李華, 田道賀, 劉青松, 段亞飛, 張家松

長莖葡萄蕨藻在模擬工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖環(huán)境中的脫氮研究

李華, 田道賀, 劉青松, 段亞飛, 張家松*

中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室, 廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 廣東廣州 510300

為優(yōu)化工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖尾水處理效果, 探究長莖葡萄蕨藻在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖條件下對含氮污染物的去除效果。采用模擬養(yǎng)殖尾水, 考察了長莖葡萄蕨藻對氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的吸收效果, 進(jìn)而討論了不同水力停留時間對長莖葡萄蕨藻吸收去除三氮的影響。結(jié)果表明, 長莖葡萄蕨藻在單一含氮污染物中硝酸鹽氮吸收速率最快; 在混合含氮污染物中, 氨氮吸收速率最快, 吸收去除效率最高, 其次為硝酸鹽氮。長莖葡萄蕨藻在實驗條件下養(yǎng)殖密度為16 g·L-1時生長較快, 氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的去除率為92.63%、61.91%和66.08%。在水流動狀態(tài)下, 水力停留時間越短, 對三氮的綜合去除效果較好, 水力停留時間為4 h時氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮去除率為55.79%、56.37%、58.50%。

長莖葡萄蕨藻; 工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖; 脫氮; 水力停留時間

0 前言

工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖因具有節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、減排、安全、高效、不受季節(jié)限制等優(yōu)點正處于快速發(fā)展階段, 其核心技術(shù)是養(yǎng)殖尾水的凈化循環(huán)利用[1-2]。如何除去水體中對養(yǎng)殖生物有害的氨氮和亞硝酸鹽氮是養(yǎng)殖尾水脫氮、循環(huán)利用的關(guān)鍵。目前多數(shù)工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)選擇利用好氧硝化細(xì)菌將氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成對養(yǎng)殖生物毒性較弱的硝酸鹽氮[3-4], 因此在高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽氮積累迅速, 其濃度能夠達(dá)到200 mg·L-1或更高, 積累的高濃度硝酸鹽一方面對養(yǎng)殖生物存在不利影響, 排放后會造成水域環(huán)境惡化, 不利于環(huán)境保護(hù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖長期健康的發(fā)展[5]。

近年來, 利用大型海藻凈化富營養(yǎng)化水體成為研究熱點, 且有研究表明大型藻類在海水養(yǎng)殖尾水處理中能夠發(fā)揮重要作用[6]。王翔宇等[7]比較了6種大型海藻對氮、磷營養(yǎng)鹽吸收效果, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)日本馬澤藻和孔石莼在72 h時吸收了培養(yǎng)水體中98.0%和97.1%的氨氮、76.9%和82.0%的硝氮、90.8%和86.9%的活性磷, 另外4種蠕枝藻、紅毛菜、扇形擬伊藻和鼠尾藻對營養(yǎng)鹽的去除效果依次減弱。Luo等[8]在一定溫度和光照強(qiáng)度下對比營養(yǎng)成分對石莼生長影響, 發(fā)現(xiàn)高濃度的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮可促進(jìn)石莼快速生長, 分別為13.1%·d-1、16.9%·d-1, 可有效消耗水體中營養(yǎng)鹽, 凈化廢水。高樺楠等[9]在馬氏珠母貝稚貝循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中放入針葉蕨藻、麒麟菜、長莖葡萄蕨藻混養(yǎng), 養(yǎng)殖過程中可保證較好的水質(zhì)狀況, 稚貝存活率提高; 長莖葡萄蕨藻混養(yǎng)實驗組對養(yǎng)殖水體的氨氮、硝酸鹽氮處理效果最優(yōu)。

以此可見, 在工廠化循環(huán)水水處理系統(tǒng)中引入大型海藻吸收養(yǎng)殖水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮, 既能改善養(yǎng)殖水體水質(zhì), 又能增加養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益, 具有較好的應(yīng)用前景[10-12]。長莖葡萄蕨藻()是一種可食用海藻, 又稱為“海葡萄”或“綠色魚子醬”[13], 隸屬于綠藻門()、蕨藻科()、蕨藻屬()。長莖葡萄蕨藻藻體含有粗多糖、粗纖維、蛋白質(zhì)和維生素等多種營養(yǎng)成分[14-16], 具有抗癌、抗腫瘤、抗氧化、提高免疫、活化細(xì)胞等作用[17-18], 有較高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)價值。有報道長莖葡萄蕨藻對硝酸鹽氮吸收凈化效果較好, 其最適生長的硝酸鹽氮濃度可達(dá)到15 mg·L-1, 活性磷酸鹽濃度在0–5 mg·L-1[19]。

因此, 為提高工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的去除效果。本研究選擇長莖葡萄蕨藻為研究對象, 分析了其對氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的吸收速率; 在模擬養(yǎng)殖尾水中篩選出較優(yōu)的養(yǎng)殖密度; 以及不同水力停留時間下長莖葡萄蕨藻對氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的去除效率。最終確定長莖葡萄蕨藻在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中較優(yōu)的運(yùn)行參數(shù), 以期為長莖葡萄蕨藻在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的深度脫氮提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗開展于中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所深圳實驗基地6號車間, 車間頂棚半透光, 布有遮陽網(wǎng), 控制自然光照強(qiáng)度。實驗選用10 L收納箱作為養(yǎng)殖容器, 所用長莖葡萄蕨藻為深圳大鵬灣野生長徑葡萄蕨藻, 經(jīng)選育選取質(zhì)地較硬、顏色深綠的長莖葡萄蕨藻全株為實驗材料。實驗前將長莖葡萄蕨藻置于未投加營養(yǎng)鹽的天然海水中進(jìn)行暫養(yǎng)。實驗配水所用試劑為氯化銨, 亞硝酸鈉, 硝酸鈉和磷酸二氫鉀, 均為分析純購自國藥化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實驗方法

(1) 長莖葡萄蕨藻對單一含氮污染物的吸收速率

根據(jù)前期工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖初期水質(zhì)數(shù)據(jù)[20], 采用天然海水(未滅菌)分別配置含單一氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的養(yǎng)殖尾水。氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮實測濃度分別為1.45 mg·L-1、0.96 mg·L-1、1.90 mg·L-1, 活性磷酸鹽濃度均為0.10 mg·L-1。鹽度為33, pH值為8.10±0.10, 水溫約為25—28℃, 采用自然光照并進(jìn)行遮光處理, 避免強(qiáng)光直射。實驗組收納箱中盛放5 L配置海水, 長莖葡萄蕨藻按照10 g·L-1的養(yǎng)殖密度靜置于配置尾水中, 未進(jìn)行曝氣, 設(shè)置三個重復(fù); 對照組中未放入長莖葡萄蕨藻, 其他條件與實驗組一致。實驗開始在第0、2、4、6、8、10、12、24 小時取水樣過45 μm濾膜后分別測定氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度及活性磷酸鹽濃度。

(2) 靜態(tài)實驗:

采用天然海水(未滅菌)配置含氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的養(yǎng)殖尾水。氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度分別為1.58 mg·L-1、0.58 mg·L-1、1.12 mg·L-1, 活性磷酸鹽濃度為0.20 mg·L-1。收納箱盛放5 L養(yǎng)殖尾水, 長莖葡萄蕨藻按照10 g·L-1、16 g·L-1、22 g·L-1的養(yǎng)殖密度靜置于配置尾水中, 未進(jìn)行曝氣, 長莖葡萄蕨藻質(zhì)量分別為50 g、80 g、110 g, 每個養(yǎng)殖密度設(shè)置三個重復(fù)。實驗在自然光照下進(jìn)行(遮光, 避免陽光直射), 水溫在25℃—28℃范圍內(nèi), 水體pH值在7.5—8.1之間; 對照組未放入長莖葡萄蕨藻, 其他條件與實驗組一致。實驗開始在第0、3、6、9、12、24、36、48、60、72 小時取水樣過45 μm濾膜后分別測定氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮濃度及活性磷酸鹽濃度。

實驗開始前和實驗過程中, 取長莖葡萄蕨藻用吸水紙吸去長莖葡萄蕨藻表面水分, 用電子天平稱取相應(yīng)養(yǎng)殖密度的長莖葡萄蕨藻質(zhì)量, 計算特定生長率; 計算長莖葡萄蕨藻對氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮在0—12 h及整個實驗過程中的吸收速率。

(3) 動態(tài)實驗

根據(jù)靜態(tài)實驗結(jié)果, 選取較優(yōu)長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度, 考察4 h、8 h和12 h三種不同水力停留時間對養(yǎng)殖尾水的凈化效率。動態(tài)實驗采用與靜態(tài)實驗相同模擬尾水濃度及養(yǎng)殖條件, 未進(jìn)行曝氣, 進(jìn)水方式采用蠕動泵以一定流速將配置養(yǎng)殖尾水以左進(jìn)右出、下進(jìn)上出流經(jīng)長莖葡萄蕨藻培養(yǎng)收納箱。4 h水力停留時間每隔1 h從出水管中取水樣, 8 h和12 h水力停留時間每間隔2 h取水樣測定水質(zhì)變化。水樣過45 μm濾膜后測定氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度。

(4) 數(shù)據(jù)測定方法

光照強(qiáng)度采用標(biāo)智BENETECH精度數(shù)字光照強(qiáng)度測定儀測定; 水溫和pH值采用WTW (Multi 3620, Germany)檢測, 氨氮(次溴酸鹽氧化法)、亞硝酸鹽氮(萘乙二胺分光光度法)、硝酸鹽氮(鋅鎘還原法)和活性磷酸鹽(抗壞血酸還原磷鉬藍(lán)法)均參照《海洋監(jiān)測規(guī)范—海水分析》(GB 17378.4—2007)進(jìn)行測定。

(5) 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計方法

所用計算公式如下:

注: RSG表示特定生長率; W0、Wn分別表示實驗前、后長莖葡萄蕨藻重量; t表示實驗時間; P表示吸收速率; C0、Cn分別表示實驗前、后養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽濃度; V表示水體體積; m表示長莖葡萄蕨藻的養(yǎng)殖質(zhì)量。

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析, 如果差異顯著(<0.05), 則用Duncan’s多重比較進(jìn)行分析, 使用Origin 8.5進(jìn)行圖表處理。

2 結(jié)果

2.1 長莖葡萄蕨藻對不同含氮污染物的吸收速率

將長莖葡萄蕨藻放入單一含氮污染物的水體中發(fā)現(xiàn), 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮均能夠被長莖葡萄蕨藻吸收去除。實驗組三氮變化曲線與對照組具有明顯差別。如圖1所示, 實驗期間對照組氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度無明顯變化, 實驗組氨氮和硝酸鹽氮濃度在24 h內(nèi)下降明顯, 去除率達(dá)到82.70%、90.73%, 亞硝酸鹽氮去除率較低24 h去除率為23.98%。

其中, 0—12 h長莖葡萄蕨藻對氨氮和硝酸鹽氮的吸收速率分別達(dá)到419.16 μg·(h·kg)-1、618.33 μg·(h·kg)-1; 亞硝酸鹽氮吸收速率較低為44.17 μg·(h·kg)-1。12 h后光照減弱, 吸收速率減慢, 最終氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮24 h平均吸收速率分別為250.42 μg·(h·kg)-1、47.92 μg·(h·kg)-1、358.13 μg·(h·kg)-1。

此外, 氮源種類不同, 長莖葡萄蕨藻對活性磷酸鹽的吸收利用也不同。從表1中可以看出, 以氨氮為氮源時, 長莖葡萄蕨藻每吸收1.00 mg氨氮同時利用0.02 mg活性磷酸鹽, 活性磷酸鹽去除率為23.82%; 以亞硝酸鹽氮為氮源時, 每吸收1.00 mg亞硝酸鹽氮同時利用0.26 mg活性磷酸鹽, 活性磷酸鹽去除率為66.23%; 以硝酸鹽氮為氮源時, 每吸收1.00 mg硝酸鹽氮同時利用0.04 mg活性磷酸鹽, 活性磷酸鹽去除率為57.08%。

表1 長莖葡萄蕨藻24 h去除含氮污染物與消耗活性磷酸鹽的關(guān)系

2.2 靜態(tài)實驗

2.2.1 水質(zhì)變化

采用10 g·L-1、16 g·L-1、22 g·L-1三種長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度吸收去除同時含氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的模擬養(yǎng)殖尾水。實驗發(fā)現(xiàn)三種含氮污染物同時存在時, 長莖葡萄蕨藻對含氮污染物的吸收順序及去除率存在明顯差異。從圖2中可以看出, 長莖葡萄蕨藻對氨氮和硝酸鹽氮在0—12 h去除較快, 亞硝酸鹽氮和活性磷酸鹽的吸收去除整體較平緩。此外, 吸收去除率均隨養(yǎng)殖密度的增大逐漸增加, 但養(yǎng)殖密度增加對氨氮的促進(jìn)吸收優(yōu)勢不明顯。

此外, 實驗發(fā)現(xiàn)在混合含氮污染物中, 長莖葡萄蕨藻會優(yōu)先吸收去除氨氮, 0—12 h養(yǎng)殖密度10 g·L-1、16 g·L-1、22 g·L-1的長莖葡萄蕨藻對氨氮去除率即可達(dá)到62.13%、76.00%、80.52%, 吸收速率達(dá)到398.33 μg·(h·kg)-1、316.41 μg·(h·kg)-1、242.23 μg·(h·kg)-1。12—72 h氨氮濃度下降趨勢減緩, 最終總?cè)コ蔬_(dá)到88.04%、92.63%、85.96%, 總平均吸收速率分別為94.16 μg·(h·kg)-1、64.24 μg·(h·kg)-1、43.24 μg·(h·kg)-1, 吸收速率與養(yǎng)殖密度負(fù)相關(guān)。

長莖葡萄蕨藻對亞硝酸鹽氮吸收率較低, 去除速率較為穩(wěn)定, 10 g·L-1、16 g·L-1、22 g·L-1三種長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度下亞硝酸鹽氮的總?cè)コ史謩e為25.33%、61.91%、54.61%。在0—12 h長莖葡萄蕨藻對亞硝酸鹽氮吸收速率分別為15.00 μg·(h·kg)-1、21.61 μg·(h·kg)-1、24.62 μg·(h·kg)-1, 總平均吸收速率分別為10.07 μg·(h·kg)-1、15.58 μg·(h·kg)-1、9.88 μg·(h·kg)-1, 較氨氮吸收速率變化較小。

圖1 含氮污染物、活性磷酸鹽濃度變化及其去除率

Figure 1 Changes of nitrogen pollutants and active phosphate concentrations and their removal rates

硝酸鹽氮濃度在實驗期間也快速降低, 三種養(yǎng)殖密度下最終硝酸鹽氮總?cè)コ史謩e達(dá)到73.42%、66.08%、67.41%, 在0—12 h硝酸鹽氮吸收速率分別為100 μg·(h·kg)-1、93.49 μg·(h·kg)-1、77.67 μg·(h·kg)-1。總平均吸收速率達(dá)到52.64 μg·(h·kg)-1、30.64 μg·(h·kg)-1、23.36 μg·(h·kg)-1, 略小于氨氮的吸收速率。

整個實驗期間活性磷酸鹽濃度平穩(wěn)下降, 三種長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度下活性磷酸鹽的濃度分別從0.19 mg·L-1、0.19 mg·L-1、0.21 mg·L-1降低至0.11 mg·L-1、0.08±0.01 mg·L-1、0.06 mg·L-1?？?cè)コ蔬_(dá)到42.11%、57.89%、71.43%, 平均吸收速率分別為6.11 μg·(h·kg)-1、4.69 μg·(h·kg)-1、4.77 μg·(h·kg)-1。鑒于長莖葡萄蕨藻在0—12 h對三氮的吸收速率較快, 后續(xù)實驗設(shè)定的水力停留時間在0—12 h范圍選取。

2.2.2 長莖葡萄蕨藻生長狀況

不同密度的長莖葡萄蕨藻在實驗期間生長狀況不同, 如圖3, 10 g·L-1與16 g·L-1養(yǎng)殖密度的長莖葡萄蕨藻重量不斷增加, 22 g·L-1養(yǎng)殖密度的長莖葡萄蕨藻重量則持續(xù)降低。其中16 g·L-1養(yǎng)殖密度的長莖葡萄蕨藻實驗期間重量增加6.83±0.45 g, 特定生長率最高; 10 g·L-1養(yǎng)殖密度長莖葡萄蕨藻增重4.37± 0.72 g; 而22 g·L-1養(yǎng)殖密度的長莖葡萄蕨藻在整個實驗期間重量不斷減少, 期間減重6.01±3.08 g, 這可能是由于養(yǎng)殖密度過高, 長莖葡萄蕨藻堆疊較厚, 底層藻體接收不到陽光照射逐漸發(fā)白、變軟、腐爛造成藻體減產(chǎn)(如圖4-a)。因此, 在設(shè)計長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖池的時候應(yīng)選擇高度較小, 面積較大的養(yǎng)殖池; 或者將藻種采用藻盤平鋪可防止底部藻種接受不到陽光的現(xiàn)象。

圖4為實驗期間長莖葡萄蕨藻生長圖片, 實驗初期有部分長莖葡萄蕨藻部分出現(xiàn)白化、腐爛現(xiàn)象(圖4-a)。在逐漸適應(yīng)實驗條件后進(jìn)入快速生長階段, 生長出大量纖細(xì)假根, 攀附在其他藻體或是培養(yǎng)箱璧上, 實現(xiàn)固著生長(圖4-b)。其中, 單個直立莖藻體(無匍匐莖)在自身增長的同時, 會增殖生長出匍匐莖及假根用于固著攀附; 匍匐莖藻體除自身長度增加外, 分出較多數(shù)量的直立莖, 且數(shù)量和長度不斷增加(如圖4-c d)。

圖2 不同密度長莖葡萄蕨藻對混合氮污染物及活性磷酸鹽的吸收去除效果

Figure 2 Effects of different culture densities ofon nitrogen pollutants and active phosphate remove

綜和水質(zhì)數(shù)據(jù)和長莖葡萄蕨藻生長數(shù)據(jù), 在實驗條件下長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度為16 g·L-1生長速度最快, 氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的去除率可達(dá)到92.63%、61.91%和66.08%, 因此在后續(xù)動態(tài)實驗中將采用該養(yǎng)殖密度進(jìn)行實驗。

圖3 不同密度長莖葡萄蕨藻在混合氮污染物水體的特定生長率曲線

Figure 3 Curves of specific growth rate ofwith different densities in nitrogen pollutants water

注: 圖b中標(biāo)注為長莖葡萄蕨藻出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象; 圖c中標(biāo)注為長莖葡萄蕨藻藻體出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象; 圖d中標(biāo)注為新增直立莖。

Figure 4 Growth ofalgae

2.3 動態(tài)實驗

如圖5、6、7所示為養(yǎng)殖密度為16 g·L-1的長莖葡萄蕨藻在4 h、8 h和12 h水力停留時間對養(yǎng)殖尾水中三氮的吸收去除效果。在設(shè)定的水力停留時間內(nèi)三氮的出水濃度隨時間增加呈現(xiàn)先快速上升后趨于平緩的趨勢。三個對照組在設(shè)定的水力停留時間最終出水濃度相差較小, 實驗組中三氮出水濃度則在低于對照組的濃度范圍緩慢增加。長莖葡萄蕨藻在一定水流條件下展現(xiàn)出對含氮污染物較好的吸收去除效果。

表2所示為不同水力停留時間下養(yǎng)殖尾水出水水質(zhì)指標(biāo), 在4 h與8 h水力停留時間, 氨氮出水濃度相差較小(>0.05), 去除率分別為55.79%、53.15%(圖5)。在12 h水力停留時間, 氨氮出水濃度較4 h和8 h降低明顯(<0.05), 氨氮去除率達(dá)到65.84%, 較其他水力停留時間高, 停留時間長氨氮吸收去除效果較好。但隨水力停留時間的增加, 亞硝酸鹽氮出水濃度逐漸增加(<0.05), 從靜態(tài)實驗結(jié)果可知, 長莖葡萄蕨藻對亞硝酸鹽氮吸收速率較低, 停留時間增加對亞硝酸鹽的吸收去除未體現(xiàn)優(yōu)勢。在4 h和12 h水力停留時間下, 出水硝酸鹽氮濃度差異不明顯(>0.05), 這是因為長莖葡萄蕨藻對硝酸鹽氮的吸收速率較穩(wěn)定, 因此在實驗設(shè)置的較低硝酸鹽氮濃度條件下其對硝酸鹽氮的去除率出現(xiàn)與水流速度無關(guān)的現(xiàn)象。

在水流速度一定的情況下, 水力停留時間越長, 所需體積越大, 占地面積越大。結(jié)合長莖葡萄蕨藻在不同水力停留時間對三種含氮污染物的去除效果, 可以得出在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖長莖葡萄蕨藻, 較短的水力停留時間, 可實現(xiàn)較好的含氮污染物去除效果。

3 討論

3.1 單一含氮污染物的吸收去除

藻類的生長離不開營養(yǎng)鹽的供給, 長莖葡萄蕨藻對不同形態(tài)的氮素均可以吸收利用去除, 吸收的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮可經(jīng)過還原酶作用可轉(zhuǎn)化成氨態(tài)氮進(jìn)行同化[21]。本研究中長莖葡萄蕨藻對單一含氮污染物的吸收速率為: 硝酸鹽氮>氨氮>亞硝酸鹽氮。根據(jù)研究報道[22-23]培養(yǎng)長莖葡萄蕨藻最適宜的氮源是硝酸鹽氮, 且對硝酸鹽氮的吸收大于氨態(tài)氮, 與本研究中出現(xiàn)長莖葡萄蕨藻對硝酸鹽氮吸收速率較快的現(xiàn)象相吻合。

圖5 不同水力停留時間對長莖葡萄蕨藻去除氨氮的影響

Figure 5 Effects of different hydraulic retention time on ammonia nitrogen removal of

圖6 不同水力停留時間對長莖葡萄蕨藻去除亞硝酸鹽氮的影響

Figure 6 Effects of different hydraulic retention times on nitrite nitrogen removal of

圖7 不同水力停留時間對長莖葡萄蕨藻去除硝酸鹽氮的影響

Figure 7 Effects of different hydraulic retention times on nitrate nitrogen removal of

表2 不同水力停留時間下出水水質(zhì)指標(biāo)

注: 同一列中的不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)

長莖葡萄蕨藻吸收去除單位質(zhì)量氨氮、硝酸鹽氮消耗活性磷無明顯差距, 但利用亞硝酸鹽氮時, 吸收單位質(zhì)量亞硝酸鹽氮消耗活性磷鹽的量分別是吸收單位質(zhì)量氨氮和硝酸鹽氮消耗活性磷酸鹽的13倍和6.5倍。在現(xiàn)有關(guān)于大型藻類的文獻(xiàn)中未發(fā)現(xiàn)對該現(xiàn)象的描述與解釋。據(jù)陸生植物對氮磷的吸收特點, 猜測這可能與氮素中氮存在形態(tài)有關(guān), 不同的氮素在吸收、運(yùn)輸、儲藏和同化等代謝方面存在較大差異, 在很大程度上影響了長莖葡萄蕨藻的生長和對活性磷的吸收利用[24]。

3.2 混合含氮污染物的吸收去除

在含三種氮素污染物的模擬尾水中, 長莖葡萄蕨藻對不同含氮污染物的吸收速率為: 氨氮>硝酸鹽氮>亞硝酸鹽氮。有研究表明, 海藻對氨氮的吸收速率常數(shù)遠(yuǎn)大于硝酸態(tài)鹽的, 藻類會優(yōu)先利用污水中的氨氮和其它還原態(tài)的氮[25-26]。何潔等研究孔石莼、條滸苔()和巨角叉菜()吸收營養(yǎng)鹽的動力學(xué)結(jié)果也表明氨態(tài)鹽的被吸收率遠(yuǎn)高于硝酸態(tài)鹽[27]。因此, 實驗開始時處于“氮饑餓”狀態(tài)的長莖葡萄蕨藻對氨氮有快速、大量吸收的現(xiàn)象。

對比單一含氮污染物中的吸收速率, 長莖葡萄蕨藻在混合含氮污染物中對3種氮素的吸收速率均較小。且出現(xiàn)對氨氮的吸收速率大于硝酸鹽氮的吸收速率, 與在單一含氮污染物中的結(jié)果相反。Flynn[28]指出海藻對氨氮和硝酸鹽氮吸收的相互作用復(fù)雜多變, 與生長率、氮源種類以及碳代謝都有關(guān)系, 主要可分為優(yōu)先選擇吸收氨態(tài)氮、氨態(tài)氮抑制硝酸態(tài)氮的吸收以及相互抑制等3種情況。在本研究中當(dāng)模擬尾水中含三種氮素污染物時, 彼此間出現(xiàn)了相互抑制的現(xiàn)象, 造成了吸收速率小于在單一含氮污染物中的吸收速率, 且氨氮的吸收占優(yōu)勢。在工廠化循環(huán)水處理系統(tǒng)中, 將長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖池設(shè)置于生物過濾池后, 此時氨氮與亞硝酸鹽氮已轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮, 可充分利用長莖葡萄蕨藻對硝酸鹽氮的吸收速率優(yōu)勢實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的深度脫氮。

長莖葡萄蕨藻對三種含氮污染物的吸收速率與養(yǎng)殖密度成負(fù)相關(guān), 這可能是由于長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖密度較大, 在有限的水體環(huán)境中, 分布較厚, 藻體的相互遮擋影響了它們對光的吸收, 光合作用率下降, 從而影響了對氮磷營養(yǎng)鹽的吸收, 所以沒有體現(xiàn)出養(yǎng)殖密度的影響優(yōu)勢[29]。由此可以看出,長莖葡萄蕨藻有最適養(yǎng)殖密度, 超過此養(yǎng)殖密度, 吸收速率不僅不會增大, 而且對長莖葡萄蕨藻的生長會產(chǎn)生負(fù)面影響, 較好的養(yǎng)殖方式是采用藻盤平鋪避免藻種堆疊。

3.3 水力停留時間對三氮污染物的吸收去除

水交換率的控制在工廠化循環(huán)水系統(tǒng)養(yǎng)殖過程中是控制養(yǎng)殖成本的重要環(huán)節(jié)。水交換率過低造成有害物質(zhì)的積累; 過高則能耗高, 降低養(yǎng)殖效益[30]。水力停留時間越長相對應(yīng)水交換率越小, 水流越小, 實驗中發(fā)現(xiàn)停留時間增加并未體現(xiàn)對含氮污染物的吸收去除優(yōu)勢。且綜合對比, 長莖葡萄蕨藻在較短停留時間, 對氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮具有較好的吸收去除性能。這主要是因為停留時間短, 水流速度增加能夠減小藻體表面擴(kuò)散邊界層厚度從而加速養(yǎng)分和二氧化碳的供應(yīng)與吸收, 促進(jìn)其生長[31-32]。因此推測有可能出現(xiàn)更短的停留時間對三氮去除效率更高的現(xiàn)象, 但由于工廠化循環(huán)水處理系統(tǒng)生物濾池需要足夠的停留時間來進(jìn)行硝化反應(yīng), 且結(jié)合前期研究[20], 4 h停留時間既可保證微生物的處理效率, 長莖葡萄蕨藻對含氮污染物也能有較好吸收去除效率, 可實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的有效凈化處理, 減少養(yǎng)殖水體氮污染物的積累。

4 結(jié)論

長莖葡萄蕨藻在實驗條件下, 養(yǎng)殖密度為16 g·L-1時特定生長率高, 在水力停留時間為4 h其對氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮去除率可達(dá)到55.79%、56.37%、58.50%。因此, 在工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中長莖葡萄蕨藻養(yǎng)殖池可設(shè)置在生物濾池后, 采用藻盤平鋪養(yǎng)殖, 充分利用其對硝酸鹽氮快速吸收的優(yōu)勢, 實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的穩(wěn)定深度脫氮。

[1] BOVENDEUR J, EDING E H, HENKEN A M. Design and performance of a water recirculation system for high-density culture of the African catfish, Clarias gariepinus (Burchell 1822)[J]. Aquaculture, 1987, 63(1): 329–353.

[2] LAWSON T B. Fundamentals of aquacultural engineering[M]. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1995.

[3] CHEN S, TIMMONS M B, ANESHANSLEY D J, et al. Suspended solids characteristics from recirculating aquacultural systems and design implications[J]. Aqua-culture, 1993, 112(2–3): 143–155.

[4] PFEIFFER T J, OSBORN A, DAVIS M. Particle sieve analysis for determining solids removal efficiency of water treatment components in a recirculating aquaculture system[J]. Aquacultural Engineering, 2008, 39(1): 24–29.

[5] 宋協(xié)法, 楊曉晗, 黃志濤. 硝酸鹽對魚類毒性研究進(jìn)展[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版), 2019, 49(9): 34–41.

[6] MCGLATHERY K J, PEDERSEN M F, BORUM J. Changes in intracellular nitrogen pools and feedback controls on nitrogen uptake in Chaetomopha linum (Chlorophyta)[J]. Journal of Phycology, 2010, 32(3): 393– 401.

[7] 王翔宇, 詹冬梅, 李美真, 等. 大型海藻吸收氮磷營養(yǎng)鹽能力的初步研究[J]. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展, 2011, 32(4): 67–71.

[8] LUO Minbo, LIU Feng, XU Zhaoli. Growth and nutrient uptake capacity of two co-occurring species, Ulva prolifera and Ulva linza[J]. Aquatic Botany, 2012, 100: 0–24.

[9] 高樺楠, 李樂, 鄭興, 等. 循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)馬氏珠母貝與3種大型藻類的混養(yǎng)狀況及水質(zhì)分析[J]. 熱帶生物學(xué)報, 2016, 7(02): 147–152.

[10] XU Yongjian, FANG Jianguang, WEI Wei. Application of Gracilaria lichenoides (Rhodophyta) for alleviating excess nutrients in aquaculture[J]. Journal of Applied Phycology, 2008, 20(2): 199–203.

[11] 包杰, 田相利, 董雙林, 等. 對蝦、青蛤和江蘺混養(yǎng)的能量收支及轉(zhuǎn)化效率研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 36(S1): 27–32.

[12] ?；? 馬甡, 田相利, 等. 菊花心江蘺對中國明對蝦養(yǎng)殖環(huán)境凈化作用的研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 36(s1): 45–48.

[13] KUDAKA JUN, ITOKAZU K TAIRA, et al. Investigation and Culture of Microbial Contaminants of Caulerpa lentillifera (Sea Grape)[J]. Journal of the Food Hygienic Society of Japan, 2008, 49(1): 11–15.

[14] MATANJUN P, MUHAMMAD K. Nutrient content of tropical edible seaweeds, Eucheuma cottonii, Caulerpa lentillifera and Sargassum polycystum[J]. Journal of Applied Phycology, 2009. 21(1): 75–80.

[15] SAITO H, XUE C, YAMASHIRO R, et al. High polyunsaturated fatty acid levels in two subtropical macroalgae, cladosiphon okamuranus and caulerpa lentillifera1[J]. Journal of Phycology, 2010, 46(4): 665– 673.

[16] 姜芳燕, 宋文明, 楊寧, 等. 海南長莖葡萄蕨藻的營養(yǎng)成分分析及評價[J]. 食品工業(yè)科技, 2014, 35(24): 356–359.

[17] MAEDA R , IDA T , IHARA H , et al. Immunostimulatory Activity of Polysaccharides Isolated from Caulerpa lentillifera on Macrophage Cells[J]. Bioscience Biote-chnology and Biochemistry, 2012, 76(3): 501–505.

[18] BHESH, RAJ, SHARMA, et al. Anti-diabetic effects of Caulerpa lentillifera: stimulation of insulin secretion in pancreatic β-cells and enhancement of glucose uptake in adipocytes[J]. Asian Pacific Journal of Tropical Biome-dicine, 2014, (7): 575–580.

[19] 黃建輝. 氮磷濃度及培養(yǎng)方式對長莖葡萄蕨藻(Cauler-palentillifera)生長的影響[J]. 漁業(yè)研究, 2012, 34(5): 416–419.

[20] 田道賀. 間歇式雙循環(huán)工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建及應(yīng)用[D]. 舟山: 浙江海洋大學(xué), 2019.

[21] HOCKIN N L, MOCK T, MULHOLLAND F, et al. The response of diatom central carbon metabolism to nitrogen starvation is dillerent from that of green algae and higher plants[J]. Plant Physiology, 2012, 158(1): 299–312.

[22] 王海陽, 唐賢明, 金月梅, 等. 長莖葡萄蕨藻培養(yǎng)條件的研究[J]. 海洋湖沼通報, 2017, (6): 129–136.

[23] GUO Hui, YAO Jianting, SUN Zhongmin, et al. Effects of salinity and nutrients on the growth and chlorophyll fluorescence of Caulerpa lentillifera[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 2015, 33(2): 410–418.

[24] 張平. 氮形態(tài)對低磷脅迫下苗期玉米磷素吸收的影響及其機(jī)理[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[25] 程芬, 李樂, 殷小龍, 等. 3種海藻對無機(jī)鹽和有機(jī)物水體中氨態(tài)鹽凈化效果比較[J]. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué), 2017, 36(03): 1084–1089.

[26] XU GAO, HIKARU ENDO, YUKIO AGATSUMA. Seasonal changes in photosynthesis, growth, nitrogen accumulation, and salinity tolerance of Chaetomorpha crassa (Cladophorales, Chlorophyceae)[J]. Journal of Applied Phycology, 2018(1): 1–8.

[27] 何潔, 劉瑀, 張立勇,等. 三種大型海藻吸收營養(yǎng)鹽的動力學(xué)研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2010, 37(001):1-5..

[28] FLYNN K J. Algal carbon–nitrogen metabolism: a biochemical basis for modelling the interactions between nitrate and ammonium uptake[J]. Journal of Plankton Research, 1991, 13(2): 373–387.

[29] 王萍, 桂福坤, 吳常文. 營養(yǎng)鹽因子對孔石莼和繁枝蜈蚣藻氮、磷吸收的影響[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2010, 029(4): 208–211.

[30] DAVIDSON J, GOOD C, WELSH C, et al. The effects of ozone and water exchange rates on water quality and rainbow trout Oncorhynchus mykiss performance in replicated water recirculating systems[J]. Aquacultural Engineering, 2011, 44(3): 80–96

[31] 于琰, WERNBERG Thomas, DE BETTIGNIES Thibaut, 等. 室內(nèi)三種富營養(yǎng)模擬條件下水流調(diào)控對羊棲菜和石莼生長及生物質(zhì)合成的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 30(8): 1398–1407.

[32] HURD C L. Water motion, marine macroalgal physiology, and production[J]. Journal of Phycology, 2000, 36(3): 453–472.

Nitrogen removal from simulated recirculating aquaculture systemby

LI Hua, TIAN Daohe, LIU Qingsong, DUAN Yafei, ZHANG Jiasong*

Key Lab of South China Sea Fishery Resources Exploitation & Utilization, Ministry of Agriculture; Guangdong Provincial Key Lab of Fishery Ecology Environment; South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Science, Guangzhou 510300, China

In order to optimize the water treatment effect of recirculating aquaculture system, the nitrogen removal ability ofin simulated recirculating aquaculture system was studied. In artificial aquaculture waste water, the removal ability of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen bywas investigated. And then, the effect of different hydraulic retention time onnitrogen removal ability was examined. The results showed thathad fast absorption removal rate of nitrate nitrogen in waste water containing sole nitrogen pollutant, and had fast absorption removal rate of ammonia nitrogen in waste water containing three nitrogen pollutants, followed by nitrate nitrogen. Under experimental conditions, the culture density ofin 16 g·L-1grew faster and the removal rate of ammonia, nitrite and nitrate nitrogen could reach to 92.63%, 61.91% and 66.08%. In the flow condition,showed a good nitrogen removal ability at short hydraulic retention time. At 4 h hydraulic retention time, the removal rate of ammonia, nitrite and nitrate nitrogen could reach to 55.79%, 56.37% and 58.50%.

; recirculating aquaculture systems; nitrogen removal; hydraulic retention time

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.008

X52

A

1008-8873(2021)05-059-10

2020-04-09;

2020-05-25

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金區(qū)域聯(lián)合基金青年基金(2020A1515110834);中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助(2021XK01,2021SD19);廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊項目(2021KJ150)

李華(1984—), 助理研究員, 主要從事養(yǎng)殖排放水處理技術(shù)研究, Email: babybluedaisy@163.com

通信作者:張家松(1971—), 研究員, 主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖研究, Email: jiasongzhang@hotmail.com

李華, 田道賀, 劉青松, 等. 長莖葡萄蕨藻在模擬工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖環(huán)境中的脫氮研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(5): 59–68.

LI Hua, TIAN Daohe, LIU Qingsong, et al. Nitrogen removal from simulated recirculating aquaculture systemby[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 59–68.