1. 引言
随着化石能源危机的到来，沼气作为可再生能源逐渐受到重视 [1] [2] 。厌氧发酵是生产沼气的主要方式，然而该过程除了能产生沼气外还会生成一定数量具有高污染风险的高浓度有机沼液 [3] 。该沼液如不加以妥善处置势必会对环境造成较严重的二次污染，同时也会对沼气能源产业的健康发展带来极大的制约 [4] [5] 。微藻是一种增殖速率较快的油料作物，其生长速度远超其他植物，但是微藻本身体积过小，难于从处理后的沼液中加以回收再利用，使得微藻在沼液处理中的应用受到一定的限制。目前研究人员将真菌加入到微藻体系中，形成大颗粒结构的人工藻菌共生体，从而使微藻在处理完沼液后的回收利用成为可能 [6] [7] [8] 。为此，本文利用自制的光生物反应器，研究了三种混合光质(红光与蓝光比例为8:2、5:5、2:8)对藻菌共生体生长及沼液营养物去除效果的影响，从而为沼气产业发展过程中沼液的高效生物净化处理提供理论参考。
2. 材料与方法
2.1. 微藻与真菌的培养
所用的斜生栅藻(Scenedesmus obliquus, FACHB-12)购买于中国科学院水生生物研究所，培养基为BG11培养基 [9] + 2%麦芽糖 + 0.5%酵母膏，pH = 7.0。培养条件采用白光光质，光照强度为200 μmol/m2∙s，培养温度为25℃ ± 0.5℃，光照周期光暗比为12 h:12 h，每天人工摇锥形瓶三次，培养至生长对数期。灵芝菌种Ganoderma lucidum (菌种编号：5.765)购自中国普通微生物菌种保藏中心，培养基为BG11培养基 + 2%麦芽糖 + 0.5%酵母膏，pH = 7.0。培养条件为温度28℃ ± 0.5℃，转速160 rpm，培养时间为72 h。
2.2. 藻菌共生体培养
按照斜生栅藻的终浓度为4.0 × 108 cell/ml与灵芝菌的终浓度为1 × 107 spores/ml的比例接种于驯化BG11培养基中，pH = 7.0，以2.1中微藻的培养条件进行藻菌共生体的培养，培养4 d。
2.3. 沼液的处理效果
2.3.1. 光生物反应器系统
自制光生物反应器由一个恒温培养箱、密闭的锥形瓶和内置10盏不同光质的LED灯管组成。实验过程中，LED灯管可随意拆换，控制不同的混合光质；沼液通入到锥形瓶中锡箔纸密闭，随时可以从锥形瓶的密封口取出样品。
2.3.2. 沼液的预处理
沼液取自浙江省嘉兴市某养猪场，首先利用玻璃纤维滤纸(GF/C; Whatman, USA)对原沼液进行了过滤，随后利用紫外线杀菌器对过滤后的沼液进行灭菌10 min处理，并用无菌水稀释2倍。其预处理后沼液成分如表1所示。
2.3.3. 沼液的处理
吸取400 ml处理的沼液，无菌操作接入灭菌过的1 L的锥形瓶中，以20%的接种量将2.2的藻菌共生体进行接种。在三种不同混合光质(红光与蓝光比例为8:2、5:5、2:8)条件下，利用2.3.1的光生物反应器系统，在预先设定的培养时间内测定沼液体系中藻菌的比生长速率、日生长量和沼液体系中营养物质(COD，TN，TP)的去除率。
2.4. 生物量的测定
玻璃纤维滤纸(GF/C; Whatman, USA)于105℃烘箱中处理24 h，后置于干燥器中冷却至室温，称重备用。实验期间，每天定时从光生物反应器中吸取50 mL培养液，用玻璃纤维滤纸过滤，将过滤后的滤饼与滤纸同时放在100℃条件下干燥至恒重，根据过滤前后的质量差值得到其生物量。按照公式(1)和(2)分别可以计算得到生物质日生产量与比生长速率 [10] 。
(1)
(2)
其中：P为生物质日生产量，g∙/L∙d；Di是在ti (d)时的生物质浓度，g/L；D0是在t0(d))时的最初生物质浓度，g/L；µ为生物质的比生长速率，/d。
2.5. 营养物质去除率的测定
采用标准分析方法对过滤后的滤液进行营养物质(COD，TN和TP)浓度的测定 [11] ，营养物质的去除率(R)由公式(3)进行计算得到。
(3)
其中：R是营养物质(COD、TN和TP)的去除效率，Ci是沼液营养物质的原始浓度，mg/L；C0是过滤后沼液营养物质的浓度，mg/L。
3. 结果与分析
3.1. 不同混合光质条件下藻菌共生体的生长
在不同混合光质条件下，菌藻共生体均能在沼液体系中正常生长。但对比其不同混合光质处理结果，可以看出当红光:蓝光为5:5时，藻菌共生体均达到了最大的比生长速率和日生产量，分别为0.357 ± 0.07 /d和0.163 ± 0.010 g/L∙d (表2)。
Table 1. Characteristics of biogas slurry after pretreatment
表1. 沼液预处理后水质特征
Table 2. Growth rates and daily productivity of algal-fungal symbiosis under the mixed LED light wavelength treatments
表2. 不同混合光质处理条件下藻菌共生体的比生长速率与日生产量
3.2. 混合光质对沼液中营养物质去除率的影响
不同混合光比例处理条件下，藻菌共生体对沼液主要营养物的去除率结果见表3。从表3可以看出在不同混合光比例处理条件下，藻菌共生体对主要污染物(COD，TN，TP)的去除效果明显。在三种红蓝光比例中，当红光:蓝光为5:5时藻类对主要污染物的去除效果显著优于红光:蓝光为8:2和2:8 (P < 0.05)，此时藻菌共生体均达到了最大的COD，TN和TP去除效率，分别达到80.42% ± 6.36%，75.63% ± 6.56%和78.83% ± 6.35%。
图1(a)~(c)分别表示了藻菌共生体在三种不同混合光质条件下沼液中COD，TN和TP去除率随培养时间的变化。从图1可以看出，在三种不同混合光比例处理条件下，COD，TN和TP去除率的变化趋势大致相似，其中红光:蓝光为5:5时各营养物质的去除效率均处于最佳水平。但从增加幅度来看，COD的去除率，前2 d处于迅速上升期，但在3~4 d上升缓慢，以后几乎不增长；对于TN和TP的去除率，其随着时间的变化规律基本一致，即在1~4 d处于上升期，以后上升相对缓慢。数据统计结果表明，沼液中营养物质的去除率受处理时间影响显著(P < 0.05)，实验启动1~4 d藻菌共生体对主要污染物的去除效果增加显著，而随着处理时间的延长(5~7 d)营养物质的去除率增幅不明显，因此藻菌共生体处理沼液的时间可设定为4~5 d。
4. 结论
在不同混合光质条件下，利用斜生栅藻与灵芝菌共生体对预处理后的沼液进行了生物净化处理，结果发现在红光:蓝光为5:5时营养物去除效率最佳，其次是红光:蓝光为8:2，最差的是红光:蓝光为2:8，这与Kim [12] 等关于红色与蓝色光质的比例变化会影响微藻光合作用功效的发挥的结论相一致。同时，发现藻菌共生体对沼液中COD、TN和TP的去除效果受处理时间影响显著，实验启动1~4 d营养物质去除效果增加明显，其最高的去除率分别达到80.42% ± 6.36%，75.63% ± 6.56%和78.83% ± 6.35%。因此为进一步开发高效的光生物反应器生物净化沼液提供一定的参考数据。
Table 3. Mean values ± SD of the removal efficiency of biogas slurry nutrient removal under the mixed LED light wavelength treatments
表3. 不同混合光质处理条件下藻菌共生体对沼液主要污染物的去除率
注：不同字母表示在相同培养方式下去除率差异显著(P < 0.05)。
(a)(b)
(c)
Figure 1. Nutrient removal efficiency at algal-fungal symbiosis under mixed LED light wavelength treatments
图1. 不同混合光质条件下沼液营养物质去除率随培养时间的变化图
基金项目
2017年浙江省大学生科技创新项目(011)，2016年嘉兴学院重点SRT项目(851716087)资助。