不同基质构建海水养殖系统硝化功能的比较分析

周涛 刘意康 徐爱玲 宋志文 陆继哲

摘 要：为比较不同基质构建海水养殖系统硝化功能的强弱，选取纤维毛球、陶粒、螺旋式生物绳等7种基质，其中陶粒、流化床填料、纤维毛球采取不同放置方式，共建立14个模拟海水养殖系统，比较不同基质硝化功能建立过程以及同种基质不同放置方式对氨氮和亚硝氮的去除效果。结果表明，单位体积珊瑚骨的氨氧化活性和亚硝酸盐氧化活性高于其他载体，在氨氮初始浓度20 mg/L条件下，氨氮和亚硝氮降解至检测不出分别需要3 d和11 d，而纤维毛球、陶粒、螺旋式生物绳、流化床填料、丝带内芯悬浮球、海绵内芯悬浮球硝化系统的建立分别需要18、26、30、25、27和22 d。纤维毛球100目筛绢悬挂、陶粒网兜悬挂、流化床填料100目篩绢悬挂优于其他放置方式，其中纤维毛球100目筛绢悬挂硝化功能建立时间为18 d，效果最优，流化床填料100目筛绢悬挂、陶粒网兜悬挂硝化系统建立分别需要21、24 d。

关键词：海水养殖系统;基质;生物膜;硝化功能

随着海水养殖业的发展，中国的养殖模式已从传统的粗养模式转向集约化养殖，集约化养殖模式在带来高产量的同时，也产生了越来越严重的有机物沉积和水质恶化等环境问题。 例如在海水养殖对虾过程中，对虾的排泄物和残饵分解产生的氨和亚硝酸盐，一旦积累会影响对虾的呼吸系统[1-2]。氨会降低红细胞及血红蛋白的数量，引起慢性中毒，抑制生长，是引起暴发性虾病发生的重要诱因;亚硝酸盐会降低血液中血蓝蛋白的携氧能力，引起组织缺氧、抵抗力下降[3]。在高密度养殖系统中，由于投饵量大，导致水体中含氮有机物积累，在转化的过程中，氨会导致亚硝酸盐上升[4]。因此，海水养殖系统水质净化的主要去除目标是氨和亚硝酸盐。

养殖系统中氨和亚硝酸盐去除主要由硝化功能微生物，包括氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）完成，氨、亚硝酸盐被转化为相对无毒的硝酸盐[5]。硝化功能微生物属化能自养菌，其生长缓慢且对环境因子敏感，还具有附着生长的特性，因此需要提供适宜的生物膜载体供其生长[6]，理想的基质应具有大的比表面积、低价格、易黏附微生物、低密度等特点[7]。

本研究选取纤维毛球、陶粒、螺旋式生物绳等7种基质，同时对部分基质采用不同放置方式，建立模拟海水养殖系统，研究不同系统硝化功能的建立过程。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验菌剂 实验室自行制备硝化细菌制剂，为硝化功能微生物。

1.1.2 基质材料 基质性能参数如表1所示。1.2 实验装置

实验装置由14个玻璃缸（35 cm×35 cm×40 cm，有效容积30 L）以及曝气石、加热棒等组成，人工海水由海水素配制，盐度为15‰。

1.3 实验方案

共设置14个实验装置，1#为对照组，其余为实验组。其中2#、3#、4#分别为网兜悬挂、100目筛绢悬挂、200目筛绢悬挂放置纤维毛球基质;5#、6#、7#分别为铺底、网兜悬挂、100目筛绢悬挂放置陶粒基质;8#为支架固定放置的螺旋式生物绳基质;9#、10#、11#分别为漂浮、100目筛绢悬挂、200目筛绢悬挂放置流化床填料基质;12#、13#分别为网兜悬挂放置丝带内芯悬浮球和海绵内芯悬浮球基质;14#为铺底放置珊瑚骨系统，所有基质体积均为5 L。

前3 d各系统每天投加80 mL菌剂，之后停止添加。实验期间控制温度27～28 ℃，溶解氧7.0～8.0 mg/L。投加氯化铵使系统氨氮初始浓度为20 mg/L，pH 7.5～8.5，实验期间不换水，定期补充水分。每24 h检测氨氮和亚硝酸盐氮浓度，每72 h检测硝酸盐浓度。

1.4 分析方法

氨氮测定采用次溴酸钠氧化法[8]，亚硝酸盐氮测定采用重氮偶联法[9]，硝酸盐氮测定采用紫外分光光度法[9]。

2 结果与分析

2.1 不同基质构建海水养殖系统硝化功能的建立过程

实验过程中，对照组和实验组氨氮浓度均呈明显下降趋势，但降低速率存在差异。在氨氮初始浓度为20 mg/L情况下，珊瑚骨系统（14#）对氨氮降解速率最快，氨氮降低至检测不出需要3 d时间，而纤维毛球（2#）、陶粒（5#）、螺旋式生物绳（8#）、流化床填料（9#）、丝带内芯悬浮球（12#）、海绵内芯悬浮球（13#）系统则分别需要6～19 d时间。

实验过程中亚硝酸盐氮均呈先上升再降低的趋势，其中珊瑚骨、纤维毛球系统达到峰值所需时间均为5 d，而陶粒、螺旋式生物绳、流化床填料、丝带内芯悬浮球、海绵内芯悬浮球系统亚硝酸盐氮浓度达到峰值则需要11～19 d。珊瑚骨系统亚硝盐氮降低至检测不出需要11 d，而纤维毛球、陶粒、螺旋式生物绳、流化床填料、丝带内芯悬浮球、海绵内芯悬浮球系统亚硝酸盐氮降低至检测不出需要18～30 d，空白组亚硝酸盐氮浓度至实验结束仍处于上升阶段。

实验过程中硝态氮浓度始终呈上升趋势，但不同基质系统硝氮上升速度不同，且最终浓度由高到低也略有不同。珊瑚骨系统硝氮上升速度最快，至实验结束浓度最高;丝带内芯悬浮球系统最低。

实验过程中不同基质系统48 h氨氮去除率与氨氧化强度，可见硝化强度由高到低依次为珊瑚骨、纤维毛球、海绵内芯悬浮球、流化床填料、陶粒、丝带内芯悬浮球、螺旋式生物绳，珊瑚骨系统48 h氨氮去除率最高，为72.8%，优于其它基质。

2.2 基质不同放置方式对硝化功能建立过程的影响

添加纤维毛球的2#、3#和4#系统氨氮降低至检测不出，分别需要6、5和11 d;设置陶粒作为基质的5#、6#和7#系统氨氮降低至检测不出，分别需要14、7和12 d;添加流化床填料的9#、10#和11#系统氨氮降低至检测不出，分别需要13、6和12 d。

实验过程中亚硝酸盐氮浓度先升高后降低，设置纤维毛球作为载体的3#系统、陶粒作为载体的6#系统、流化床填料作为载体10#系统，在同基质系统中亚硝氮最先降至检测不出，分别需要18、24和21 d。

实验过程中硝酸盐氮浓度均呈上升趋势，相同载体的系统硝酸盐浓度变化基本一致，在亚硝氮达到峰值后加速上升，设置纤维毛球的3#系统、陶粒载体的6#系统和流化床填料的10#系统在同基质系统中硝酸盐氮浓度上升速度最快，且至实验结束时浓度最高。因此，纤维毛球、陶粒和流化床填料分别以100目筛绢悬挂、网兜悬挂和100目筛绢悬挂放置时效果最优。

3 讨论

硝化功能微生物屬化能自养菌，利用氨或亚硝酸盐为能源，二氧化碳为碳源，具有代时长、生长慢、消耗总碱度大、附着性强等特点[10-11]，在污水处理和水产养殖系统水质净化过程中扮演重要角色。添加基质可增加硝化菌群附着面积，有利于其快速生长繁殖，并最终加速系统中氨氮和亚硝酸盐氮的转化，减少氨和亚硝酸盐对养殖生物的毒性作用。此外，使用基质作为生物膜载体还可为养殖生物补充饵料，增加鱼类栖息空间[12-14]。

在水产养殖系统中，当硝化功能微生物达到一定数量，且比例合适时，会缩短氨和亚硝酸盐峰值时间并降低峰值浓度，从而快速完成硝化功能建立过程[15-16]。从研究结果可知，添加基质的实验组，氨氮和亚硝氮去除效果明显高于空白组，揭示添加基质可起到良好的水质调控效果，与张家松等[17]研究结果一致。基质孔隙率、比表面积和表面粗糙度是影响生物膜挂膜效果和挂膜速度的重要因素，其中珊瑚骨系统硝化功能建立时间更短，硝化能力优于其他生物膜载体。珊瑚骨作为一种天然生物膜载体，比海绵内芯和纤维毛球表面粗糙，同时其孔隙率和比表面积大于丝带内芯、流化床填料等人工载体，这些均有利于硝化功能的建立，与张宇雷等[18]使用的PVA-PVP共混填料相比，其降解氨氮、亚硝氮效果更为高效，还可以提高系统pH值，平衡水质，对硝化系统的建立具有良好的促进作用。

通常养殖水体要求溶解氧不低于5 mg/L，因此需要通过曝气来维持水体中溶解氧[19]。曝气会扰动水体，加大载体表面剪切力，不利于生物膜的挂膜和成熟。流化床填料、纤维毛球采用100目筛绢悬挂放置的方式，优于其他放置方式，分析原因，100目筛绢既可以实现包内水体和养殖水体之间的充分流动，又可以减少扰动水体对生物膜的冲击，有利于微生物快速附着生长繁殖;200目筛绢可能会对水体流动有阻碍作用，使系统硝化功能的建立受到影响，因此基质采取合适的放置方式有利于硝化功能的建立。

人工基质对有机颗粒的吸附和降解，减少了池底厌氧水层，降低了有害物质的浓度，减少了有害细菌的生长空间，且表面形成的生物膜能够加快养殖水体物质循环[20-21]。本实验基质具备了以下条件：性质稳定，完全无毒无害，表面粗糙，孔隙率和比表面积大，可回收利用等[22]。

4 结论

投加基质作为生物膜载体可以显著增强系统的硝化能力，其中珊瑚骨硝化系统建立最快需11 d，最慢的是螺旋式生物绳需30 d。不同基质硝化系统建立效果由强到弱依次为珊瑚骨、纤维毛球、海绵内芯悬浮球、流化床填料、陶粒、丝带内芯悬浮球、螺旋式生物绳。

同种基质采用不同放置方式其硝化功能建立过程存在差异。100目筛绢包悬挂的纤维毛球、流化床填料系统硝化功能建立时间较快，分别为18和21 d，快于同基质200目筛绢和网兜悬挂放置。

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