不同基質構建海水養殖系統硝化功能的比較分析

　　摘 要：為比較不同基質構建海水養殖系統硝化功能的強弱，選取纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩等7種基質，其中陶粒、流化床填料、纖維毛球采取不同放置方式，共建立14個模擬海水養殖系統，比較不同基質硝化功能建立過程以及同種基質不同放置方式對氨氮和亞硝氮的去除效果。結果表明，單位體積珊瑚骨的氨氧化活性和亞硝酸鹽氧化活性高于其他載體，在氨氮初始濃度20 mg/L條件下，氨氮和亞硝氮降解至檢測不出分別需要3 d和11 d，而纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內芯懸浮球、海綿內芯懸浮球硝化系統的建立分別需要18、26、30、25、27和22 d。纖維毛球100目篩絹懸掛、陶粒網兜懸掛、流化床填料100目篩絹懸掛優于其他放置方式，其中纖維毛球100目篩絹懸掛硝化功能建立時間為18 d，效果最優，流化床填料100目篩絹懸掛、陶粒網兜懸掛硝化系統建立分別需要21、24 d。

　　關鍵詞：海水養殖系統;基質;生物膜;硝化功能

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　　隨著海水養殖業的發展，中國的養殖模式已從傳統的粗養模式轉向集約化養殖，集約化養殖模式在帶來高產量的同時，也產生了越來越嚴重的有機物沉積和水質惡化等環境問題。 例如在海水養殖對蝦過程中，對蝦的排泄物和殘餌分解產生的氨和亞硝酸鹽，一旦積累會影響對蝦的呼吸系統[1-2]。氨會降低紅細胞及血紅蛋白的數量，引起慢性中毒，抑制生長，是引起暴發性蝦病發生的重要誘因;亞硝酸鹽會降低血液中血藍蛋白的攜氧能力，引起組織缺氧、抵抗力下降[3]。在高密度養殖系統中，由于投餌量大，導致水體中含氮有機物積累，在轉化的過程中，氨會導致亞硝酸鹽上升[4]。因此，海水養殖系統水質凈化的主要去除目標是氨和亞硝酸鹽。

　　養殖系統中氨和亞硝酸鹽去除主要由硝化功能微生物，包括氨氧化細菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)完成，氨、亞硝酸鹽被轉化為相對無毒的硝酸鹽[5]。硝化功能微生物屬化能自養菌，其生長緩慢且對環境因子敏感，還具有附著生長的特性，因此需要提供適宜的生物膜載體供其生長[6]，理想的基質應具有大的比表面積、低價格、易黏附微生物、低密度等特點[7]。

　　本研究選取纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩等7種基質，同時對部分基質采用不同放置方式，建立模擬海水養殖系統，研究不同系統硝化功能的建立過程。

　　1 材料與方法

　　1.1 實驗材料

　　1.1.1 實驗菌劑 實驗室自行制備硝化細菌制劑，為硝化功能微生物。

　　1.1.2 基質材料 基質性能參數如表1所示。1.2 實驗裝置

　　實驗裝置由14個玻璃缸(35 cm×35 cm×40 cm，有效容積30 L)以及曝氣石、加熱棒等組成，人工海水由海水素配制，鹽度為15‰。

　　1.3 實驗方案

　　共設置14個實驗裝置，1#為對照組，其余為實驗組。其中2#、3#、4#分別為網兜懸掛、100目篩絹懸掛、200目篩絹懸掛放置纖維毛球基質;5#、6#、7#分別為鋪底、網兜懸掛、100目篩絹懸掛放置陶粒基質;8#為支架固定放置的螺旋式生物繩基質;9#、10#、11#分別為漂浮、100目篩絹懸掛、200目篩絹懸掛放置流化床填料基質;12#、13#分別為網兜懸掛放置絲帶內芯懸浮球和海綿內芯懸浮球基質;14#為鋪底放置珊瑚骨系統，所有基質體積均為5 L。

　　前3 d各系統每天投加80 mL菌劑，之后停止添加。實驗期間控制溫度27～28 ℃，溶解氧7.0～8.0 mg/L。投加氯化銨使系統氨氮初始濃度為20 mg/L，pH 7.5～8.5，實驗期間不換水，定期補充水分。每24 h檢測氨氮和亞硝酸鹽氮濃度，每72 h檢測硝酸鹽濃度。

　　1.4 分析方法

　　氨氮測定采用次溴酸鈉氧化法[8]，亞硝酸鹽氮測定采用重氮偶聯法[9]，硝酸鹽氮測定采用紫外分光光度法[9]。

　　2 結果與分析

　　2.1 不同基質構建海水養殖系統硝化功能的建立過程

　　實驗過程中，對照組和實驗組氨氮濃度均呈明顯下降趨勢，但降低速率存在差異。在氨氮初始濃度為20 mg/L情況下，珊瑚骨系統(14#)對氨氮降解速率最快，氨氮降低至檢測不出需要3 d時間，而纖維毛球(2#)、陶粒(5#)、螺旋式生物繩(8#)、流化床填料(9#)、絲帶內芯懸浮球(12#)、海綿內芯懸浮球(13#)系統則分別需要6～19 d時間。

　　實驗過程中亞硝酸鹽氮均呈先上升再降低的趨勢，其中珊瑚骨、纖維毛球系統達到峰值所需時間均為5 d，而陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內芯懸浮球、海綿內芯懸浮球系統亞硝酸鹽氮濃度達到峰值則需要11～19 d。珊瑚骨系統亞硝鹽氮降低至檢測不出需要11 d，而纖維毛球、陶粒、螺旋式生物繩、流化床填料、絲帶內芯懸浮球、海綿內芯懸浮球系統亞硝酸鹽氮降低至檢測不出需要18～30 d，空白組亞硝酸鹽氮濃度至實驗結束仍處于上升階段。

　　實驗過程中硝態氮濃度始終呈上升趨勢，但不同基質系統硝氮上升速度不同，且最終濃度由高到低也略有不同。珊瑚骨系統硝氮上升速度最快，至實驗結束濃度最高;絲帶內芯懸浮球系統最低。

　　實驗過程中不同基質系統48 h氨氮去除率與氨氧化強度，可見硝化強度由高到低依次為珊瑚骨、纖維毛球、海綿內芯懸浮球、流化床填料、陶粒、絲帶內芯懸浮球、螺旋式生物繩，珊瑚骨系統48 h氨氮去除率最高，為72.8%，優于其它基質。

　　2.2 基質不同放置方式對硝化功能建立過程的影響

　　添加纖維毛球的2#、3#和4#系統氨氮降低至檢測不出，分別需要6、5和11 d;設置陶粒作為基質的5#、6#和7#系統氨氮降低至檢測不出，分別需要14、7和12 d;添加流化床填料的9#、10#和11#系統氨氮降低至檢測不出，分別需要13、6和12 d。

　　實驗過程中亞硝酸鹽氮濃度先升高后降低，設置纖維毛球作為載體的3#系統、陶粒作為載體的6#系統、流化床填料作為載體10#系統，在同基質系統中亞硝氮最先降至檢測不出，分別需要18、24和21 d。

　　實驗過程中硝酸鹽氮濃度均呈上升趨勢，相同載體的系統硝酸鹽濃度變化基本一致，在亞硝氮達到峰值后加速上升，設置纖維毛球的3#系統、陶粒載體的6#系統和流化床填料的10#系統在同基質系統中硝酸鹽氮濃度上升速度最快，且至實驗結束時濃度最高。因此，纖維毛球、陶粒和流化床填料分別以100目篩絹懸掛、網兜懸掛和100目篩絹懸掛放置時效果最優。

　　3 討論

　　硝化功能微生物屬化能自養菌，利用氨或亞硝酸鹽為能源，二氧化碳為碳源，具有代時長、生長慢、消耗總堿度大、附著性強等特點[10-11]，在污水處理和水產養殖系統水質凈化過程中扮演重要角色。添加基質可增加硝化菌群附著面積，有利于其快速生長繁殖，并最終加速系統中氨氮和亞硝酸鹽氮的轉化，減少氨和亞硝酸鹽對養殖生物的毒性作用。此外，使用基質作為生物膜載體還可為養殖生物補充餌料，增加魚類棲息空間[12-14]。

　　在水產養殖系統中，當硝化功能微生物達到一定數量，且比例合適時，會縮短氨和亞硝酸鹽峰值時間并降低峰值濃度，從而快速完成硝化功能建立過程[15-16]。從研究結果可知，添加基質的實驗組，氨氮和亞硝氮去除效果明顯高于空白組，揭示添加基質可起到良好的水質調控效果，與張家松等[17]研究結果一致。基質孔隙率、比表面積和表面粗糙度是影響生物膜掛膜效果和掛膜速度的重要因素，其中珊瑚骨系統硝化功能建立時間更短，硝化能力優于其他生物膜載體。珊瑚骨作為一種天然生物膜載體，比海綿內芯和纖維毛球表面粗糙，同時其孔隙率和比表面積大于絲帶內芯、流化床填料等人工載體，這些均有利于硝化功能的建立，與張宇雷等[18]使用的PVA-PVP共混填料相比，其降解氨氮、亞硝氮效果更為高效，還可以提高系統pH值，平衡水質，對硝化系統的建立具有良好的促進作用。

　　通常養殖水體要求溶解氧不低于5 mg/L，因此需要通過曝氣來維持水體中溶解氧[19]。曝氣會擾動水體，加大載體表面剪切力，不利于生物膜的掛膜和成熟。流化床填料、纖維毛球采用100目篩絹懸掛放置的方式，優于其他放置方式，分析原因，100目篩絹既可以實現包內水體和養殖水體之間的充分流動，又可以減少擾動水體對生物膜的沖擊，有利于微生物快速附著生長繁殖;200目篩絹可能會對水體流動有阻礙作用，使系統硝化功能的建立受到影響，因此基質采取合適的放置方式有利于硝化功能的建立。

　　人工基質對有機顆粒的吸附和降解，減少了池底厭氧水層，降低了有害物質的濃度，減少了有害細菌的生長空間，且表面形成的生物膜能夠加快養殖水體物質循環[20-21]。本實驗基質具備了以下條件：性質穩定，完全無毒無害，表面粗糙，孔隙率和比表面積大，可回收利用等[22]。

　　4 結論

　　投加基質作為生物膜載體可以顯著增強系統的硝化能力，其中珊瑚骨硝化系統建立最快需11 d，最慢的是螺旋式生物繩需30 d。不同基質硝化系統建立效果由強到弱依次為珊瑚骨、纖維毛球、海綿內芯懸浮球、流化床填料、陶粒、絲帶內芯懸浮球、螺旋式生物繩。

　　同種基質采用不同放置方式其硝化功能建立過程存在差異。100目篩絹包懸掛的纖維毛球、流化床填料系統硝化功能建立時間較快，分別為18和21 d，快于同基質200目篩絹和網兜懸掛放置。

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