循环海水养殖系统中生物膜快速形成的模拟试验

2016-12-20刘万鑫杜荣斌由翠荣付学军梁丽琨

水产科学 2016年3期

关键词：滤材菌液生物膜

王硕，刘万鑫，杜荣斌，由翠荣，付学军，梁丽琨

( 1.烟台大学生命科学学院，山东烟台 264005； 2.烟台大学海洋学院，山东烟台 264005 )

循环海水养殖系统中生物膜快速形成的模拟试验

王硕1，刘万鑫1，杜荣斌2，由翠荣1，付学军1，梁丽琨1

( 1.烟台大学生命科学学院，山东烟台 264005； 2.烟台大学海洋学院，山东烟台 264005 )

生物膜；快速形成；循环海水养殖

随着科学技术的发展及人类生活水平的提升，仅从海洋捕捞获得海产食品已远不能满足市场的需求，大规模工厂化海水养殖业，具有较高的经济利益和潜在价值。但是，大规模养殖业需消耗大量海水，污水中的有机物、氨氮和硝态氮，对养殖生物有害，直接排放使自然水体富营养化，严重破坏环境，浪费巨大的水资源[1]。

目前，工厂化循环水养殖系统多采用生物法去除养殖污水中的氨氮、硝态氮及其他胁迫因子。一般是在养殖池外另安置生物滤池，生物滤池主要是应用优势微生物附着在特定的载体上生长，通过自身的营养代谢来处理污水[2-5]。但生物除污法目前尚不成熟，存在一些瓶颈问题，如微生物在载体上的附着生长周期较长、处理效率不稳定等[6]，亟需发展高效的工厂化循环水养殖污水处理技术。

本试验通过优势菌种挂膜法模拟工厂化循环水养殖中污水处理过程，以确定加快生物膜形成的试验室工作条件。

1 材料与方法

1.1 生物膜优势菌种

试验所用菌种均为本实验室保存，包括硝化细菌、反硝化细菌、芽孢菌属(Bacillus)和动胶菌(Zoogloeaitzigsohn)。

1.2 生物膜载体

市售塑料弹性滤材、生化环。

1.3 人工污水配方

1.4 水质指标测定

1.5 试验装置和基本条件

用市售20 L淘宝箱作为水箱模拟工厂化循环水养殖系统的生物滤池，在其中安置循环泵和曝气泵模拟工厂中的循环和充氧条件。向1个水箱中加入15 L人工污水，装入体积约4.8 L的滤材作为生物膜载体[10]，置于平均温度为21 ℃的室温下运行，水力停留时间为1 h，曝气量为3.0 L/min，每5 d检测水质pH，用碳酸氢钠调节pH保持在7.0以上[11]。循环培养21 d，以自然挂膜试验为对照。

1.6 生物膜优势菌接种

分别培养生物膜优势菌株，向试验水箱中接种0.45%生物膜优势菌株的混合菌液。混合菌液由硝化细菌、反硝化细菌、芽孢菌和动胶菌的菌液按照一定比例组成，稀释10倍后，在600 nm波长下其平均吸光度值为0.6。每次接种后静置24 h，然后启动循环泵和曝气泵[12]。

1.7 生物膜载体的选择

向试验水箱中分别加入生化环或塑料弹性滤材，每 5 d接种1次生物膜优势菌种的混合菌液，添加比例为硝化细菌∶反硝化细菌∶芽孢菌∶动胶菌1∶1∶1∶1，每3 d测定水箱中人工污水的水质指标。

1.8 菌液混合比例对生物膜形成的影响

以塑料弹性滤材为生物膜载体，分别以硝化细菌:反硝化细菌∶芽孢菌∶动胶菌1∶1∶1∶1,2∶1∶1∶1,3∶1∶1∶1及4∶1∶1∶1的混合比例接种，每5 d接种1次，每3 d测定人工污水的水质指标。

1.9 接种频率对生物膜形成的影响

以塑料弹性滤材为生物膜载体，每5、7、10 d和15 d接种1次，优势菌混合比例为硝化细菌∶反硝化细菌∶芽孢菌∶动胶菌2∶1∶1∶1，每3 d测定人工污水的水质指标。

1.10 成熟生物膜污水处理性能的测定

2 结果与分析

2.1 最佳生物膜载体的选择

图2 采用不同生物膜载体水体的变化

图3 采用不同生物膜载体水体的变化

2.2 接种比例对生物膜形成的影响

图4 不同接种比例时水体的变化

图5 不同接种比例时水体的变化

图6 不同接种比例时水体的变化

2.3 接种频率对生物膜形成的影响

图7 不同接种频率下水体的变化

图8 不同接种频率下水体的变化

图9 不同接种频率下水体的变化

2.4 优势菌种挂膜与自然挂膜挂膜速度对比

条件优化后的优势菌挂膜在第7 d已经开始形成生物膜，第14 d生物膜基本形成，第21 d形成均匀的成熟生物膜(图13)；而同时期进行的自然挂膜生物膜生长缓慢，在21 d内无法形成完整成熟的生物膜。

图10 优势菌种挂膜与自然挂膜水体的变化

图11 优势菌种挂膜与自然挂膜水体的变化

图12 优势菌种挂膜与自然挂膜挂膜水体的变化

图13 优势菌种挂膜与自然挂膜挂膜生物膜生长情况

2.5 成熟生物膜污水处理性能

图14 成熟生物膜对不同初始水体的处理效果

图15 成熟生物膜对水体的处理效果

图16 成熟生物膜对水体的处理效果

3 讨论

3.1 接种量与接种比例的选择

3.2 成熟生物膜的污水处理效果

本试验显示，用塑料弹性滤材为生物膜载体时，生物膜形成速度，污水处理效果优于生化环的结论一致：在生物滤池滤料挂膜及水处理中，弹性滤材的挂膜效果好于非弹性滤材[7]。

每7 d接种1次优势菌液时，水处理效果最好，优势微生物的混合菌液硝化细菌∶反硝化细菌:芽孢菌∶动胶菌接种比例为2∶1∶1∶1时，第7 d开始形成生物膜，第14 d生物膜基本形成，第21 d形成均匀完整的生物膜，此结论与王威等[19]在生物滤料的微生物挂膜研究中的塑料弹性滤材可以在28 d内完成人工干预挂膜相似。

3.3 展望

本试验结果适用于试验室条件下的模拟试验，为生物膜快速形成提供了新的思路，在实际海水养殖污水处理中的应用，还有待进一步研究。

[1] 李俊龙，郑炳辉，刘永，等.中国河口富营养化对营养盐负荷的敏感性分类[J].中国科学，2015，45(4):455-467.

[2] 曹竞，王琨.海洋硝化菌特性及其在海参养殖循环水处理中应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[3] 楼洪森，杨云龙，方明亮.高效低温硝化细菌培养方法的研究[J].工业水处理，2013，33(2):42-44.

[4] 曾地刚，雷爱莹，彭敏，等.枯草芽孢杆菌的分离和净化水质的研究[J].水利渔业，2007，27(6):55-56.

[5] 潘晓宏.动胶菌与其他微生态制剂对水质改善的研究[J].农民致富之友，2014，6(2):135-137.

[6] 张海耿，马绍赛.生物滤池及人工湿地净化工厂化海水养殖废水效果研究[D].上海：上海海洋大学，2011.

[7] 曹涵，宋协法.循环水养殖生物滤池滤料挂膜及其水处理效果的研究[D].青岛：中国海洋大学，2008.

[8] 许颖，高从堦.膜生物反应器工艺中膜污染因素及控制研究[D].青岛：中国海洋大学，2013.

[9] 国家海洋局.GB 12763.4-2007海洋调查规范第4部分：海水化学要素调查[S].北京：中国标准出版社，2007.

[10] 马绍赛，曲克明，朱建新，等.海水工厂化循环水工程化技术与高效养殖[M].北京:海洋出版社，2014：65-99.

[11] 王峰.半滑舌鳎循环水养殖系统优化与养殖效果研究[D].青岛：中国海洋大学，2013.

[12] 傅雪军，马绍赛，曲克明，等.循环水养殖系统中自然微生物生物膜形成过程试验[J].海洋环境科学，2011，29(5):713-717.

[13] 余敦耀，邱雁临，朱影.高效硝化细菌的分离与鉴定[J].化学与生物工程，2008，25(4):60-63.

[14] 岑世宏.影响硝化细菌养殖水污染处理的因素分析研究[J].环境科学与管理，2015，40(3):82-85.

[15] Shan H，Obbard J P.Ammonia removal from prawn aquaculture water using immobilized nitrifying bacteria [J].Appl Microbiol Biotechnol，2001，57(5):791-798.

[16] 蔡昌凤，梁磊.高效好氧反硝化细菌的筛选及脱氮特性的研究[J].环境科学与技术，2011，34(1):41-44.

[17] 王晓翠.乳酸芽孢杆菌的分离、鉴定及菌制剂制备的研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2012.

[18] 刘天华，李乐乐，乔梦，等.一株海洋动胶菌D21的分离与鉴定[J].湖北农业科学，2011，50(16):3276-3278.

[19] 王威，王海增，曲克明.海水循环水养殖系统中生物滤料的微生物挂膜与水处理效果研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[20] 张正，王印庚，曹磊.海水循环水养殖系统生物膜快速挂膜试验[J].农业工程学报，2012，28 (15):157-162.

SimulationTestofRapidBiofilmFormationinaRecyclingAquacultureSysteminaLab

WANG Shuo1，LIU Wanxin1，DU Rongbin2，YOU Cuirong1， FU Xuejun1， LIANG Likun1

( 1.College of Life Science，Yantai University，Yantai 264005，China; 2.School of Ocean，Yantai University，Yantai 264005，China )