基于恒化器原理的混藻培养及藻种筛选研究

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野外水体中细菌、浮游动物、浮游植物等微生物种类繁多,加之环境条件变化的影响,使得传统的室内培养方法培养出的纯藻与野外微藻生理性能不同,以该纯藻为对象得出的相关试验结论也就难适用于阐述野外水华现象。同时,传统培养体系内微藻受培养时间、环境条件影响较大,试验时难以捕捉到藻类细胞生理状态,对开展微藻生理特性、代谢物质传递及营养盐利用研究具有局限性。因此,寻找一种能培养出与野外微藻类似,且为后续水华机理或治理措施的研究提供稳定藻源的微藻培养方法是亟待解决问题。为此,本研究提出一种微藻培养方法:以自然水体为进水原水,野外水华微藻为藻源,利用改进的恒化器对其进行连续培养,获得类似于野外水华的稳定藻源。同时,探究不同稀释率、营养盐条件对形成水华的水质条件、浮游植物和细菌群落结构的影响。并以稳定培养的混合微藻为对象,分析不同微藻光合活性对光照时间的响应变化。结果表明,稀释率0.2反应器低营养盐阶段和高营养盐阶段均在第11 d达到稳定;稀释率0.3反应器分别在第15 d和第11 d达到稳定;稀释率0.4反应器分别在第14 d和第10 d达到稳定。低营养盐阶段,Chl a由接种时的46.12μg·L-1逐渐降低然后升高,稀释率0.2、稀释率0.3和稀释率0.4反应器稳定时分别达到24.38μg·L-1、43.46μg·L-1、11.24μg·L-1;TN、TP利用率分别为40%60%、76%85%。高营养盐阶段,Chl a逐渐升高,最后分别稳定到48.22μg·L-1、111.99μg·L-1、197.39μg·L-1;TN、TP利用率分别为87%90%、86%93%。说明进水营养盐浓度和稀释率对形成水华的水质指标及生物量具有显著影响。低营养盐反应器中氮磷均为限制性营养盐,故可以用双底物限制生长动力学模型进行拟合;高营养盐阶段氮磷均不为限制性营养盐,限制其生长的底物可能为碳素或者其他微量元素。虽然低营养盐微藻产率较低,但是单位微藻营养盐利用量高,且进行营养盐低,因此低营养培养是一种较佳的培养方案。对低营养盐和高营养盐稳定阶段的微生物群落结构进行分析发现,营养盐和稀释率对形成水华的优势种存在显著影响。低营养盐达到稳定时,稀释率0.2反应器形成以湖丝藻属、平裂藻属和小球藻属占优的蓝藻水华,稀释率0.3反应器形成以湖丝藻属、平裂藻属、小球藻属、月牙藻属占优的蓝绿藻水华,稀释率0.4反应器形成以平裂藻属和小球藻属占优的蓝绿藻水华。高营养盐阶段均是湖丝藻属和小球藻属占优的蓝藻水华。高通量测序表明:从门水平来看,蓝藻门(Cyanobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是反应器内丰度较大的门。从属水平看,丰度在0.5%以上的细菌种类在低营养盐阶段高于高营养盐阶段,不同反应器优势细菌属存在明显差异,且低营养盐阶段微生物群落结构更丰富。微生物与环境因子间相关性分析表明TP、pH、NH4+-N、Chl a对反应器微生物群落结构影响较显著的环境因子。细菌hgcIclade对反应器内优势藻(湖丝藻属、小球藻属)具有显著影响。说明环境因子对体系内为微生物群落结构具有一定影响,同时微生物之间也存在相互促进、相互制约的关系。探究光照时间对高营养盐稳定阶段不同稀释率反应器内微藻光合活性的影响发现:通过该混藻培养器获得的微藻光合活性高于野外水华,且光照时间对微藻光合活性具有明显影响,但是不同光合活性参数存在一定差异。Fv/Fm基本随着光照时间的增加而增加,变化较大,蓝藻和硅藻Fv/Fm在光照6 h后达到稳定,而绿藻光照12 h后Fv/Fm并未达到稳定;α在整个光照期间变化不大;rETRmax与Ik随着光照时间的增加呈无规律的波浪状变化,且变化均较大。相关性分析发现,Fv/Fm、α、rETRmax、Ik与Chl a呈负相关关系,其中Fv/Fm和Chl a达到显著性水平,Fv/Fm与α、α与rETRmax、α与Ik、rETRmax与Ik之间呈显著正相关。说明微藻光合活性参数之间互相影响,且光合活性与微藻种类及其存在的生物量有关,不同稀释率下微藻种类和密度不同,从而使得微藻光合活性呈现不同规律。
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