system: [SYSTEM]

user: 3. 结果分析与讨论 3.1. 无菌环境下C058处理模拟废水的条件优化 3.1.1. 不同初始浓度模拟废水对C058净化效果的影响 氨氮超标的话会危害鱼虾健康，严重时会导致鱼虾爆发性死亡，而总氮中的有机氮和硝态氮会向氨氮转化，因此我们重点关注了氨氮和总氮的去除。由图2可知，在模拟废水初始浓度不同的条件下，C058对模拟废水中NH+ 4-N和TN的去除率均较高，可达到54%~84%，说明虫草菌对不同浓度水产养殖废水都有良好的适应性。同时，模拟废水初始浓度与C058的生长的污染物去除率呈正相关，说明污染越严重，虫草菌净水效果越好。由于10倍浓度的模拟废水中NH+ 4-N、TN浓度过高，虫草菌丝块的净化NH+ 4-N、TN能力有限，即使去除率达到80%以上，但模拟废水中的NH+ 4-N、TN仍达到50 mg/L以上，水体中氮含量过高不仅会使鱼虾发生爆发性死亡，甚至有可能破坏谁与生态平衡。一般来讲，未处理的实际水产养殖废水的NH+ 4-N、TN浓度接近于原浓度和1倍稀释浓度的模拟废水 [ 32 ]。本研究中，经过C058的净化处理后，NH+ 4-N、TN浓度仅剩下13~16 mg/L，具有一定的去除效果，并且虫草菌丝增重量也间接证明了对水产养殖废水中氮磷营养型污染物的同化去除。综合考虑实际情况及试验效果，确定试验采用原浓度的模拟废水。 图2. 不同初始浓度模拟废水中C058的污染物去除效果 3.1.2. 不同碳源添加浓度对C058净化效果的影响 图3. 不同葡萄糖添加浓度下C058的污染物去除效果 碳源是微生物组织细胞中重要的物质组成部分，碳源浓度的大小直接影响到微生物的生长及对污染物质去除的效率 [ 33 ]，尤其是真菌生长更离不开碳源 [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]。因此，在原浓度的水产养殖模拟废水条件下，考察碳源对C058去除水产养殖废水中NH+ 4-N、TN和TP的影响，结果如图3所示。随着葡萄糖添加量的升高，模拟废水中NH+ 4-N、TN和TP的去除率均呈现先缓慢上升后快速下降的变化趋势。在葡萄糖添加量处于0~275 mg/L范围时，随着葡萄糖添加量的升高，水体中NH+ 4-N、TN和TP的去除率分别从38.02%、31.02%和13.33%提高至44.62%、36.95%和36.36%。当葡萄糖添加量为550 mg/L时，C058对水体中NH+ 4-N、TN和TP的去除率达到最大，分别为68.17%，56.41%，55.90%。但是，当葡萄糖添加量继续升高时，NH+ 4-N、TN和TP的去除率却开始快速下降。这可能是因为碳源浓度过高时，水体中的碳氮比过大，使得水体中乙醇等次生代谢产物等物质积累过多 [ 9 ]，抑制了C058对模拟废水中的碳源、氮源及微量元素等营养元素的利用，无法达到净化水产养殖模废水中NH+ 4-N、TN、TP最佳效果，因此，在水模拟废水中葡萄糖最佳添加量为550 mg/L。 3.1.3. 接种量对污染指标去除率的影响 图4. 接种量对污染指标去除率的影响 接种量的大小，直接影响着活菌数的数量和菌体的生物量，从而影响着污染指标的去除，但接种量过多，则会使得活菌数量和菌体生物量饱和，不仅导致成本增加，还有可能不利于微生物的生长，使得污染物质的去除效果变差 [ 37 ]。因此，在原浓度的模拟废水条件下，考察接种量对C058去除模拟废水中NH+ 4-N、TN和TP的影响，结果如图4所示。随着接种量的增大，模拟废水中NH+ 4-N、TN和TP的去除率均呈现先快速上升后缓慢下降的变化趋势。在接种量处于0.00%~0.50%范围时，随着接种量的增大，水体中NH+ 4-N、TN和TP的去除率分别从29.30%、23.50%和3.09%提高至47.87%、40.01%和24.72%。当接种量为1%时，C058对水体中NH+ 4-N、TN和TP的去除率达到最大，分别为68.17%，56.41%，55.90%。但是，当接种量继续增大时，NH+ 4-N、TN和TP的去除率却开始缓慢下降。这可能是因为当接种量过多时，水体中的营养物质满足不了C058的生长需求，无法达到净化模废水中NH+ 4-N、TN、TP最佳效果。结果表明，当接种量为1%时，C058净化模拟废水中NH+ 4-N、TN、TP的效果最好。 综上，C058的最适作用条件为原浓度废水、葡萄糖添加浓度550 mg/L，接种量1%，此时对NH+ 4-N、TN和TP的去除率分别达到68.17%、56.41%和55.90%，较之优化前分别提高了38.87%、32.91%和52.81%，说明对无菌环境下C058处理模拟废水的条件优化是有效的。值得指出的是，NH+ 4-N和TN的去除率均增加了35%左右，但TP的去除率增加了50%左右，这可得出在水产养殖水体中，相对于氮，C058对磷的去除效果更好。由于磷资源的不可再生性，全球越来越重视磷资源的可持续利用 [ 38 ]，若能通过虫草菌有效地回收磷资源，不仅节省废水处理成本，同时保证排水的低含磷量，解决水体富营养化的问题。 3.2. 开放环境下C058对模拟废水的处理效果 细菌污染是废水处理技术整体所面临的一个挑战，由于在实际应用中，难以避免细菌污染带来的影响，若发生细菌污染，则会形成拮抗作用，对底物进行竞争从而抑制虫草菌的生长 [ 39 ]。因此，在葡萄糖添加量为550 mg/L，接种量1%的条件下，考察开放环境下C058对模拟废水的处理效果，结果如图5所示。在开放条件下，C058对模拟废水中NH+ 4-N和TN的去除率分别达到78.86%和71.46%，并且C058的增重量达到0.1048 g左右。由于开放条件下培养C058，没有经过灭菌处理，故在培养C058的过程中可能因为其他微生物的存在，与虫草菌形成拮抗关系从而抑制了虫草菌利用模拟废水中营养元素，使得3d后开放环境下模拟废水中的NH+ 4-N、TN去除率略低于无菌环境下模拟废水中NH+ 4-N、TN的去除率，C058的增重量也略低于无菌条件下。但同时说明了开放环境下，细菌污染对C058的生长情况及污染指标的去除影响较低，这为C058应用于实际水产养殖废水提供理论依据。 图5. 开放条件及无菌条件对C058的增重量及污染指标去除率 3.3. 开放环境下C058对实际废水的处理效果 图6. C058对三个养殖池塘水样的处理效果及其生长量 由于细菌污染的问题，目前利用真菌去除水产养殖废水的研究主要停留在实验室阶段 [ 40 ]，但通过以上开放试验可知，细菌污染对C058去除水产养殖废水污染物的影响较低，所以进一步探讨能否利用实际废水培养虫草菌及虫草菌能否去除实际废水中的氮磷。为此，取了三种具有代表性的池塘水样，分别为罗氏沼虾池塘(池塘1)，南美白对虾池塘(池塘2)和四大家鱼混养池塘(池塘3)，进一步在葡萄糖添加量为550 mg/L，接种量1%的开放环境下，考察C058对三个养殖池塘水样的处理效果及其生长量，但虫草菌生长情况的探讨不同于前文，因为考虑到实际应用中可能是直接以收获的湿菌丝块投喂，故特意采用了湿重来表示菌丝块生长，结果如图6所示。C058对三个池塘水样中的NH+ 4-N、TN和TP的去除率均较高，可达到67%~88%左右，并且NH+ 4-N、TN和TP的浓度最低分别可降至0.17 mg/L，0.46 mg/L和0.01 mg/L，三个池塘中氮的浓度均可达到地表水环境质量标准中的II类水，磷的浓度更是可达到地表水环境质量标准中的I类水。对比其他微生物处理水产养殖废水的报道，如Siriphorn [ 41 ] 利用固定化螺旋藻处理南美白对虾养殖废水时，TN去除效率达到32.92%，武心华 [ 42 ] 利用芽孢杆菌处理刺参养殖用水时，NH+ 4-N去除效率达到65.5%，可见，虫草菌对水产养殖废水中氮磷的去除效果更理想，具有研究与应用潜力。另外，虽然C058的生长情况并没有达到预想的效果，但仍保持了生物量，说明在实际废水中虫草菌可以正常代谢利用氮磷营养性污染物。