophora)3 种丝状藻在净水除杂系统中进行微塑料拦截实验，结果显示，实验时间为 10 d 时，3 种丝状藻对纤维状微塑料拦截效果最佳(水绵 88.50%，浒苔 79.50%，刚毛藻 75.50%)，对颗粒状微塑料拦截效果最差(水绵 67.50%，浒苔 53.00%，刚毛藻 55.00%)。与其他 2 种藻类相比，水绵对微塑料具有更好的拦截效果，因此，使用水绵进行水体氮、磷去除实验。将单位面积的藻量分为 0、2、4 和 6 g/dm2，在 15 d 的实验中，水绵对总氮的去除率最高为 91.88%(4 g/dm2)，对总磷的去除率最高为 90.33%(6 g/dm2)，对 PO43-P 去除率最高为 90.38%(6 g/dm2)。4 g/dm2与 6 g/dm2组的结果无显著差异(P0.05)。研究表明，净水除杂系统可有效去除水体中纤维状微塑料和吸收水体氮、磷，且 4 g/dm2的藻量是本净水除杂系统去除氮、磷最适宜的藻量。关键词 微塑料；养殖尾水；丝状藻；净水除杂系统 中图分类号 X524 文献标识码 A 文章编号 2095-9869(2024)02-0114-09 早在 1972 年，Science 报道了聚苯乙烯小球出现在英格兰群岛南部近海水体中，且含量丰富，其粒径范围为 0.12.0 mm(Carpenter et al,1972)。Thompson等(2004)最早提出“微塑料”的相关概念，定义了微塑料为粒径小于 5 mm 的塑料颗粒，从此微塑料污染问题开始被全球所关注。对典型养殖海湾中微塑料污染的研究发现，沉积物中的微塑料丰度已达到中等污染水平(宋可心等,2023)。对长江三角洲养殖池塘进行研究发现，微塑料广泛存在于养殖环境中(Yu et al,2023)。养殖环境中的微塑料可以在河流、洋流和给排水系统作用下排放到海洋环境中并进行长距离运输(Geng et al,2023)。大量追踪微塑料的研究发现，在北大西洋(Courtene-Jones et al,2022)、太平洋(Ding et al,2022;Law et al,2014)甚至北冰洋及深海区域均第 2 期 刘子烁等:藻类净水除杂系统对微塑料及氮、磷去除效果的影响 115 存在较大程度的微塑料污染(Ikenoue et al,2023)。几乎在所有海洋和淡水环境中发现了微塑料，除水环境外，在内陆偏远地区和国家保护区中也都发现了微塑料(Zhang et al,2023)，微塑料在世界范围内已广泛分布(Maria et al,2021)。微塑料的形态类似于某些有机物和浮游生物，很容易被鱼类、浮游动物和底栖生物误食，从而对生物体的生长造成危害。从小型无脊椎动物到大型掠食性哺乳动物，在各种各样的水生动物中都观察到了微塑料摄入的证据(Kalkov,2023)。如果可食用的水生动物广泛摄入微塑料，就会对食品安全和人类健康构成潜在风险(Emenike et al,2023)。培养大型丝状藻类用于养殖尾水净化的生物修复技术，是目前环境修复技术的研究热点之一(Zhao et al,2023;Carlos,2016)。大型藻类能够在富营养化水体中生长，且其生长产物在多个行业具有应用价值(Lawton et al,2016)。使用养殖尾水培养丝状藻类时，不需要添加任何额外养料，养殖尾水中含有的 N、P营养物质可供大型丝状藻类生长所需，并能达到改善水质的作用(Guo et al,2022)。利用大型丝状藻净化污水，首先，藻体本身易于培养和收集，其次，相比较传统的污水处理，在流程上更为简便且成本较低(Cui et al,2023)。丝状藻的生物膜面积较大，对微塑料有较好的拦截和吸附效果(Peller et al,2021)。大型丝状藻，如水绵(Spirogyra)、浒苔(Enteromorpha)、刚毛藻(Cladophora)等，在水体中最为常见(Zhao et al,2023)，它们在去除水质中的氮、磷等方面的效果明显高于硅藻、蓝藻等微藻种群(梁霞等,2008a)。本研究基于丝状藻对水体的净化效果，选择这 3 种藻类构建藻床净水除杂系统，在此系统上开展大型丝状藻净化养殖尾水和拦截环境微塑料研究，旨在实现资源利用最大化，净化养殖尾水，去除环境微塑料，为探寻水生生态系统管理的全新方法提供策略。1 材料与方法 1.1 实验材料 实验水绵藻株于 2023 年 4 月 23 号采集自江苏省连云港市石梁河区域(11243E，3358N)。采集过程中，使用不锈钢棍将水绵藻体挑起，尽量保持藻体完整，然后用河水清洗藻体，尽量去除藻体上附着的泥沙和其他生物，之后装入铝箔袋中取回。取回后将藻体使用蒸馏水清洗多次，沥干水分后，置于实验室长、宽、高分别为 50、30 和 20 cm 加有 SE(Selenite Enrichment)培养基的玻璃水缸中暂养。藻体在实验室补光灯下培养，光照强度为 3 000 lx，光照黑暗比为16 h8 h，培养温度为 25。在实验开始前，逐渐改变玻璃缸中养殖尾水的比例进行驯化培养。由于水绵种类繁多，本研究仅将采集的水绵鉴定到属。实验刚毛藻藻株于 2023 年 5 月 28 号采集自江苏省 连 云 港 市 石 梁 河 河 流 入 海 口 区 域(11915E，3447N)。采回后用蒸馏水反复清洗，然后放在 SE培养基中培养，培养条件同水绵藻株。本研究仅将采集的刚毛藻鉴定到属。实验浒苔藻株于 2023 年 6 月9 号采集自江苏省连云港市连岛区域(11945E、3477N)。采回后用灭菌过滤海水反复清洗，暂存于15、光照强度约为 50 mol photos/(m2s)的低温海水中。本研究仅将采集的浒苔鉴定到属。微塑料全部采用聚丙烯材质制作，粒径均为12 mm，形态分别为纤维状、颗粒状和片状。藻类生长实验中，水绵和刚毛藻用水为淡水。由于浒苔为海水藻类，使用灭菌过滤海水调节总氮(TN)、总磷(TP)、PO43-P 和 pH 指标与养殖尾水相一致。将此海水用作浒苔的生长实验用水。测定藻床净水除杂系统对养殖尾水中氮磷去除效果的实验用水为江苏省连云港市赣榆区某水产养殖厂排放的养殖尾水，使用前将水用 2.7 m 玻璃纤维滤膜过滤，水质情况见表 1。本研究构建了一套藻床净化水体氮磷及微塑料系统，系统侧视图与俯视图如图 1 所示。图 1 实验装置图 Fig.1 Experimental setup diagram S：金属支架；Ra：亚克力板；R：水箱；P：水泵 S:Metal bracket;Ra:Acrylic board;R:Water tank;P:Water pump 表 1 实验用水的性质 Tab.1 Experimental water properties pH 水温 Temperature/电导率 Conductivity/(S/cm)浊度 Turbidity/NTU 总氮 TN/(mg/L)总磷 TP/(mg/L)盐度 Salinity 7.5 25.2 809 12 21.9 3.1 11 116 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 实验净水除杂系统由藻板、水箱(体积 V=40 L)、12 V 2.5 A 自吸泵和 PVC 水管组成。可更换藻板由亚克力制成，其长、宽分别为 50 和 15 cm，面积为 7.5 dm2。在藻板上平铺软质 PVC 网格，便于将藻体固定其上。藻板整体倾斜 15摆放，并固定在金属支架上。藻板上端下端分别固定水管，水管连接处均固定孔径为5 mm 的金属筛网，防止藻类流出，影响实验结果。上端水管连接自吸泵和藻板，自吸泵将水从水箱抽至藻板顶端，流量设置为 1 L/min。水流均匀流过藻板后，经过藻板下端固定的水管回流至水箱中，完成循环。水箱口处用锡箔纸覆盖，防止外界灰尘、微生物或其他杂质进入水箱并减少实验用水的蒸发。1.2 实验方法 1.2.1 藻类在净水除杂系统中的生长 本实验设置 10 个上述系统，系统除支架外所有部件均用 75%酒精彻底清洗。每种藻类的生长实验设置 3 个平行实验，测量数据取平均值。实验开始通水 30 min 后进行第一次测量，测量时将整个藻板取下，待其不再有水流出时称量质量。每 24 h 称量一次，根据每 24 h藻板质量差值计算生长率。除空白外，每个藻板上藻类投放量均为(30.00.1)g。实验时光照强度为3 000 lx，光照黑暗比为 16 h8 h，保持室内温度为27。每日测定时间均为 08:30。藻类每日生长率(U)计算公式为：U=(MMo)/Mo100%(1)式中，M 为当日藻质量，Mo为前一日藻质量。1.2.2 不同藻类在净水除杂系统中对微塑料拦截效果 本实验每种藻类设置 27 个上述系统，系统清洗方式同 1.2.1。水绵、刚毛藻使用过滤灭菌养殖尾水进行实验，浒苔使用过滤灭菌海水进行实验。由于实验使用聚丙烯微塑料，密度(=0.91 g/cm3)均小于养殖尾水(=1.01 g/cm3)和海水(=1.02 g/cm3)，所以养殖尾水和海水可直接进行对比。分别设置 2、4 和 6 g/dm2 3 个水平的藻量，其中，2 g/dm2是藻类勉强覆盖藻板的藻量，有一些孔隙和不能完全覆盖的区域；4 g/dm2是藻类基本可以将藻板覆盖的藻量，没有明显裸露位置；6 g/dm2是藻类可以完全将藻板覆盖的藻量，没有任何孔隙，有些位置会有少量藻类堆积。在每种藻量对应的水箱中分别添加颗粒状、片状和纤维状 3 种形态的聚丙烯微塑料，微塑料添加量均为 100 items/L。所有实验进行天数分别为 1、4、7 和 10 d。设置 3 次平行实验。实验结束停水 30 min 后，将水箱中所有液体倒出并用蒸馏水清洗水箱，使用 2.7 m玻璃纤维滤膜(Whatman,GF/D)过滤全部液体(包括清洗时产生的)，使用带有电荷耦合装置(CCD)相机的尼康 SMZ 1500 立体显微镜(日本)来计量滤膜上微塑料个数并计算去除率。微塑料去除率()计算公式为：=(PPo)/P100%(2)式中，P 为添加微塑料量，Po为滤膜中微塑料量。1.2.3 水绵在净水除杂系统中对氮、磷的去除效果 预实验结果显示，水绵对不同形态微塑料的去除效果最好，所以选用水绵作为氮磷去除效果的实验藻类。设置 4 个上述系统，清洗方式同 1.2.1。分别设置空白、2、4 和 6 g/dm2 4 个水平的藻量，水箱中加入过滤后的养殖尾水。实验开始并通水后 10 min 取样，取样位置为藻板下端出水口处。第一次取样后每24 h 取样一次，每次取样后添加相同的养殖尾水补给水分损失。水样采集时间为 09:00，实验进行 15 d。水样测定：总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)，总磷测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)，PO43-P 测定参考水和废水检测分析方法(第 4 版)采用钼锑抗分光光度法进行，使用手持式 pH 快速测量仪(N00399，商丘双洋环保科技有限公司，精度为 0.01)测定水样 pH。1.3 数据处理 选用 IBM SPSS Statistics 27.0 进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和双 因 素 方 差 分 析(two-way ANOVA)检验不同藻类与微塑料去除效果之间的差异性。分析结果使用 Origin Lab 2022 绘图。所有分析均采用 95%的置信度。2 结果 2.1 藻类生长效果 实验期间，水绵、刚毛藻和浒苔 3 种藻类均能在实验系统中正常生长(表 2、图 2)，均满足了作为系统中吸收水体氮磷、拦截微塑料的基本条件。3 种藻类在实验前 6 d 生长速率较快，9 d 后生长速率逐渐减缓。水绵、刚毛藻和浒苔的日均生长率分别为 2.93%、2.61%和 3.15%。3 种藻类藻质量增加最多的为浒苔。2.2 净水除杂系统微塑料去除率 在本实验中，通过研究净水除杂系统不同运行时间和单位面积不同藻量的条件下对微塑料的去除效果可以得出，藻量为 2 g/dm2实验组的 3 种丝状藻对于微塑料的去除率均远低于其余 2 种藻量。在实验时长为 14 d 时，3 种丝状藻对微塑料去除率增速较快。当实验时长延长至 7 d、10 d 时，3 种丝状藻对微塑料的去除率仍然有所增加，但增速减慢且趋于平缓。第 2 期 刘子烁等:藻类净水除杂系统对微塑料及氮、磷去除效果的影响 117 表 2 藻类生长率随时间的变化/%Tab.2 Changes in algal growth rate over time/%时间 Time/d 浒苔 Enteromorpha 水绵 Spirogyra 刚毛藻 Cladophora 1 5.671.23 5.001.08 2.330.31 2 7.570.51 5.400.67 3.910.84 3 4.990.42 3.610.53 5.640.66 4 6.700.36 9.010.48 5.340.27 5 4.970.28 4.530.24 3.940.81 6 5.990.89 2.300.39 4.070.46 7 2.120.71 3.490.57 2.340.18 8 1.150.10 1.690.11 1.530.21 9 1.140.55 1.660.32 0.750.11 10 1.800.18 1.860.21 1.740.23 11 1.550.31 1.140.27 1.220.43 12 0.440.15 1.580.15 2.170.55 13 0.430.29 0.670.21 2.130.35 14 1.300.19 1.550.28 1.390.22 15 1.490.20 0.440.13 0.680.17 图 2 不同藻类在净水除杂系统中的生长曲线 Fig.2 Growth curves of different algae in the system 3 种丝状藻对纤维状微塑料的去除效果最佳(图 3c、f、i)；对颗粒状微塑料的去除效果最差(图 3a、d、g)。在时长为 10 d 的实验中，水绵相较于其他 2 种丝状藻对 3 种不同形态的微塑料均有更高的去除率。10 d的去除实验中，水绵藻量为 6 g/dm2的净水除杂系统对 3 种形态微塑料的去除率为整个实验的最大值，颗粒状、片状和纤维状的去除率分别为 67.50%、71.50%和 88.50%(图 4a)。对比水绵藻量为 4 和 6 g/dm2实验组的去除率曲线，除形态为颗粒状的微塑料外，对于其他 2 种形态的微塑料的去除率在实验时长 10 d 的实验中比较接近。水绵对颗粒状的微塑料去除率受藻量影响较大(图 3a)，浒苔藻量为 4 和 6 g/dm2实验组对颗粒状微塑料去除率十分相近。不同藻量对 3 种丝状藻去除片状微塑料的影响较为相似，去除率曲线形态相近(图 3b、e、h)。藻量为 4 和 6 g/dm2组的水绵和浒苔对纤维状微塑料的去除率较为接近(图 3c、i)，藻量为 2 和 4 g/dm2组的刚毛藻去除纤维状塑料的去除率在实验时长为 1 d 和 7 d 的实验中较接近(图 3f)。对比 3 种藻类对不同形态微塑料的最终去除率，水绵在所有藻量的实验组中对 3 种形态的微塑料去除率均高于刚毛藻和浒苔(图 4)。刚毛藻对颗粒状、片状和纤维状微塑料的最大去除率分别为 53.00%、65.00%和 79.50%，浒苔对颗粒状、片状和纤维状微塑料的最大去除率分别为 55.00%、73.50%和 75.50%。综上所述，就 3 种藻类对不同形态微塑料的去除效果而言，相较于其他 2 种丝状藻，水绵更适合用于去除本净水除杂系统中的微塑料。2.3 水绵净水除杂系统对氮、磷的去除效果 净水除杂系统中添加不同水绵藻量的实验组，对养殖尾水中的 N、P 均有较好的去除效果(图 5ac)。水绵藻量为 2、4 和 6 g/dm2实验组进行至 8 d 时，净水除杂系统对 TN 的去除率分别为 44.71%、69.46%和 75.97%(表 3)，在这期间，净水除杂系统对养殖尾水中氮的去除效果最好。815 d 时，逐渐趋于平缓。15 d 实验结束时，4 和 6 g/dm2实验组之间对于 TN 平均去除率的差别并不显著(P=0.692)，但均优于 2 g/dm2实验组。4 g/dm2实验组的去除率为实验的最大值，达到了 88.23%。净水除杂系统对 PO43-P 的最大去除率为水绵藻量 6 g/dm2组(90.38%)(图 5b)，但 4 g/dm2水绵组的去除率也达到了 89.50%，2 组的去除率仅相差 0.82%。并且系统藻量为 4 和 6 g/dm2实验组之间对 PO43-P 的去除效果无显著性差异(P=0.654)。15 d 实验结束时，水绵藻量为 2、4 和 6 g/dm2实验组对 PO43-P 去除率分别为 85.38%、89.50%和 90.38%。水绵净水除杂系统对磷的吸附趋势与氮相似，但去除率略高于氮。水绵藻量为 2、4 和 6 g/dm2实验组进行至 10 d 时，净水除杂系统对磷的去除率分别为65.23%、80.45%和 84.36%(图 5c)。前 10 d 对水中磷的去除效果显著。水绵藻量为 4 和 6 g/dm2实验组之间对 TP 去除效果的差别并不显著(P=0.640)。15 d实验结束时，6 g/dm2实验组的去除率为实验的最大值，达到了 90.33%。净水除杂系统的运行会影响水体 pH 值(图 5d)，水体 pH 在实验过程中逐渐升高(013 d)并趋于平缓(1315 d)。对实验 15 d 过程中水绵生物量变化和 pH变化的分析表明，pH 与水绵生物量的相关性极显著(P0.01)。118 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 图 3 不同时间藻类对微塑料的去除效果 Fig.3 The effect of system operation time on the removal of microplastics by algae a、b、c 分别为水绵对颗粒状、片状和纤维状微塑料去除效果；d、e、f 分别为刚毛藻对颗粒状、片状和纤维状微塑料 去除效果；g、h、i 为浒苔对颗粒状、片状和纤维状微塑料去除效果。a,b,and c show the removal effects of Spirogyra on granular,fragmental and fibrous microplastics,respectively;d,e,and f show the removal effects of Cladophora on granular,fragmental and fibrous microplastics,respectively;g,h,and i show the removal effects of Prolifera on granular,fragmental,and fibrous microplastics,respectively.图 4 3 种藻类对微塑料最终去除效果 Fig.4 Final removal effect of three kinds of algae on microplastics 条形图上方的不同小写字母表示同一形状微塑料不同单位面积藻量之间存在显著差异(P0.05)；不同的大写字母表示相同单位面积藻量不同形状微塑料之间存在显著差异(P0.05)。Different lowercase letters at the top of the bar graph indicate significant differences(P0.05)between different amount of algae per unit area for the same shape of microplastic,and different uppercase letters indicate significant differences(P0.05).The results showed that the system effectively removed fibrous microplastics and absorbed nitrogen and phosphorus from the water body and that an algal density per unit area of 4 g/dm2 was the most suitable for removing nitrogen and phosphorus in this system.Key words Microplastics;Aquaculture tailwater;Filamentous algae;Water purification and decontamination system Corresponding author:FENG Zhihua,E-mail: