肖驪錕,劉 潔,謝雅欣,才金玲,2

(1.天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457；2.天津市鹵水化工與資源生態(tài)化利用重點實驗室，天津 300457)

1 前言

目前很多國家和地區(qū)都面臨著淡水資源短缺的問題，淡水資源短缺會嚴重阻礙國家和地區(qū)的發(fā)展。而海水淡化是解決淡水資源短缺重要且有效的手段。中國是全球最缺淡水的幾個國家之一，近幾年中國采用海水淡化工程來解決淡水短缺問題[1]。由《2018年全國海水利用報告》指出，截至2018年，中國的海水淡化工程已經(jīng)建成142個，淡水產(chǎn)量超過120萬t/d。天津是北方淡水資源短缺的沿海城市，目前天津的海水淡化工程是全國最大的，日產(chǎn)量可以達到32萬t/d。

在利用海水淡化工程生產(chǎn)淡水的同時會產(chǎn)生大量的濃海水，濃海水的鹽度是普通天然海水的1.3倍～1.7倍左右，隨著鹽度的增加浮游植物的多樣性和總物種數(shù)會隨之下降[2]。而且pH值、重金屬、有機物、營養(yǎng)鹽、溶解氧等都有由不同程度的變化。如果將它直接排放到海洋中，會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[3-4]。因為現(xiàn)在我國海水淡化工程規(guī)模不大，濃海水的排放量不高，所以目前還沒有海水淡化工程對環(huán)境有非常明顯影響的報道[3]。但是隨著社會的發(fā)展和工業(yè)的進步，海水淡化工程規(guī)模會逐漸擴大，因此濃海水的排放量和對環(huán)境的影響會日益增加。特別是在封閉半封閉海域，高鹽度濃海水對海洋生態(tài)環(huán)境的影響將更為明顯。例如，天津所在的環(huán)渤海地區(qū)為三面環(huán)陸的半封閉海灣，海水交換能力和自凈能力較差。如果將海水淡化濃海水直接外排，會對脆弱的渤海灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。

有些專家提出了可以提升海水綜合利用價值的觀點，這樣可以使海水淡化工程與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。將海水淡化產(chǎn)生的濃海水先提溴，提溴后濃海水先經(jīng)溴后鹵庫，然后與天然海水混合后進入鹵水池進行原鹽生產(chǎn)，最后進行專業(yè)海水養(yǎng)殖。海水淡化產(chǎn)生的高濃度濃海水用于提溴和制鹽，不但提高了提溴和制鹽的效率在原產(chǎn)量不變的情況下節(jié)約了土地資源，而且避免了濃海水排入海洋對海洋環(huán)境的破壞。這一工藝不但可以實現(xiàn)海水資源的綜合利用，而且解決了濃海水排放的環(huán)境污染問題[5-6]。

此研究分析海水淡化濃海水、提溴、制鹽等不同生產(chǎn)階段產(chǎn)生的濃海水對海洋微生物(以杜氏鹽藻為例)生長和活性物質(zhì)積累產(chǎn)生的影響。近些年來鹽藻廣泛用于保健產(chǎn)品和水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料，而且可以在較高鹽度下生長，具有一定的經(jīng)濟效益[7]。分析海水淡化濃海水綜合利用過程產(chǎn)生的濃海水對海洋生物的影響；開發(fā)利用濃海水養(yǎng)殖高價值的鹽藻，從而提高經(jīng)濟價值。

2 材料與方法

2.1 藻種

用于實驗的藻種為杜氏鹽藻(Dunaliellasalina)，由天津長蘆漢沽鹽場有限責任公司提供。

2.2 實驗設(shè)計

為研究淡化濃海水、提溴、制鹽等不同生產(chǎn)階段產(chǎn)生的濃海水對杜氏鹽藻生長和活性物質(zhì)積累產(chǎn)生的影響。圖1是淡化濃海水綜合利用流程。

圖1 海水淡化濃海水綜合利用過程Fig.1 Comprehensive utilization process of concentrated seawater from seawater desalination

選用不同生產(chǎn)工段(①低溫多效海水淡化濃海水；②海水淡化濃海水+海水；③提溴后濃海水；④提溴后濃海水+海水；⑤低鹽度鹽田鹵水；⑥高鹽度鹽池鹵水；⑦制鹽后鹵水+海水；⑧蓄水池鹵水)的鹵水分別配制改良的f/2培養(yǎng)基。另外選用天然海水和蒸餾水配制f/2培養(yǎng)基作為對照。f/2培養(yǎng)基配方如下：1.0 g/L KNO3、0.043 g/L NaHCO3、0.035 g/L KH2PO4、10 mL/L Fe-solution(含Na2EDTA 189 mg/L和FeCl3·6H2O 244 mg/L)、10 mL/L Trace-element solution(含H3BO361 mg/L、(NH4)6Mo7O24·4H2O 38 mg/L、CuSO4·5H2O 6 mg/L、CoCl2·6H2O 5.1 mg/L、ZnCl24.1 mg/L和MnCl2·4H2O 4.1 mg/L)。調(diào)整培養(yǎng)基鹽度為70‰，pH值為7.5。

將對數(shù)生長期的藻種分別接種到上述不同培養(yǎng)基中。接種后的鹽藻初始密度為15×104個/mL。置于光照培養(yǎng)箱(HNGZ智能型光照培養(yǎng)箱，天津歐諾儀器股份有限公司)培養(yǎng)，光照與黑暗時間為12 h ∶12 h，光照強度為6 000 Lx，溫度25 ℃±1 ℃，每天搖瓶兩次。定期測定杜氏鹽藻的細胞濃度，用于表征鹽藻生長情況。每個實驗有三個重復(fù)。

2.3 水質(zhì)分析

水樣鹽度用鹽度計(S-10E ATAGO，Japan)分析。pH值采用pH計(FE20梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司)分析。氮含量利用全自動凱氏定氮儀(Kjeltec 8400 FOSS 丹麥)測定。濃海水中的Ca和Mg含量按照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范·第4部分：海水分析》測定。Fe和總P含量使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICAPQ，賽默飛世爾，德國)進行測量。

2.4 鹽藻物質(zhì)含量分析

鹽藻生長處于平穩(wěn)期后離心(6 000 r/min，10 min)，收獲鹽藻。測定鹽藻中葉綠素a、葉綠素b、β-胡蘿卜素、總糖和蛋白質(zhì)含量。其中總糖和蛋白質(zhì)含量分別采用硫酸苯酚法[8]和考馬斯亮藍法[9]測定。

葉綠素a、葉綠素b和β-胡蘿卜素含量測定參照郭金耀等的方法[10]：取2 mL藻液離心后棄上清；加入2 mL 90%丙酮溶液，超聲波破碎(功率40 W，3 min，破碎15 s間隔1 s)；再次離心10 min(6 000 r/min)后取上清液200 μL，于分光光度計分別讀取450 nm、665 nm和649 nm處吸光度。葉綠素a、葉綠素b和β-胡蘿卜素含量測定計算公式：

β-胡蘿卜素含量(mg/L)=OD450 nm×V×f×103/2 500

(1)

葉綠素a含量(mg/L)=13.7OD665 nm-5.76OD649 nm

(2)

葉綠素b含量(mg/L)=25.8OD649 nm-7.6OD665 nm

(3)

其中，V為提取液的體積；f為稀釋倍數(shù)。

用IBM SPSS Statistics 24軟件進行統(tǒng)計學分析，采用單因素方差分析，若P<0.05則有顯著性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 濃海水水質(zhì)(表1)

表1 濃海水水質(zhì)Tab.1 Concentrated seawater quality

由表1可見，低溫多效海水淡化濃海水的pH值略低于天然海水，這可能是由于在低溫多效海水淡化過程中經(jīng)過脫氧、加氯、阻垢劑、消泡劑和還原劑等物質(zhì)的添加引起的。為防止海水淡化組件結(jié)垢，一般對原海水酸化處理，濃海水即呈弱酸性。此外，海水淡化系統(tǒng)中的過濾器、蒸發(fā)器等組件須定期清洗，一般采用檸檬酸和多磷酸鈉等弱酸性清洗劑。而海水淡化濃海水+海水組的pH值略有升高，可能是由于添加了pH調(diào)節(jié)劑造成的。提溴后濃海水的pH值略低于天然海水，這可能是由于提溴過程中添加的酸化劑造成的[11]。

不同組濃海水中的鹽度、Ca、Mg和P含量均顯著高于天然海水。這可能是由于濃海水中的有機物和營養(yǎng)鹽一部分是海水固有并在海水淡化過程中被濃縮。另一個重要的原因是在海水淡化過程中化學藥劑殘留。例如在海水淡化過程添加緩釋阻垢劑主要用于防止海水淡化組件(傳熱管)表面結(jié)垢，這些阻垢劑主要為聚磷酸鹽、馬來酸或聚丙烯酸等。這些含磷成分殘留在濃海水中，如果不加處理可能會造成富營養(yǎng)化。

3.2 不同工段濃海水對杜氏鹽藻生長的影響

圖2表示不同工段濃海水對杜氏鹽藻生長的影響。杜氏鹽藻在用不同濃海水所配置的培養(yǎng)基中均能夠快速生長。不同工段濃海水的鹽藻生長量在第30 d時大多數(shù)顯著高于天然海水配制培養(yǎng)基(P<0.05)，在第35 d時藻量全部高于天然海水配置的第⑨組培養(yǎng)基?？芟Ｔ萚12]也發(fā)現(xiàn)海水淡化濃海水能促進中肋骨條藻、旋鏈角毛藻、隱秘小環(huán)藻等微藻的生長。這可能是由于海水淡化濃海水中富含有金屬離子(如Fe、Ca、Mg等)和營養(yǎng)元素(P)，促進了鹽藻的生長。微藻可以利用富營養(yǎng)化的工業(yè)廢水通過光合作用，來增加自身產(chǎn)量，同時也可以在一定程度內(nèi)凈化工業(yè)廢水。為經(jīng)濟有效的處理廢水提供了一種思路[13]。

圖2 不同鹵水配制培養(yǎng)基對杜氏鹽藻生長的影響Fig.2 Effects of different brine media on the growth of Dunaliella Salina

3.3 不同工段濃海水對杜氏鹽藻色素積累的影響

根據(jù)圖3可以看出，β-胡蘿卜素、葉綠素a和葉綠素b三種色素含量最低的是用蒸餾水所配置的培養(yǎng)基，而且第⑨組用天然海水所配置培養(yǎng)基的三種色素含量比大多數(shù)不同工段濃海水配置培養(yǎng)基的色素含量低。這有可能是在一定范圍內(nèi)增加金屬離子可以有利于鹽藻色素的積累，因為金屬離子作為鹽藻不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)，它可以調(diào)節(jié)酶的活性與成分，可以維持色素的結(jié)構(gòu)[14]。

圖3 不同鹵水配制培養(yǎng)基對杜氏鹽藻色素積累的影響Fig.3 Effect of different brine medium on pigment accumulation of Dunaliella Salina

3.4 不同工段濃海水對杜氏鹽藻蛋白質(zhì)積累的影響

如圖4，在鹽藻生長到生長期后期時，進行鹽藻蛋白質(zhì)含量測定時發(fā)現(xiàn)，用海水淡化過程中作為培養(yǎng)基的鹽藻蛋白質(zhì)含量較低。這可能是因為前8組培養(yǎng)基的金屬離子含量太高而影響了鹽藻蛋白質(zhì)的積累，所以蛋白質(zhì)含量不如金屬離子含量較低的天然海水和蒸餾水。培養(yǎng)基中的重金屬離子含量太高會在藻細胞內(nèi)不斷積累，并最終超過藻細胞自身所能夠調(diào)節(jié)的范圍，這樣會破壞藻細胞內(nèi)的各種機制和代謝途徑，從而使蛋白質(zhì)的含量下降[15]。

圖4 不同鹵水配制培養(yǎng)基對杜氏鹽藻蛋白質(zhì)積累的影響Fig.4 Effects of different brine media on protein accumulation of Dunaliella Salina

3.5 不同工段濃海水對杜氏鹽藻總糖積累的影響

根據(jù)圖5可知，③組、⑤組、⑥組和⑧組鹽藻的總糖含量和天然海水、蒸餾水培養(yǎng)基差不多。但是其中①組、②組和⑦組的總糖含量要比其他組高一些。這可能是它們的金屬離子含量不同所導(dǎo)致的，研究發(fā)現(xiàn)，鹽藻的總糖含量與鹽藻本身的生長狀況和光合作用有關(guān)。一般來說鹽藻的生長狀況和光合作用越好，其總糖含量也會越高[16]。從圖2可看出，①組、②組和⑦組的鹽藻生長狀況較好,同時總糖的含量也比較高。另外鹽藻總糖含量也與Cr3+和Pd的含量有關(guān)[17]。

圖5 不同鹵水配制培養(yǎng)基對杜氏鹽藻總糖積累的影響Fig.5 Effects of different brine media on total sugar accumulation of Dunaliella Salina

4 結(jié)論

該研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫多效工藝進行海水淡化排出的濃海水用于吹溴、制鹽等工藝后都能有效培養(yǎng)杜氏鹽藻，而且海水淡化濃海水產(chǎn)生的鹵水和制鹽后產(chǎn)生的鹵水可促進鹽藻生長，色素和總糖的積累，可增加經(jīng)濟效益。實驗結(jié)果為低溫多效海水淡化工程的濃海水處置利用提供了新思路?？傊?，海水制鹽企業(yè)開展海水淡化濃海水綜合，可以優(yōu)化企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加企業(yè)效益和社會效益，更為重要的是在一定程度上解決了環(huán)境污染問題。