循环水养殖系统中小球藻对三态氮的吸收能力研究

循环水养殖系统中小球藻对三态氮的吸收能力研究 循环水养殖系统中小球藻对三态氮的吸收 能力研究 《渔业现代化))2007年第1期17 循环水养殖系统中小球藻对三态氮的吸收能力研究 刘兴国,管崇武,宋洪桥,赵朝阳 (1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 中国水产科学研究院渔业水体净化技术和系统研究重点开放实验室,上海200092; 2上海水产大学,上海200090) 摘要:研究小球藻在循环水养殖系统中对三态氮的吸收能力.实验表明,小球藻可有效吸收养殖水体中的 含氮化合物,但对三态氮的吸收有差异性.在一定氨氮浓度范围内小球藻优先吸收水体中的还原态氮,随着 氮氧化程度的提高,其吸收能力有所下降.小球藻净化养殖水体中的氮化物与水体中小球藻数量有关,小球 藻吸收氮的能力受到养殖环境中pH值,溶氧浓度,温度以及水体中磷浓度的影响.实验证明,用小球藻进 行养殖水环境调控是可行的,但还存在一些需要探讨解决的问题. 关键词:小球藻;循环水养殖系统;三态氮;差异性吸收 许多研究表明,小球藻(Chlorellavulgaris) 对水体中氮化物有明显的吸收作用.Boyd (1998)研究发现,小球藻在养殖水体中有较好的 去除BOD效果,对于控制养殖水质是必要的.在 循环水养殖系统中,氮化物的积累是影响养殖效 果的关键因素之一,循环水处理的关键工艺也是 围绕着去除养殖水体中的氮化物进行的.目前, 在循环水养殖系统方面的研究,主要集中在对养 殖水体的物理和生化处理方面,对于利用藻类进 行养殖水体处理的研究试验还很少.实验将小球 藻用于循环水养殖系统工艺中,通过研究小球藻 对养殖水体中三态氮的吸收差异性,为将藻类应 用于循环水养殖系统提供一些依据. 1材料与方法 1.1实验材料 小球藻种源来自上海水产大学藻种库;实验 用水质分析,藻分析,光照分析等仪器药品均来自 单位实验室;饲料用大江牌9103F罗非鱼膨化浮 性配合料,饲料基本成分:粗蛋白(28.8175? 0.0392)%,脂肪(5.4012?0.0326)%,水分 (8.4518?0.0126)%,灰分(10.9268?0.002 6)%,总磷(1.7650?0.0340)%. 1.2实验和测定方法 实验设计一个无藻对照组(A)和一个有藻实 基金项目:中国水产科学研究院渔业水体净化技术与系统研究重 点开放实验室开放基金课题(2005一O1) 验组(a),每组3个重复,每组的养殖密度相同, 共用6个标准实验水槽,每个水槽固定容水 0.38rn,每个水槽单设一套循环水系统. 每组的13投饵率相同.有藻实验组采用人工 光源,光照度保持在4500Ix,光照周期24/0;对 照组光照度约60lx,光照周期14/10.小球藻在 实验室内扩种,在实验开始前培育到藻密度400 X10/mL以上,实验开始后每池接种4L藻种. 实验周期为15d,实验期间无换水,根据各水槽蒸 发量适当加水,始终保持水位一致.每个水槽的 曝气压力保持一致,以维持曝气量一致.实验在 控温条件下进行,水温变化在24.5,26.5?. 实验主要分析小球藻对三态氮的去除效率问 题.在循环水系统的前期实验中未设计过滤装 置,目的是通过研究分析小球藻的生长规律来确 定在循环系统中小球藻密度的适宜范围,以保持 鱼池内小球藻的生长平衡. 水温,DO,pH值,光照度指标,每天测定3次(9:00,13:00,21:00).NH;一N,NO;一N,NO;一N 指标,每天测定1次.小球藻密度用血球计数板 个体计数法测定,每13测定2次(10:00,15:00). 1.3数据分析方法 实验数据用平均数?标准差表示,用SPSS统 计软件进行方差计算和检验分析. 三态氮去除率的计算公式:去除率=(A— a)/A 18《渔业现代化))2007年第1期 [NH4+一N](mg/L)[NO2一一N](mg/L)[NO3一一N](mg/L)TN(mg/L) AaAaAaAa 藻密度(×10/mL) l1.381.270.570.46 22.20I.880.600.46 33.492.870.570.52 45.603.500.620.57 54.933.280.960.66 65.374.040.960.77 78.235.031.600.95 86.944.802.441.72 97.285.871.621.40 109.867.783.572.22 ll7.944.523.704.22 l27.735.702.922.49 注:A为无小球藻对照组;a为有小球藻实验组. 1.40 2.02 2.04 1.67 2.03 1.43 1.8l 2.33 2.4l 1.62 2.59 2.78 1.40 2.37 2.69 2.14 2.69 1.72 2.68 2.88 2.67 2.35 2.67 3.74 2.60 4.82 6.10 7.89 7.92 7.80 l1.60 l1.70 l1.30 l5.10 14.10 13.40 3.13 4.7l 6.08 6.2l 6.63 6.53 8.66 9.40 9.94 l2.35 l1.41 12.93 l8 41 95 l60 l84 228 3l8 197 26l 236 150 80 2.1小球藻对养殖水体中总氮(TN)的吸收 根据表1,分析小球藻吸收养殖水体中总氮, 养殖水体中小球藻密度对总氮的去除关系如图1. 4195184318261150 藻密度/(1O个?mL-) 图1小球藻对总氮的去除效率 l0 分析图1看出,水体中的总氮去除率与小球 藻的密度有关.随着小球藻密度的提高,养殖水 体中的总氮去除率也不断提高;当小球藻密度下 降以后,水体中总氮的去除率也同步下降.从表 1测定数据算出,小球藻对总氮的平均去除效率 为8%/(10藻细胞?mL).因此,在养殖系统 中需要维持较高的藻密度,才可以达到对氮的去 除效果. 2.2小球藻对养殖水体中NH4+一N的吸收 如图2.实验过程中保持水温25?,光照度 4500lx.有藻实验组(a组)水体中小球藻对 NH4+一N的吸收作用,与无藻对照组(A组)相比,a 组水体中NH一N随着藻密度增加呈现下降趋 势.对有藻池与无藻池NH4+一N的拟合曲线进行 分析:无藻池内NH一N的曲线拟合公式:Y=1. 4884X(R=0.9383);有藻池内NH一N的 曲线拟合公式:Y=1.2629X0.(R=0.9195); 协方差分析发现两条曲线有显着差异,说明池内 NH4一N变化差异显着. 12 1r) 6 4 墓2 《) 时间,d 图2小球藻对NH一N吸收分析 根据表1计算得出,小球藻对水体NH4一N的 吸收率可达到35%以上,吸收效率平均为25%/ (10藻细胞?mL). 2.3小球藻对养殖水体中NO:一N,NO一一N的 吸收 比较循环水养殖系统中A,a组NO;一N变化 趋势(图3):有藻池中NO;一N拟合公式:Y= ^7,I.?uI.\越糕?峰z ?50 逞埒链稍 《渔业现代化))2007年第1期19 0.2447e.(R=0.9222);无藻池NO2一一N拟 合公式:Y:0.323e.(R=0.9133);协方差 分析曲线差异不显着.根据表1计算,小球藻对 NO一一N的平均吸收效率为10%/(10藻细胞? mL). 1357911 时间,d ?有小球藻 一无小球藻 图3小球藻对NO;一N的吸收 图4显示A,a组水体中NO3-一N的变化情况. 发现有小球藻组水体中NO;一N一直高于无小球 藻组,说明在该养殖状况下,小球藻对水体中 NO;一N的吸收效率很差或者不吸收. . ? 警 \ 世 嫒 ? z 1357910 时闻,d ?有小球藻 一无小球藻 图4NO;一N的变化曲线 对循环水养殖系统中小球藻对三态氮的吸收 效率(NH;一N为25%,NO—N为10%,NO;一N为 0)作方差分析,发现三者之间存在着显着性差异 (P<0.5),说明小球藻在养殖水体中对三态氮 有显着选择吸收差异.数据比较看出,小球藻吸 收NO;一N的效果要优于对NO3-一N的吸收.对鱼 池内铵氮,亚硝酸盐,硝酸盐拟合曲线(图2,3,4) 的回归公式作协方差分析,也反映三者之间存在 显着差异(P<5%). 研究发现,小球藻对亚硝酸盐有一定的吸收. 但随着养殖水体中NH一N浓度越来越高,小球 藻对亚硝酸盐的吸收逐渐减少,对NO3-一N吸收也 几乎为零,因为氧化作用的存在,养殖水体中 NO3-一N反倒变得越来越高.但在NH一N较低 的情况下,小球藻对硝酸盐是有一定吸收的. 3讨论 小球藻有良好的净水能力和生长适应性,作 为调控水质的一种手段应用于循环水养殖系统中 具有很重要的研究价值.由于循环水养殖系统中 补充水很少,藻类生长需要的营养元素主要来自 饵料和鱼的代谢物,这样可能会因某种营养元素 的缺乏而影响小球藻的生长和稳定.另外,循环 水养殖系统一般设在室内,藻类生长所需要的光 照难以保证,也会造成小球藻的不稳定.实验过 程中还发现养殖环境的pH,DO,温度,光照度等 因素对藻类的生长和稳定都有影响.因此,研究 和解决制约循环水养殖系统内藻类生长的问题非 常重要. 小球藻的生长是一个同化与异化的同步过 程.鱼池内藻类的生长积累势必造成有机物的积 累,如果不采取控制的手段,死亡的藻类会造成更 大的污染.因此在循环水养殖系统中,维持水体 内小球藻的生长活性和适宜的藻生物量,是今后 一 段时间研究藻类在循环水系统应用的重要内 容. 小球藻对三态氮的吸收有一定的差异.当养 殖水体中NHN,NO一N,NO3-一N都存在且满 足小球藻同化需要时,小球藻优先吸收NO4一N, 其次是NO;一N,只有在前二者不足的情况下,才 吸收NO3-一N.在养殖水体中,氮的氧化态越高, 小球藻对其吸收效率越低. 近年来,应用微藻进行水处理得到了广泛的 关注和研究,各种方式层出不穷.微藻的不同组 合形式对水处理效果有很大的影响.实验期间, 系统内藻类的不稳定现象也反映出了这方面的问 题,需要在下一步的实验中进一步深入研究.口 参考文献 [1]冯敏毅,马牲,郑振华.利用生物控制养殖池污染的研究 [J].中国海洋大学(自然科学版),2006,36(1):89-94. 【2]BOYDCE.Pondwateraerationsystems[J].Aquaeu|turalEngi— neering,1998,18(1):9-40. (下转第16页) 《渔业现代化))2007年第1期 反硝化进行集成是另一种硫酸盐控制方法,极具 发展潜力.自然界中利用硫的细菌除了严格自养 的脱氮硫杆菌,还存在可以同时异养的细菌,如 ThiobacillusveFsutu$,Thiobacillusthyasiris, Thiosphaerapantotropha和PaFacocctt$ denitrifiCan$等,以适应自然界多变的环境状况 (自养,异养和混合营养),Ohetal(2001)的混合 营养试验证明了混合营养的反应器中产生的 SO一和消耗的NO;.N的比例明显低于完全自养 的反应器,他们认为,这可能是由于混合营养的反 应器中共生的异养的硫酸盐还原菌(SRB)作用的 结果.这种将异养反硝化和自养异养反硝化集成 的脱氮方法具有两大优势:(1)碳源的消耗远远 低于完全异养反硝化脱氮;(2)使硫酸盐浓度得 到有效控制.因此,在养殖用水处理的实际应用 中具有极强的可行性. 5展望 当前脱氮硫杆菌的应用主要集中于脱H:S, 脱硝酸盐氮等方面,虽然取得了一定的成果,但还 存在一些问题,如菌体对温度及盐度耐受性不够 强等,限制了其应用范围.未来脱氮硫杆菌应用 研究的突破,取决于研究者对菌株的选育驯化,脱 氮硫杆菌代谢途径的进一步认识以及自养反硝化 工艺条件的优化.通过遗传工程手段筛选培育耐 高盐,高温及高浓度硫化物的菌株,将是未来脱氮 硫杆菌应用研究的发展方向.总之,自养反硝化 细菌为生物脱氮开辟了一条新的捷径,相信它将 具有更为广阔的应用前景.口 (上接第19页) [3]邓家齐,詹发萃,夏宜,等.藻一菌生态系统代谢功能的生 态学研究[J].应用生态,1994,5(2):177-181. [4]PEEIFFERTJ,RUSCHKA.Anintegratedsystemformieroal一 andnurseryseedcleanculture[J].AquaealturalEngineer- ing,2000,24:15-31. [5]刘长发,晏再生,张俊新,等.养殖水处理技术的研究进展 [J].大连水产学院,2005,20(2):142—147. 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