摘要

在生活廢水高速藻池中，碳限制被認為會制約微藻的光生理學和生產力，尤其是在夏季。本文研究了沿pH梯度添加CO?對廢水高速藻池中微藻性能的影響。性能通過光吸收、電子傳遞速率、光合效率、生物量生產和營養鹽去除效率來衡量。隨著CO?供應的增加，微藻的光吸收增加了高達128%，而包裝效應的減少意味著內部自遮蔭減少，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256%。這導致了生物量的增加，最高產量出現在測試的最高溶解無機碳/最低pH組合（pH 6.5），其中葉綠素a生物量翻倍，而以Micractinium bornhemiense為主的培養物中總微藻生物體積增加了660%，在以Pediastrum boryanum為主的培養物中增加了260%。微藻生物量的增加并未抵消對照中氨揮發減少的影響，總體營養鹽去除率在添加CO?的情況下低于不添加的情況。微藻的營養鹽去除效率隨著pH降低而下降，這可能與單位細胞葉綠素a減少有關。本實驗證明，CO?添加增加了兩個不同群落中的微藻生物量，然而，在解釋關于CO?添加的標準生物量測量結果時必須謹慎。

1.引言

高速藻池是淺的、跑道式池塘，旨在促進微藻的增殖。這些池塘最初于20世紀50年代末開發，用于廢水處理和以藻類生物質形式進行資源回收。雖然高速藻池目前在世界范圍內用于處理各種農業和工業廢水，但許多污水處理廠仍使用傳統的池塘系統。廢水處理池塘依賴微藻的光合作用和生長來吸收溶解的營養鹽，并提供必要的氧氣以驅動有機化合物的好氧細菌降解。然而，傳統池塘系統通常出水水質差且變化大，并且由于微藻光合作用和生長緩慢，營養鹽和病原體去除有限。隨著減少廢水排放到受納水體營養負荷的壓力增加，人們對使用高速藻池重新產生了興趣，因為高速藻池已被證明可以提供更好且更穩定的廢水處理，從而使出水達到更高標準。高速藻池相對于傳統廢水池塘的另一個優勢是資源回收，即以微藻生物質的形式，用作肥料、富含蛋白質的飼料或用于生物燃料生產。雖然單獨使用高速藻池生產生物燃料在經濟上不可行，但將廢水處理高速藻池與生物燃料生產相結合被認為是經濟可行的。

光在廢水微藻生產力中起著核心作用，為光合作用反應提供將溶解無機營養鹽轉化為有機生物質所需的光子能量。因此，光的有效吸收和利用對于高微藻生物量產量和高效廢水處理至關重要。廢水高速藻池中微藻的光吸收和利用被認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為白天pH值升高，這是對微藻光合作用消耗溶解無機碳的響應。高日間pH值也會通過抑制微藻（當pH>8.5時由于高游離氨濃度）和好氧細菌（當pH>8.3時其生長日益受到抑制）對廢水處理產生負面影響。

溶解無機碳以CO?、HCO??或CO?2?形式存在，各種形態的比例取決于pH和溫度。微藻優先通過被動擴散吸收CO?，而不是依賴于主動運輸的HCO??，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制來協助碳吸收。向高速藻池添加CO?會導致pH降低和DIC平衡移動，從而增加CO?的可用性。降低pH也可能通過改變許多代謝過程獨立地影響微藻的生長，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。這不僅會增加碳的可用性，還會避免pH抑制，從而可能同時提高營養鹽去除率和微藻生物量產量。關于添加CO?對廢水高速藻池微藻生產影響的信息發表很少。然而，幾項室外廢水高速藻池研究表明，通過白天添加CO?可以使微藻生產力翻倍。CO?添加是pH控制的，當培養物pH超過8時開始添加，當達到pH 7.8時停止。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，尚未有發表的研究評估共同變化的CO?和pH對廢水微藻的光合性能、生物量生產和營養鹽去除的影響。在本文中，我們研究了以下假設：增加CO?供應和降低pH能進一步增強廢水微藻的光生理學、生物量生產和營養鹽去除。

2.方法

2.1.高速藻池中宇宙系統設置和二氧化碳添加

實驗在新西蘭漢密爾頓Ruakura研究中心（37°47'S,175°19'E）的夏季戶外進行。實驗使用不同的微藻群落進行了兩次。第一次實驗于2013年12月進行，第二次實驗于2014年2月進行。高速藻池中宇宙系統由15升塑料桶組成，培養深度為300毫米。桶用泡沫包裹，確保光僅從水面進入。它們被放置在單獨的攪拌板上，并用一個8厘米長的磁力攪拌棒連續攪拌。初始接種物來自鄰近的高速藻池水。培養物在初級沉淀生活廢水中生長，并作為半連續培養物運行，水力停留時間為4天，每天更換25%的培養物。每個實驗運行16天。

補充碳以100%CO?氣體的形式提供給HRAMs。CO?添加系統包括CO?氣瓶、氣體調節器、氣體流量計（0-12升/分鐘范圍）和氣體擴散器。100%氣體通過放置在每個桶底部的氣體擴散器鼓泡進入HRAMs。CO?的添加是pH控制的，當pH比目標pH高0.1時開始添加，當pH比目標pH低0.1時停止添加。添加到各處理組的CO?量由每個培養物的預設pH值設定。這些值為：(1)無CO?添加（對照），(2)pH 8，(3)pH 7.5，(4)pH 7，(5)pH 6.5。所有處理組均設三個重復，并通過每周夜間添加CO?將pH降至4.8持續兩小時來控制捕食者。這導致捕食者100%死亡，但不影響微藻。

在整個實驗過程中，使用每天用標準緩沖液校準的TPS儀表在HRAM深度中點連續測量pH、溫度和溶解氧。每5天測量一次HRAMs中的日間DIC濃度。所有其他參數在每個實驗結束時測量。對兩個中宇宙實驗測量了物理化學參數、物種生物體積、有機物、葉綠素生物量和營養鹽濃度，而光吸收和光合潛力僅在第二次實驗期間測量。

2.2.溶解無機碳濃度

對于溶解無機碳測量，將1 mL HRAM培養物注入含有0.2 mL磷酸的真空采血管中。酸化將DIC轉化為CO?，劇烈搖晃后釋放到頂空。將頂空的一部分樣品注入流經LiCor LI-820紅外CO?氣體分析器的氮氣流中。CO?濃度根據峰高估算，并使用已知的碳酸氫鈉標準品進行校準。