背角无齿蚌(Anodonta woodiana)对池塘底泥释放营养盐的净化效果

陈修报, 刘洪波, 苏彦平, 戈贤平, 杨 健

(中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 中国水产科学研究院长江中下游渔业生态环境评价和资源养护重点实验室, 江苏 无锡 214081)

据《2016中国渔业统计年鉴》资料, 我国淡水池塘养殖面积 2.7×106hm2, 占淡水养殖总面积的43.94%。可是面临着严峻的营养盐污染, 《2015年中国渔业生态环境状况公报》指出, 我国内陆渔业水域总氮和总磷的超标面积分别高达94.3%和26%。其中, 底泥作为内源性营养盐的供给源, 向水体中释放了大量的硝酸盐、磷酸盐等[1-3]。研究表明, 养殖池塘底泥中N和P主要以NH4+-N、PO43–形式释放到水体中, 日释放速率分别可高达 200 mg/(m2·d)和 25 mg/(m2·d)[1-2]。因此, 迫切需要对底泥释放至水体中的营养盐进行有效净化。

背角无齿蚌(Anodonta woodiana)在养殖池塘中广泛分布[4], 具有育珠、药用和食用等功能[5], 而且通过滤水和生物沉降等作用能够有效净化水体中营养盐, 对 TN[6]、NO3–-N[6]和 TP[7]的去除率分别可达到 24.1%、42.6%和 40.5%。然而, 前人的研究主要是基于单纯的水体[6-8], 对于养殖池塘底泥这一特殊的营养盐“贮存库”(沉积了大量的残饵和鱼类粪便等代谢废物[9])释放营养盐的净化效果尚不清楚。因此, 本研究以代表性大宗淡水鱼——团头鲂(Megalobrama amblycephala)养殖池塘的底泥为对象, 探索其营养盐的释放特征, 并评价背角无齿蚌对释放水体的理化指标(pH、DO、总固溶物、浊度、Chl-a)和营养盐(TN、NH4+-N、NO3–-N、NO2–-N、TP、PO43–)的净化规律, 以期为渔业生态环境的保护和修复, 以及鱼、蚌混养的生态养殖模式开发提供支撑。

1　材料与方法

1.1　微型生态系统的建立

在实验室内模拟养殖池塘环境建立微型生态系统。按照底泥厚度与水深之比为3∶28[10], 向 12个规格为 100 cm × 45 cm × 50 cm(长×宽×高)的玻璃缸中铺上3.5 cm厚的底泥(取自中国水产科学研究院淡水渔业研究中心团头鲂养殖池塘0~10 cm的表层泥,质量约25 kg), 然后加入33 cm深的曝气自来水(150 L)。将底泥充分搅动, 静置72 h后, 实验组分别放入2、4和6只人工繁育的背角无齿蚌[5](壳长10.2 cm±0.4 cm,壳宽4.2 cm±0.3 cm, 壳高6.3 cm±0.3 cm, 带壳湿重130 g±19 g, n=36; 平均值±标准差, 下同), 用聚乙烯网笼吊养于微型生态系统的中央位置, 养殖密度分别约为13、27和40个/m3。对照组不放蚌, 仅悬挂聚乙烯网笼, 以保证吊养设施对系统的影响均等。对照组和不同养殖密度的实验组均设置 3个重复, 实验过程中不充氧、不投喂饵料。实验为期30 d, 自然光照, 水温为19~22℃, 期间没有发生蚌死亡。

1.2　样品采集与分析

针对底泥向水体中释放营养盐, 对微型生态系统水体的理化指标和营养盐每10 d测定一次。用pH计(HI98120型, HANNA)、溶氧仪(SevenGo proTM型,METTLER TOLEDO)、电导率仪(SevenGoTM 型,METTLER TOLEDO)和浊度计(TN-100 Protable型,EUTECH)现场测定水体的pH、DO、总固溶物和浊度。

用虹吸管采集微型生态系统的中层水, 依据《水和废水监测分析方法》测定水体Chl-a含量; 应用水质分析仪(DR6000型, HACH), 以过硫酸盐消解法测定TN和TP, 水杨酸盐法测定NH4+-N, 二甲基苯酚法测定 NO3–-N, 重氮化方法测定 NO2–-N, 抗坏血酸法测定PO43–含量。

1.3　去除率的计算

鉴于微型生态系统中的水质指标变化受到自然沉降和背角无齿蚌作用的共同影响, 应用去除率(removal efficiency, ER)[11]分析背角无齿蚌对底泥释放营养盐的净化效果:

式中: CB是指对照组的指标含量, CT指处理组的指标含量。ER>0表示蚌能够对水质起到净化作用; ER<0表示增加了水体中相应指标的含量。

1.4　统计分析

应用SPSS 22.0统计软件的one-way ANOVA比较不同组别理化指标和营养盐的变化, 用 two-way ANOVA分析净化效果与养殖密度和处理时间的关系, 这两种分析方法均对数据进行自然对数转换以满足正态分布[12], P<0.05表示差异水平显著。此外,应用 Design-Expert 8.0统计软件的响应曲面法(response surface)对各响应值进行优化[6]。

2　结果

2.1　对理化指标的影响

由表 1可见, 背角无齿蚌对 pH、DO和总固溶物的影响总体不明显。pH仅在30 d的6只蚌组低于对照组(P<0.05); DO在20、30 d的6只蚌组低于对照组(P<0.05); 总固溶物在处理10 d时略高于对照组(P<0.05), 而在30 d时略低于对照组(P<0.05)。然而,能够显著降低浊度和Chl-a含量。浊度在10 d和20 d的所有处理组均显著低于对照组(P<0.05); Chl-a在10 d和20 d的所有处理组以及30 d的4只蚌组显著低于对照组(P<0.05)。背角无齿蚌对浊度和Chl-a的最大去除率分别出现在20 d的4只蚌组和10 d的6只蚌组, 高达79.2%和83.4%。

表1　背角无齿蚌(Anodonta woodiana)对理化指标的影响Tab. 1 Influence of Anodonta woodiana on physicochemical parameters

2.2　对营养盐的影响

2.2.1营养盐含量的变化

不同组别的营养盐含量变化见表2。对照组TN和NH4+-N表现为降低趋势, NO3–-N呈现先升高后降低趋势, 而 NO2–-N、TP和 PO43–总体保持不变。处理组TN、NO3–-N和NO2–-N总体呈现出升高的趋势。TN在20 d的2、6只蚌组和30 d的2只蚌组显著高于对照组(P<0.05); NO3–-N在10 d的2只蚌组、20 d的2和6只蚌组以及30 d的所有处理组均显著高于对照组(P<0.05); NO2–-N在10 d的所有处理组和20 d的6只蚌组显著高于对照组(P<0.05)。然而, 能够显著降低NH4+-N、TP和PO43–的含量。NH4+-N在20 d的2、4只蚌组显著低于对照组(P<0.05); TP在20 d的4只蚌组显著低于对照组(P<0.05); PO43–在20 d的4只蚌组显著低于对照组(P<0.05)。背角无齿蚌对NH4+-N、TP和PO43–的最大去除率均出现在20 d的4只蚌组, 分别高达90.9%、55.6%和52.9%。

表2　背角无齿蚌(Anodonta woodiana)对营养盐含量(单位: mg/L)的影响Tab. 2 Influence of Anodonta woodiana treatment on nutrient concentrations (unit: mg/L)

2.2.2响应面优化分析

应用曲面响应法对上述有明显净化效果的营养盐分析, 结果显示背角无齿蚌对 TP和 PO43–的去除率可进一步提升。蚌的养殖密度(d)和处理时间(t)与TP和PO43–去除率(ER)之间的响应曲面见图1。模型P<0.01, 表明所建立的回归模型极显著。d、t和 ER之间的实际回归方程为

ER–TP= –285.80710 + 83.31452d + 16.65190t –

0.70710dt – 8.42742d2– 0.30560t2(R2= 0.8511)ER–PO43–= –192.15747 + 58.70690d + 11.99620t +

0.15088dt – 8.44895d2– 0.26496t2(R2= 0.9770)

对TP和PO43–分别优化, 得出d和t的最优组合分别为 3.99只蚌(27 个/m3)和 22.63 d、3.69只蚌(25个/m3)和23.69 d, 在此最优组合条件下, 去除率可进一步提升至68.9%和58.1%。

2.3　影响净化效果的因子分析

营养盐含量受到背角无齿蚌的养殖密度和处理时间的影响(表 3)。其中, TN、NO3–-N、NO2–-N、TP和 PO43–的净化效果与养殖密度显著相关(P<0.05),而 TN、NH4+-N、NO2–-N和PO43–的净化效果与处理时间显著相关(P<0.05), NH4+-N、NO3–-N 和 NO2–-N的净化效果与养殖密度和处理时间的交互作用显著相关(P<0.05)。

3　讨论与结论

背角无齿蚌对富营养化水环境的适应能力较强[7],且滤水功能强大[13]。根据壳长和水温估算[13], 本研究中背角无齿蚌的滤水率约为 0.6 L/(个·h), 养殖密度分别为13、27和40个/m3, 即微型生态系统的水分别在5、2.5和1.5 d左右可被过滤一遍。因此, 水质指标的变化除了受到自然沉降的影响之外, 蚌的高强度滤水起到重要作用。本研究中所有的微型生态系统均处于相同的环境中, 并经历着相同的时间段, 水体理化指标和营养盐含量表现出的差异应归 因于蚌养殖密度和处理时间的不同。

图1　不同养殖密度和处理时间的背角无齿蚌(Anodonta woodiana)对TP(a)和PO43–(b)去除率的响应曲面Fig. 1 The response surface of the effect of Anodonta woodiana with different density and treatment time on removal efficiency of TP (a) and PO43–(b)

表3　背角无齿蚌(Anodonta woodiana)的处理时间和养殖密度对营养盐含量的影响Tab. 3 The effect of treat time and culture density of Anodonta woodiana on nutrient concentrations

3.1　背角无齿蚌对理化指标的影响

背角无齿蚌属于底栖动物, 耗氧率较低, 仅有

0.5 mg/(g·h)左右[14]。因此, 对微生态系统中的 DO 影响不明显。养殖水体pH主要受到生物的呼吸作用和光合作用影响。本研究显示背角无齿蚌对pH影响不明显, 这与陈修报等[6]和 Kim 等[7]的研究结果一致,

而不同于敬小军等[15]认为背角无齿蚌的呼吸作用导致水体pH降低, 这可能是由于后者的养殖密度太高(160 个/m3)的缘故。此外, 不同组别的总固溶物含量变化亦不太明显, 表明背角无齿蚌的滤水作用不会加剧底泥向水体中释放可溶性有机质。值得注意的是,背角无齿蚌能够显著降低浊度和 Chl-a含量(表 1),对它们的去除率可分别达到79.2%和83.4%。这与前人研究结果相吻合, 魏小飞等[16]发现背角无齿蚌能够快速降低再悬浮水体中总悬浮质和 Chl-a的含量,处理2 d对它们的去除率就可达到61%和64%左右;李萍等[17]应用背角无齿蚌对含有底泥的水体进行相对长期(58 d)净化实验, 发现其对 Chl-a的平均去除率为39.3%。提示背角无齿蚌能够有效提高养殖水体的透明度和防控以Chl-a为代表的富营养化。

3.2　背角无齿蚌对营养盐的净化效果

底泥是大宗淡水鱼类养殖池塘等水生生态系统的重要组成部分, 它可以吸附水体的营养盐, 降低上覆水体的污染程度[1-2,18]。同时, 如果环境条件发生改变(如DO变化、鱼类搅动), 底泥中的营养盐又会释放到水体中, 造成二次污染[1-2,18]。一般认为 N的释放机理是底泥表层的有机氮在异养微生物作用下发生降解、矿化生成 NH4+-N, 被黏土矿物吸附而形成交换态NH4+-N积存于间隙水中, 然后通过扩散作用释放到上覆水中, 在有氧状态下释放 NO3–-N,厌氧状态下释放 NH4+-N[1,19]。P释放则与底泥表层的有机质的矿化分解相关[2]。对照组中TN和NH4+-N表现出降低趋势, 而 NO3–-N呈现出短暂的升高, 这可能与池塘底泥对TN和NH4+-N的再次吸附, 以及在有氧条件下交换态的NH4+-N转换为NO3–-N有关。

背角无齿蚌通过摄食细菌、藻类、浮游动物和底泥[20], 吸收和利用了水环境中大量的N和P等生源要素, 从而有效降低水体中的营养盐[6]。本研究显示背角无齿蚌对NH4+-N的去除率可达到90.9%, 高于铜锈环棱螺(Bellamya aeruginosa)和背角无齿蚌混养对 NH4+-N的净化效果(25.6%)[21]。背角无齿蚌对TP的去除率可达到 55.6%, 不同于魏小飞等[16]研究显示的无法明显去除 TP, 这可能与其处理时间较短(7 d)有关。背角无齿蚌对TP的去除率高于铜锈环棱螺和背角无齿蚌混养对其 26.1%的去除率, 但低于芦苇湿地对TP的净化效果(87.1%)[22]。此外, 本研究中背角无齿蚌对 PO43–也表现出较高的去除率(52.9%),这不同于其对单纯水体中 PO43–未表现出明显净化效果[6], 这可能是由于后者 PO43–含量相对较低(0.046~0.169 mg/L)造成的。研究表明水生生物如挺水植物对N、P的去除率就与水体中N、P含量成正相关[23]。在吸收营养盐的同时, 贝类也会通过呼吸作用和排泄作用排出一定量的N和P[14,24]。例如, 背角无齿蚌对NH4+-N的排泄率约为5.5 mg/(kg·h)[14]。而且淡水贝类对 N的排出率远高于 P, 如斑马贻贝(Dreissena polymorpha)排出的N∶P比约20∶1, 这可能是本研究中TN、NO3–-N和NO2–-N含量升高的原因。

贝类被认为是净化水环境营养盐的较为理想的物种[25-26]。Petersen等[25]研究表明养殖生物量是影响贝类去除营养盐(N和P)的主要因素。而背角无齿蚌对营养盐的净化效果受到养殖密度和处理时间的共同影响(表 3), 从而通过优化养殖密度和处理时间的配比能够将 TP和 PO43–的去除率进一步提升至68.9%和58.1%。这将对利用背角无齿蚌开展鱼、蚌混养的生态养殖模式以及养殖池塘底泥富营养化的防控提供借鉴作用。

综上所述, 背角无齿蚌具有防控、修复养殖池塘底泥富营养化的潜力。对于底泥释放营养盐的水环境, 背角无齿蚌能够显著降低浊度, 并有效去除Chl-a、NH4+-N、TP和 PO43–, 对它们的去除率分别可达到79.2%、83.4%、90.9%、55.6%和52.9%。同时, 背角无齿蚌对营养盐的净化效果与养殖密度和处理时间密切相关。当养殖密度和处理时间分别优化为27个/m3和22.63 d、25个和23.69 d时, 对TP和PO43–的去除率有望进一步提升至68.9%和58.1%。

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