摘要

在生活廢水高速藻池中，碳限制被認(rèn)為會(huì)制約微藻的光生理學(xué)和生產(chǎn)力，尤其是在夏季。本文研究了沿pH梯度添加CO?對(duì)廢水高速藻池中微藻性能的影響。性能通過(guò)光吸收、電子傳遞速率、光合效率、生物量生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)鹽去除效率來(lái)衡量。隨著CO?供應(yīng)的增加，微藻的光吸收增加了高達(dá)128%，而包裝效應(yīng)的減少意味著內(nèi)部自遮蔭減少，從而提高了光吸收效率。CO?添加使電子傳遞和光合作用的最大速率提高了高達(dá)256%。這導(dǎo)致了生物量的增加，最高產(chǎn)量出現(xiàn)在測(cè)試的最高溶解無(wú)機(jī)碳/最低pH組合（pH 6.5），其中葉綠素a生物量翻倍，而以Micractinium bornhemiense為主的培養(yǎng)物中總微藻生物體積增加了660%，在以Pediastrum boryanum為主的培養(yǎng)物中增加了260%。微藻生物量的增加并未抵消對(duì)照中氨揮發(fā)減少的影響，總體營(yíng)養(yǎng)鹽去除率在添加CO?的情況下低于不添加的情況。微藻的營(yíng)養(yǎng)鹽去除效率隨著pH降低而下降，這可能與單位細(xì)胞葉綠素a減少有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)證明，CO?添加增加了兩個(gè)不同群落中的微藻生物量，然而，在解釋關(guān)于CO?添加的標(biāo)準(zhǔn)生物量測(cè)量結(jié)果時(shí)必須謹(jǐn)慎。

1.引言

高速藻池是淺的、跑道式池塘，旨在促進(jìn)微藻的增殖。這些池塘最初于20世紀(jì)50年代末開(kāi)發(fā)，用于廢水處理和以藻類生物質(zhì)形式進(jìn)行資源回收。雖然高速藻池目前在世界范圍內(nèi)用于處理各種農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢水，但許多污水處理廠仍使用傳統(tǒng)的池塘系統(tǒng)。廢水處理池塘依賴微藻的光合作用和生長(zhǎng)來(lái)吸收溶解的營(yíng)養(yǎng)鹽，并提供必要的氧氣以驅(qū)動(dòng)有機(jī)化合物的好氧細(xì)菌降解。然而，傳統(tǒng)池塘系統(tǒng)通常出水水質(zhì)差且變化大，并且由于微藻光合作用和生長(zhǎng)緩慢，營(yíng)養(yǎng)鹽和病原體去除有限。隨著減少?gòu)U水排放到受納水體營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的壓力增加，人們對(duì)使用高速藻池重新產(chǎn)生了興趣，因?yàn)楦咚僭宄匾驯蛔C明可以提供更好且更穩(wěn)定的廢水處理，從而使出水達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。高速藻池相對(duì)于傳統(tǒng)廢水池塘的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是資源回收，即以微藻生物質(zhì)的形式，用作肥料、富含蛋白質(zhì)的飼料或用于生物燃料生產(chǎn)。雖然單獨(dú)使用高速藻池生產(chǎn)生物燃料在經(jīng)濟(jì)上不可行，但將廢水處理高速藻池與生物燃料生產(chǎn)相結(jié)合被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)可行的。

光在廢水微藻生產(chǎn)力中起著核心作用，為光合作用反應(yīng)提供將溶解無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)生物質(zhì)所需的光子能量。因此，光的有效吸收和利用對(duì)于高微藻生物量產(chǎn)量和高效廢水處理至關(guān)重要。廢水高速藻池中微藻的光吸收和利用被認(rèn)為受到碳限制的制約，尤其是在夏季。廢水高速藻池中的碳限制表現(xiàn)為白天pH值升高，這是對(duì)微藻光合作用消耗溶解無(wú)機(jī)碳的響應(yīng)。高日間pH值也會(huì)通過(guò)抑制微藻（當(dāng)pH>8.5時(shí)由于高游離氨濃度）和好氧細(xì)菌（當(dāng)pH>8.3時(shí)其生長(zhǎng)日益受到抑制）對(duì)廢水處理產(chǎn)生負(fù)面影響。

溶解無(wú)機(jī)碳以CO?、HCO??或CO?2?形式存在，各種形態(tài)的比例取決于pH和溫度。微藻優(yōu)先通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散吸收CO?，而不是依賴于主動(dòng)運(yùn)輸?shù)腍CO??，然而，在高pH下，廢水高速藻池中的大部分DIC以HCO??和CO?2?形式存在，可利用的CO?微不足道。在這種情況下，微藻依賴于代謝成本高的碳濃縮機(jī)制來(lái)協(xié)助碳吸收。向高速藻池添加CO?會(huì)導(dǎo)致pH降低和DIC平衡移動(dòng)，從而增加CO?的可用性。降低pH也可能通過(guò)改變?cè)S多代謝過(guò)程獨(dú)立地影響微藻的生長(zhǎng)，并可能增加光吸收。

為了克服廢水高速藻池中的碳限制，有人提出了添加CO?的方法。這不僅會(huì)增加碳的可用性，還會(huì)避免pH抑制，從而可能同時(shí)提高營(yíng)養(yǎng)鹽去除率和微藻生物量產(chǎn)量。關(guān)于添加CO?對(duì)廢水高速藻池微藻生產(chǎn)影響的信息發(fā)表很少。然而，幾項(xiàng)室外廢水高速藻池研究表明，通過(guò)白天添加CO?可以使微藻生產(chǎn)力翻倍。CO?添加是pH控制的，當(dāng)培養(yǎng)物pH超過(guò)8時(shí)開(kāi)始添加，當(dāng)達(dá)到pH 7.8時(shí)停止。雖然這些研究證明了向廢水微藻添加CO?的積極影響，但迄今為止，尚未有發(fā)表的研究評(píng)估共同變化的CO?和pH對(duì)廢水微藻的光合性能、生物量生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)鹽去除的影響。在本文中，我們研究了以下假設(shè)：增加CO?供應(yīng)和降低pH能進(jìn)一步增強(qiáng)廢水微藻的光生理學(xué)、生物量生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)鹽去除。

2.方法

2.1.高速藻池中宇宙系統(tǒng)設(shè)置和二氧化碳添加

實(shí)驗(yàn)在新西蘭漢密爾頓Ruakura研究中心（37°47'S,175°19'E）的夏季戶外進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用不同的微藻群落進(jìn)行了兩次。第一次實(shí)驗(yàn)于2013年12月進(jìn)行，第二次實(shí)驗(yàn)于2014年2月進(jìn)行。高速藻池中宇宙系統(tǒng)由15升塑料桶組成，培養(yǎng)深度為300毫米。桶用泡沫包裹，確保光僅從水面進(jìn)入。它們被放置在單獨(dú)的攪拌板上，并用一個(gè)8厘米長(zhǎng)的磁力攪拌棒連續(xù)攪拌。初始接種物來(lái)自鄰近的高速藻池水。培養(yǎng)物在初級(jí)沉淀生活廢水中生長(zhǎng)，并作為半連續(xù)培養(yǎng)物運(yùn)行，水力停留時(shí)間為4天，每天更換25%的培養(yǎng)物。每個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行16天。

補(bǔ)充碳以100%CO?氣體的形式提供給HRAMs。CO?添加系統(tǒng)包括CO?氣瓶、氣體調(diào)節(jié)器、氣體流量計(jì)（0-12升/分鐘范圍）和氣體擴(kuò)散器。100%氣體通過(guò)放置在每個(gè)桶底部的氣體擴(kuò)散器鼓泡進(jìn)入HRAMs。CO?的添加是pH控制的，當(dāng)pH比目標(biāo)pH高0.1時(shí)開(kāi)始添加，當(dāng)pH比目標(biāo)pH低0.1時(shí)停止添加。添加到各處理組的CO?量由每個(gè)培養(yǎng)物的預(yù)設(shè)pH值設(shè)定。這些值為：(1)無(wú)CO?添加（對(duì)照），(2)pH 8，(3)pH 7.5，(4)pH 7，(5)pH 6.5。所有處理組均設(shè)三個(gè)重復(fù)，并通過(guò)每周夜間添加CO?將pH降至4.8持續(xù)兩小時(shí)來(lái)控制捕食者。這導(dǎo)致捕食者100%死亡，但不影響微藻。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用每天用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液校準(zhǔn)的TPS儀表在HRAM深度中點(diǎn)連續(xù)測(cè)量pH、溫度和溶解氧。每5天測(cè)量一次HRAMs中的日間DIC濃度。所有其他參數(shù)在每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)量。對(duì)兩個(gè)中宇宙實(shí)驗(yàn)測(cè)量了物理化學(xué)參數(shù)、物種生物體積、有機(jī)物、葉綠素生物量和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，而光吸收和光合潛力僅在第二次實(shí)驗(yàn)期間測(cè)量。

2.2.溶解無(wú)機(jī)碳濃度

對(duì)于溶解無(wú)機(jī)碳測(cè)量，將1 mL HRAM培養(yǎng)物注入含有0.2 mL磷酸的真空采血管中。酸化將DIC轉(zhuǎn)化為CO?，劇烈搖晃后釋放到頂空。將頂空的一部分樣品注入流經(jīng)LiCor LI-820紅外CO?氣體分析器的氮?dú)饬髦小O?濃度根據(jù)峰高估算，并使用已知的碳酸氫鈉標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行校準(zhǔn)。