文|麵包夾知識
編輯|麵包夾知識
«——【·前言·】——»
微塑膠汙染和養殖尾水超標排放已成為全球重要問題，在同一系統中，同時研究絲狀藻對氮、磷的去除效果和對微塑膠的攔截效果尚未見報道。
為解決這一問題，本研究構建了一種藻類凈水除雜系統，並研究其攔截微塑膠和去除水體氮、磷的能力。
早在1972年，Science報道了聚苯乙烯小球出現在英格蘭群島南部近海水體中，且含量豐富，其粒徑範圍為0.1~2.0mm。
Thompson等最早提出「微塑膠」的相關概念，定義了微塑膠為粒徑小於5mm的塑膠顆粒，從此微塑膠汙染問題開始被全球所關註。
對典型養殖海灣中微塑膠汙染的研究發現，沈積物中的微塑膠豐度已達到中等汙染水平，對長江三角洲養殖池塘進行研究發現，微塑膠廣泛存在於養殖環境中，養殖環境中的微塑膠可以在河流、洋流和給排水系統作用下排放到海洋環境中並進行長距離運輸。
大量追蹤微塑膠的研究發現，在北大西洋、太平洋甚至北冰洋及深海區域均存在較大程度的微塑膠汙染。幾乎在所有海洋和淡水環境中發現了微塑膠，除水環境外，在內陸偏遠地區和國家保護區中也都發現了微塑膠，微塑膠在世界範圍內已廣泛分布。
微塑膠的形態類似於某些有機物和浮遊生物，很容易被魚類、浮遊動物和底棲生物誤食，從而對生物體的生長造成危害。
從小型無脊椎動物到大型掠食性哺乳動物，在各種各樣的水生動物中都觀察到了微塑膠攝入的證據。如果可食用的水生動物廣泛攝入微塑膠，就會對食品安全和人類健康構成潛在風險。
培養大型絲狀藻類用於養殖尾水凈化的生物修復技術，是目前環境修復技術的研究熱點之一，大型藻類能夠在富營養化水體中生長，且其生長產物在多個行業具有套用價值。
使用養殖尾水培養絲狀藻類時，不需要添加任何額外養料，養殖尾水中含有的N、P營養物質可供大型絲狀藻類生長所需，並能達到改善水質的作用。
利用大型絲狀藻凈化汙水，藻體本身易於培養和收集，其次，相比較傳統的汙水處理，在流程上更為簡便且成本較低。
絲狀藻的生物膜面積較大，對微塑膠有較好的攔截和吸附效果，大型絲狀藻，如水綿、滸苔、剛毛藻等，在水體中最為常見,它們在去除水質中的氮、磷等方面的效果明顯高於矽藻、藍藻等微藻族群。
本研究基於絲狀藻對水體的凈化效果，選擇這3種藻類構建藻床凈水除雜系統，在此系統上開展大型絲狀藻凈化養殖尾水和攔截環境微塑膠研究。
在實作資源利用最大化，凈化養殖尾水，去除環境微塑膠，為探尋水生生態系管理的全新方法提供策略。
«——【· 材料與方法 ·】——»
采集自江蘇省連雲港市石梁河區域，采集過程中，使用不銹鋼棍將水綿藻體挑起，盡量保持藻體完整，然後用河水清洗藻體，盡量去除藻體上附著的泥沙和其他生物，之後裝入鋁箔袋中取回。
取回後將藻體使用蒸餾水清洗多次，瀝幹水分後，置於實驗室長、寬、高分別為50、30和20cm加有SE培養基的玻璃水缸中暫養。
藻體在實驗室補光燈下培養，光照強度為3000lx，光照黑暗比為16h∶8h，培養溫度為25℃。在實驗開始前，逐漸改變玻璃缸中養殖尾水的比例進行馴化培養。由於水綿種類繁多，本研究僅將采集的水綿鑒定到屬。
實驗剛毛藻藻株於連雲港市區域，采回後用蒸餾水反復清洗，然後放在SE培養基中培養，培養條件同水綿藻株。
本研究僅將采集的剛毛藻鑒定到屬，采回後用滅菌過濾海水反復清洗，暫存於15℃、光照強度約為50μmolphotos/(m2·s)的低溫海水中。
本研究僅將采集的滸苔鑒定到屬，微塑膠全部采用聚丙烯材質制作，粒徑均為1~2mm，形態分別為纖維狀、顆粒狀和片狀。
藻類生長實驗中，水綿和剛毛藻用水為淡水。由於滸苔為海水藻類，使用滅菌過濾海水調節總氮(TN)、總磷(TP)、PO43–-P和pH指標與養殖尾水相一致。
將此海水用作滸苔的生長實驗用水。測定藻床凈水除雜系統對養殖尾水中氮磷去除效果的實驗用水為江蘇省連雲港市贛榆區某水產養殖廠排放的養殖尾水，使用前將水用2.7μm玻璃纖維濾膜過濾，水質情況見表1。
本研究構建了一套藻床凈化水體氮磷及微塑膠系統，系統側檢視與俯檢視如圖1所示。
實驗凈水除雜系統由藻板、水箱(體積 V =40L)、12V2.5A自吸泵和PVC水管組成。可更換藻板由亞克力制成，其長、寬分別為50和15cm，面積為7.5dm2。
在藻板上平鋪軟質PVC網格，便於將藻體固定其上。藻板整體傾斜15°擺放，並固定在金屬支架上。藻板上端下端分別固定水管，水管連線處均固定孔徑為5mm的金屬篩網，防止藻類流出，影響實驗結果。
上端水管連線自吸泵和藻板，自吸泵將水從水箱抽至藻板頂端，流量設定為1L/min。水流均勻流過藻板後，經過藻板下端固定的水管回流至水箱中，完成迴圈。水箱口處用錫箔紙覆蓋，防止外界灰塵、微生物或其他雜質進入水箱並減少實驗用水的蒸發。
置10個上述系統，系統除支架外所有部件均用75%酒精徹底清洗。每種藻類的生長實驗設定3個平行實驗，測量數據取平均值，實驗開始通水30min後進行第一次測量，測量時將整個藻板取下，待其不再有水流出時稱量品質。
每24h稱量一次，根據每24h藻板品質差值計算生長率。除空白外，每個藻板上藻類投放量均為(30.0±0.1)g。
實驗時光照強度為3000lx，光照黑暗比為16h∶8h，保持室內溫度為27℃。每日測定時間均為08:30。藻類每日生長率( U )
計算公式為： U =( M – M o)/ M o×100%(1)式中， M 為當日藻品質， Mo 為前一日藻品質。
不同藻類在凈水除雜系統中對微塑膠攔截效果本實驗每種藻類設定27個上述系統，系統清洗方式同1.2.1。水綿、剛毛藻使用過濾滅菌養殖尾水進行實驗，滸苔使用過濾滅菌海水進行實驗。
由於實驗使用聚丙烯微塑膠，密度( ρ =0.91g/cm3)均小於養殖尾水( ρ =1.01g/cm3)和海( ρ =1.02g/cm3)，所以養殖尾水和海水可直接進行對比。分別設定2、4和6g/dm23個水平的藻量。
其中，2g/dm2是藻類勉強覆蓋藻板的藻量，有一些孔隙和不能完全覆蓋的區域；4g/dm2是藻類基本可以將藻板覆蓋的藻量，沒有明顯裸露位置；6g/dm2是藻類可以完全將藻板覆蓋的藻量，沒有任何孔隙，有些位置會有少量藻類堆積。
在每種藻量對應的水箱中分別添加顆粒狀、片狀和纖維狀3種形態的聚丙烯微塑膠，微塑膠添加量均為100items/L。所有實驗進行天數分別為1、4、7和10d。
設定3次平行實驗。實驗結束停水30min後，將水箱中所有液體倒出並用蒸餾水清洗水箱，使用2.7μm玻璃纖維濾膜(Whatman,GF/D)過濾全部液體(包括清洗時產生的)。
微塑膠去除率( η )計算公式為： η =( P – P o)/ P ×100%(2)式中， P 為添加微塑膠量， P o為濾膜中微塑膠量。
水綿在凈水除雜系統中對氮、磷的去除效果預實驗結果顯示，水綿對不同形態微塑膠的去除效果最好，所以選用水綿作為氮磷去除效果的實驗藻類。
設定4個上述系統，分別設定空白、2、4和6g/dm24個水平的藻量，水箱中加入過濾後的養殖尾水。實驗開始並通水後10min取樣，取樣位置為藻板下端出水口處。
第一次取樣後每24h取樣一次，每次取樣後添加相同的養殖尾水補給水分損失。水樣采集時間為09:00，實驗進行15d。
水樣測定：總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解–紫外分光光度法(GB11894-89)，總磷測定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)，PO43–-P測定參考采用鉬銻抗分光光度法進行，使用手持式pH快速測量儀，測定水樣pH。
選用IBMSPSSStatistics27.0進行單因素變方分析和雙因素變方分析檢驗不同藻類與微塑膠去除效果之間的差異性。分析結果使用繪圖。所有分析均采用95%的置信度。
«——【· 結果 ·】——»
實驗期間，水綿、剛毛藻和滸苔3種藻類均能在實驗系統中正常生長(表2、圖2)，均滿足了作為系統中吸收水體氮磷、攔截微塑膠的基本條件。
3種藻類在實驗前6d生長速率較快，9d後生長速率逐漸減緩。水綿、剛毛藻和滸苔的日均生長率分別為2.93%、2.61%和3.15%。3種藻類藻品質增加最多的為滸苔。
在本實驗中，透過研究凈水除雜系統不同執行時間和單位面積不同藻量的條件下對微塑膠的去除效果可以得出，藻量為2g/dm2實驗組的3種絲狀藻對於微塑膠的去除率均遠低於其余2種藻量。在實驗時長為1~4d時，3種絲狀藻對微塑膠去除率增速較快。
當實驗時長延長至7d、10d時，3種絲狀藻對微塑膠的去除率仍然有所增加，但增速減慢且趨於平緩
種絲狀藻對纖維狀微塑膠的去除效果最佳(圖3c、f、i)；對顆粒狀微塑膠的去除效果最差(圖3a、d、g)。
在時長為10d的實驗中，水綿相較於其他2種絲狀藻對3種不同形態的微塑膠均有更高的去除率。10d的去除實驗中，水綿藻量為6g/dm2的凈水除雜系統對3種形態微塑膠的去除率為整個實驗的最大值，顆粒狀、片狀和纖維狀的去除率分別為67.50%、71.50%和88.50%(圖4a)。
對比水綿藻量為4和6g/dm2實驗組的去除率曲線，除形態為顆粒狀的微塑膠外，對於其他2種形態的微塑膠的去除率在實驗時長10d的實驗中比較接近。
水綿對顆粒狀的微塑膠去除率受藻量影響較大(圖3a)，滸苔藻量為4和6g/dm2實驗組對顆粒狀微塑膠去除率十分相近。不同藻量對3種絲狀藻去除片狀微塑膠的影響較為相似，去除率曲線形態相近(圖3b、e、h)。
藻量為4和6g/dm2組的水綿和滸苔對纖維狀微塑膠的去除率較為接近(圖3c、i)，藻量為2和4g/dm2組的剛毛藻去除纖維狀塑膠的去除率在實驗時長為1d和7d的實驗中較接近(圖3f)。
對比3種藻類對不同形態微塑膠的最終去除率，水綿在所有藻量的實驗組中對3種形態的微塑膠去除率均高於剛毛藻和滸苔(圖4)。
剛毛藻對顆粒狀、片狀和纖維狀微塑膠的最大去除率分別為53.00%、65.00%和79.50%，滸苔對顆粒狀、片狀和纖維狀微塑膠的最大去除率分別為55.00%、73.50%和75.50%。
綜上所述，就3種藻類對不同形態微塑膠的去除效果而言，相較於其他2種絲狀藻，水綿更適合用於去除本凈水除雜系統中的微塑膠。
水綿凈水除雜系統對氮、磷的去除效果凈水除雜系統中添加不同水綿藻量的實驗組，對養殖尾水中的N、P均有較好的去除效果(圖5a~c)。
水綿藻量為2、4和6g/dm2實驗組進行至8d時，凈水除雜系統對TN的去除率分別為44.71%、69.46%和75.97%，在這期間，凈水除雜系統對養殖尾水中氮的去除效果最好，8~15d時，逐漸趨於平緩。
15d實驗結束時，4和6g/dm2實驗組之間對於TN平均去除率的差別並不顯著( P =0.692)，但均優於2g/dm2實驗組。4g/dm2實驗組的去除率為實驗的最大值，達到了88.23%。
凈水除雜系統對PO43–-P的最大去除率為水綿藻量6g/dm2組(90.38%)，但4g/dm2水綿組的去除率也達到了89.50%，2組的去除率僅相差0.82%。
並且系統藻量為4和6g/dm2實驗組之間對PO43–-P的去除效果無顯著性差異( P =0.654)。15d實驗結束時，水綿藻量為2、4和6g/dm2實驗組對PO43–-P去除率分別為85.38%、89.50%和90.38%。
水綿凈水除雜系統對磷的吸附趨勢與氮相似，但去除率略高於氮，水綿藻量為2、4和6g/dm2實驗組進行至10d時，凈水除雜系統對磷的去除率分別為65.23%、80.45%和84.36%，前10d對水中磷的去除效果顯著。
水綿藻量為4和6g/dm2實驗組之間對TP去除效果的差別並不顯著( P =0.640)。
15d實驗結束時，6g/dm2實驗組的去除率為實驗的最大值，達到了90.33%。凈水除雜系統的執行會影響水體pH值(圖5d)，水體pH在實驗過程中逐漸升高(0~13d)並趨於平緩(13~15d)。
對實驗15d過程中水綿生物量變化和pH變化的分析表明，pH與水綿生物量的相關性極顯著( P <0.01)。
實驗表明，2、4和6g/dm2實驗組在15d的時間內均可去除40L養殖尾水中85%以上的氮，磷，4g/dm2的去除效果基本與6g/dm2相近，從系統套用的角度來看，本凈水除雜系統中最佳藻量設定為4g/dm2。
«——【· 討論 ·】——»
3種藻類在凈水除雜系統中經過15d的執行，都仍然可以繼續生長，是本研究後續實驗的重要前提。
這3種藻類都可以在凈水除雜系統執行時穩定生長，這意味著本實驗構建的凈水除雜系統可以適應不同藻類的生長需求，提供穩定的環境和條件。
藻類的穩定生長還可以減少系統的波動性，維持系統的穩定性和執行效果，水綿、剛毛藻和滸苔的生命周期、生長速率和需求存在一定差異，每種藻類的正常生長可以更靈活地管理系統的執行。水綿由於其藻體結構，其比表面積比其他水生植物大得多。
水綿的生長速率也略快於其他水生植物。水綿由於可以誘導羥基磷灰石沈積，其同化吸磷速率也快於水生植物。
剛毛藻分布廣泛，對環境適應力強，油脂含量高。剛毛藻細胞內脂類含量豐富，可達到自身幹品質的10%~70%，產油潛力巨大，經濟開發前景廣闊。
由於海洋富營養化，導致滸苔在夏季黃海海域大量繁殖。由於滸苔生長迅速，富含碳水化合物，其作為生物能源比微藻更具有價格優勢。
實驗構建凈水除雜系統可以根據不同環境、不同條件和經濟效益調整藻類的種類，從而使凈水除雜系統可以套用在更多不同的場景中。
目前已經有一些研究表明，大型藻類對微塑膠有一定的富集能力。在對同一片海域不同海藻的微塑膠富集研究中發現，滸苔的微塑膠富集能力最強，其富集的微塑膠是周圍海水平均含量的1000倍甚至10000倍以上。
對北美五大湖的微塑膠研究發現，剛毛藻內的微塑膠豐度也能達到周圍水體平均微塑膠豐富的10000倍。
大型藻類例如水綿富集的微塑膠主要以纖維狀為主，由於絲狀藻具有細長和分支的藻體，可以更好地卷曲纏繞住同樣細長的纖維狀的微塑膠。
滸苔的氣囊膨脹時，會形成一段長條形中空區域，寬度最大達到數厘米，因此，微塑膠可能會被包裹其中。這種攔截的方式相對牢固，微塑膠不易脫落。
本實驗的3種絲狀藻對纖維狀微塑膠也有相似的結果，對剛毛藻攔截微塑膠的研究表明，長度為1cm的剛毛藻藻絲表面積達到119cm2，且其表面有網狀結構，巨大的比表面積和復雜的表面結構致使剛毛藻對微塑膠也具有較好的攔截效果。
研究表明，在東中國海中最主要的微塑膠形態即為纖維狀，且漁業活動是纖維狀微塑膠的來源之一本研究發現，本凈水除雜系統的3種絲狀藻對纖維狀微塑膠在凈水除雜系統執行時長為10d時均有較好的去除效果。
微塑膠的平均去除效果，與凈水除雜系統執行時長呈正相關。產生這種結果的原因可能是在水箱中微塑膠的分布並不均勻，有些微塑膠並沒有隨著時間的推移較早地加入系統水迴圈中。
而且有些微塑膠可能跟隨水流從藻類上方越過，並未接觸或短暫接觸到藻體，導致無法被藻體攔截，又重新進入至水箱中。
3種藻類在凈水除雜系統中均會逐漸生長，但水綿藻體在凈水除雜系統中垂直投影面積會逐漸增大，藻絲之間孔隙加大。整體來看，其藻體會變得蓬松，對於微塑膠的攔截效果會更好。
水生植物可以透過光合作用，將水體中不同形態的氮化合物作為氮源進行自營生長代謝，被吸收的硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽合成藻細胞胺基酸和蛋白質等物質。
在本凈水除雜系統中，4g/dm2和6g/dm2實驗組對氮的最大去除率均達到了85%以上，分別為88.23%和87.70%，可以有效去除養殖尾水中的氮。
之前有研究設計了一種周叢藻類水質處理槽，研究周叢藻類對水體氮、磷汙染物質去除效果，其系統對Np+-N的最大去除率為88.52%，對TN的最大去除率為65%以上(梁霞等,2008b)，與本研究結果相似。
在之前的水生植物除磷研究中，證明除了植物直接吸收水中磷之外，還可透過光合作用升高水體pH加速CaCO3沈澱，並誘導鈣磷共沈積，從而間接降低水中的磷含量。
藻類生長時，消耗水體中的CO2，導致水體pH升高，也會導致鈣磷共沈積。水綿生長後藻量增加，光合作用消耗CO2的量增加。
實驗開始時，養殖尾水中的CO2濃度較高，植物可以透過酶的作用將CO2直接吸收並用於光合作用，因此，水體pH逐漸升高。
實驗進行至13d時，pH和光合作用達到平衡並保持相對穩定。對藻生物膜誘導沈積磷的研究結果表明，沈積主要發生在藻生物膜上，水綿比表面積較大，與藻生物膜相似，誘導鈣磷沈積主要發生在水綿藻體上。
在本凈水除雜系統中也有相似的現象，3個實驗組水體pH都逐步上升，說明本實驗中可能也存在鈣磷共沈積現象，從而加速凈水除雜系統對水中磷的去除效率。
由圖5c可以得出，5d前，系統2g/dm2和4g/dm2實驗組對磷的去除速率較低，對磷的去除率只有13.58%和25.72%。
其原因可能是這2組的生物量較少，導致藻類生物膜面積較小，由於藻類先使CaCO3結晶在其藻膜上沈積，然後CaCO3結晶可作為晶核導致Ca3(PO4)2或Ca5(OH)(PO4)3進行沈積。
但CaCO3結晶沈積需要一定時間來完成，並且由於光合作用速率限制，水體pH無法快速升高，也減緩了CaCO3結晶沈積的速度。
這些因素都限制了2g/dm2和4g/dm2實驗組對磷的去除速率。隨著時間的推進，CaCO3晶核逐漸形成，為鈣磷共沈積提供先決條件，去除速率逐漸升高。
綜合2、4和6g/dm2實驗組的實驗結果可知，4g/dm2的單位面積藻量是本凈水除雜系統去除氮、磷最適宜的藻量。
«——【· 結論 ·】——»
本實驗透過構建一種藻類凈水除雜系統，可以與水綿、剛毛藻和滸苔3種藻類相適配，以滿足不同的套用場景。
凈水除雜系統對於3種形態的微塑膠均有較好的去除效果，纖維狀微塑膠作為水產養殖環境中最常見的一種微塑膠。
在穩定執行後，本系統可有效去除養殖尾水中的微塑膠。將水綿作為系統去除養殖尾水氮、磷的實驗藻體後，得出本系統對水體氮、磷都有較高的去除率，對氮的最大去除率為91.88%(系統藻量為4g/dm2)；對磷的最大去除率為90.33%(系統藻量為6g/dm2)。
4和6g/dm2實驗組對氮、磷的去除效果相差並不顯著，因此，從對微塑膠和氮磷的去除效果得知，4g/dm2的單位面積藻量是本凈水除雜系統中最適宜的藻量。
本藻類凈水除雜系統操作簡單，具有較好的氮、磷去除效果，還可以去除養殖尾水中的微塑膠，減輕微塑膠汙染。
因此，該藻類凈水除雜系統可以在不同養殖模式的養殖尾水處理系統中復合套用。
