钝顶螺旋藻SP1(Spirulina platensis)对集约化养殖尾水氮磷的去除效果
2021-04-13鲁敏曹煜成胡晓娟许云娜孙志伟张建设文国樑
鲁敏, 曹煜成,3, 胡晓娟, 许云娜, 孙志伟, 张建设, 文国樑,*
钝顶螺旋藻SP1()对集约化养殖尾水氮磷的去除效果
鲁敏1,2, 曹煜成1,2,3, 胡晓娟2,3, 许云娜2, 孙志伟2, 张建设1, 文国樑1,2,*
1. 浙江海洋大学, 国家海洋设施养殖工程技术研究中心, 舟山 316022 2. 中国水产科学研究院南海水产研究所, 农业农村部南海渔业资源开发利用重点实验室, 广东省渔业生态环境重点实验室, 广州 510300 3. 中国水产科学研究院南海水产研究所深圳试验基地, 深圳 518121
针对集约化养殖模式后期硝酸盐氮和磷酸盐浓度较高的问题, 实验设置生物絮团养殖尾水(BFW)和BG11培养液(BGW)两种水体环境, 并以池塘常见优势微藻——绿色颤藻OC1()作为对比, 研究分析了钝顶螺旋藻SP1()对集约化养殖尾水氮磷的去除效果及其生长状况。结果发现, 在BFW组中两种微藻均对硝酸盐氮(NO3--N)、总无机氮(TIN)和磷酸盐(PO43--P)去除效果明显(<0.05), 其中, 螺旋藻对NO3--N、TIN和PO43--P的最大去除率分别为79.60%、46.06%和98.55%, 相应的浓度值分别从130.04 mg·L-1、130.85 mg·L-1和10.23 mg·L-1降至26.53 mg·L-1、70.58 mg·L-1和0.15 mg·L-1,其数量降低的绝对值分别为103.51 mg·L-1、60.27 mg·L-1、10.08 mg·L-1; 在BGW组中两种藻对氮磷均具有一定的去除效果, 但总体仍低于BFW组。实验过程中两种微藻的细胞数量均无明显变化(>0.05)。可见, 钝顶螺旋藻SP1和绿色颤藻OC1均可在BFW和BGW两种水体营养环境下存活, 且对水中的氮磷均有良好的去除效果; 虽然颤藻亦是集约化养殖水环境中的常见微藻优势种, 但它能分泌蓝藻毒素, 因此, 从产业应用的可行性考虑可将螺旋藻作为集约化养殖尾水净化的备选藻株。
螺旋藻; 集约化养殖; 尾水; 氮; 磷
0 前言
水产养殖业是我国渔业领域的支柱性产业之一。随着水产养殖业集约化程度不断提高, 高密度精养成为目前我国重要的水产养殖方式。但高度集约化养殖模式的养殖尾水富含氮磷营养, 在当前倡导环境友好, 水产养殖可持续发展的背景下, 集约化养殖尾水的生态化处理变得尤为重要。基于生物絮团的高密度集约化养殖技术可以将养殖水体中总氨氮、亚硝酸盐氮等有害氮素有效控制在海水养殖水排放要求[1]范围之内, 但存在硝酸盐氮浓度过高的突出问题, 如范鹏程等[2]研究指出其养殖水体的总氨氮、亚硝酸盐氮浓度有效控制在0.44 mg·L-1和0.69 mg·L-1以下, 但在养殖后期硝酸盐氮浓度最高则可达133.4 mg·L-1。因此, 如何有效处理集约化养殖尾水中的氮磷排放, 避免养殖生产对外界水域环境的不良影响, 为构建环境友好型的养殖生产模式提供有效的尾水净化技术方案, 这值得深入研究。
集约化养殖模式后期水体富含氮磷营养, 而蓝藻因其特殊的生理生态策略, 在此环境中具有很强的适应能力[3], 极易形成以颤藻为主的有害藻相结构, 严重影响养殖生物的产量[4]。螺旋藻作为一种有益蓝藻, 不仅对环境具有很强的适应能力, 也是养殖后期水体中的优势种[5], 拥有蓝藻高效吸收氮磷特性, 而且螺旋藻营养丰富均衡, 可作为生物饵料或饲料添加剂应用于水产养殖生产中[6-7], 呈柱状的藻丝结构在尾水处理过后更易于收集。据查, 此前未见关于应用螺旋藻处理较高氮磷浓度集约化养殖尾水的类似研究, 以往的研究大多集中于较低氮磷浓度的废水处理, 如稀释后的养猪废水[8-9]、城市生活污水[10]及人类尿液[11]等, 但螺旋藻能否利用相对较高氮磷营养的集约化养殖尾水还未见报道。
基于海水养殖水排放要求[1]中氮、磷营养盐的浓度是重要的监测指标, 对此本研究拟以钝顶螺旋藻SP1()作为研究藻株、以池塘常见蓝藻优势种——绿色颤藻OC1()为参比对象, 将两种微藻接种至对虾集约化养殖尾水中, 并设置BG11培养液环境作为参照, 分析它们在两种水体环境中的生长情况及其对水体氮磷的去除效果。以期为后续进一步研发利用螺旋藻净化集约化养殖尾水的技术方案, 提供备选藻株和相关基础数据参考。
1 材料与方法
1.1 材料来源
实验藻种: 实验所用钝顶螺旋藻SP1()和绿色颤藻OC1()由中国水产科学研究院南海水产研究所提供。
生物絮团养殖尾水: 取自广东省陆丰市某养殖场的凡纳滨对虾生物絮团零换水养殖池系统(1000 m3), 取水时间为放苗养殖58 d, 虾苗放养密度650尾·m-3, 养殖全程以生物絮团技术控制水质, 以满足养殖对虾的健康生长需求, 实施封闭式的零换水管理。养殖到60 d时, 对虾个体平均体重8.78 g每尾, 单产4.61 kg·m-3, 成活率85%, 养殖水温31.1 ℃、溶解氧4.48 mg·L-1、pH 7.35、生物絮团沉降量10.5 mL·L-1。以生物絮团养殖尾水为基础, 用过滤灭菌天然海水、磷酸二氢钾将生物絮团养殖尾水中的硝酸盐氮、磷酸盐浓度分别调至约130 mg·L-1和10 mg·L-1, 使其氮磷比约为13:1。
BG11培养液[12]: NaNO31.5 g·L-1, K2HPO40.04 g·L-1, MgSO4·7H2O 0.075 g·L-1, CaCl2·H2O0.036 g·L-1, 柠檬酸0.006 g·L-1, 柠檬酸铁氨0.006 g·L-1, EDTA-Na20.001 g·L-1, NaCO30.02 g·L-1, 微量金属盐溶液1mL·L-1。
微量金属盐溶液成分为: H3BO32.86 g·L-1, MnCl2·4H2O 1.81 g·L-1, ZnSO4·7H2O 0.222 g·L-1, Na2MoO4·2H2O 0.39 g·L-1, CuSO4·5H2O 0.079 g·L-1, Co(NO3)2·6H2O 49.4 g·L-1。
1.2 实验设置
实验设置生物絮团养殖尾水和BG11培养液两种藻培养环境, 分别设置螺旋藻组、颤藻组和对照组, 具体如表1所示。参考相关文献[13-14], 将螺旋藻组的初始藻浓度设为106个·mL-1, 为实验最佳接种浓度; 颤藻组的初始藻浓度设为108个·mL-1, 为实际养殖池塘中颤藻浓度; 对照组不接藻。每组设置3个平行, 实验体积为80 mL, 盐度为20‰。将螺旋藻组、颤藻组的微藻接种到经高温高压灭菌的锥形瓶中, 接种之前对藻种进行离心清洗, 以去除原营养盐影响。实验开始后, 将锥形瓶置于恒温光照培养箱内, 温度设置为(25±1) ℃, 光照强度31.25—37.50 µmol·m-2·s-1, 光暗比12 h : 12 h进行培养, 每天摇三次并随机更换锥形瓶的位置。实验共进行16 d。
1.3 微藻的数量测定
于第0、16 d采集微藻样品1 mL, 加40 µL甲醛固定保存于4 ℃冰箱。每组有三个平行样品, 使用血球计数板在显微镜下计数。螺旋藻和颤藻藻细胞较长, 先将藻液进行研磨打碎, 取100 µL于血球计数板, 在显微镜检视中用目微尺实测藻体及单个细胞长度, 然后算出藻细胞数量[15]。每个样品测量三次取平均值。
1.4 水质测定
于第0、2、4、6、8、16 d取水样检测水体中硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、磷酸盐(PO43--P)浓度 , 分析微藻对氮磷营养盐的作用效果。水体中NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P依照国家标准(GB/T 17378.4—2007)[16]分别采用锌镉还原法、盐酸萘乙二胺分光光度法、靛酚蓝分光光度法和磷钼蓝分光光度法进行测定。其中总无机氮(TIN)为硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氨氮三者之和[17]。
1.5 数据处理
各水质指标去除率的计算公式为: 去除率= (初始浓度0-取样测定的浓度C)/初始浓度0×100。
采用以单因素方差分析法(One-Way ANOVA) 比较各组数据的差异显著性, 显著水平设定为< 0.05。
2 结果与分析
2.1 微藻的生长情况
实验初始及结束时培养液中微藻的数量变化如图1所示。在养殖尾水中, 钝顶螺旋藻SP1和绿色颤藻OC1的初始藻量分别为3.32×106个·mL-1, 2.04×108个·mL-1。实验第16 d时, 两者的藻量分别为5.88×106个·mL-1, 2.43×108个·mL-1。BG11培养液中, 钝顶螺旋藻SP1和绿色颤藻OC1的初始藻量分别为5.81×106个·mL-1, 1.47×108个·mL-1, 实验第16 d时, 两者的藻量分别为1.20×107个·mL-1, 2.57×108个·mL-1。螺旋藻在两种培养环境下第0 d和第16 d的藻量无显著差异(>0.05), 颤藻在两种培养环境下第0 d和第16 d的藻量亦无显著差异(> 0.05)。
表1 各实验组的初始氮磷浓度设置
注: 同图中不同上标字母表示差异显著(P<0.05)。
Figure 1 Microalgae density variation during the experiment
2.2 对养殖尾水中氮磷营养盐的去除效果
钝顶螺旋藻SP1和绿色颤藻OC1对养殖尾水中的NO3--N、NH4+-N、PO43--P有明显的去除效果(图2和表2)。实验第16 d, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的NO3--N浓度由第0 d的130.04 mg·L-1和136.77 mg·L-1分别降至26.53 mg·L-1和54.85 mg·L-1, 其去除率分别为79.60%和59.89%, 显著高于对照组(<0.05), 对照组的NO3--N浓度一直维持在 127.06—130.51 mg·L-1之间。实验第8 d, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的NH4+-N浓度由第0 d的0.32 mg·L-1和0.52 mg·L-1分别降至0.01 mg·L-1和0.10 mg·L-1, 其去除率分别为97.31%和80.65%, 显著高于对照组(<0.05)。虽然在实验过程中, 螺旋藻组和颤藻组的NO2--N浓度均有升高, 但从总无机氮的含量来看, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的TIN浓度由第0 d的130.85 mg·L-1和134.71 mg·L-1分别降至70.58 mg·L-1和66.19 mg·L-1, 其去除率分别为46.06%和51.83%, 显著高于对照组(<0.05), 对照组的TIN浓度一直维持在127.55—130.84 mg·L-1之间。
此外, 从实验第2 d 起螺旋藻组和颤藻即对培养液中的PO43--P表现出明显且迅速的去除效果。实验第8 d, PO43--P浓度由第0 d的10.23 mg·L-1和11.07 mg·L-1分别降至0.15 mg·L-1和0.60 mg·L-1, 其去除率分别达98.55%和96.40%, 显著高于对照组(<0.05)。
图2 养殖尾水中氮磷营养盐浓度的变化
Figure 2 Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in breeding tailwater
表2 养殖尾水中氮磷营养盐的去除率(平均值±标准差)
注: 同行数据不同上标字母表示差异显著(<0.05),下同。
2.3 螺旋藻和颤藻对BG11培养液中营养盐的去除效果
钝顶螺旋藻SP1和绿色颤藻OC1对BG11培养液中的NO3--N、NH4+-N、PO43--P有明显的去除效果(图3和表3)。实验第16 d, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的NO3--N浓度由第0 d的226.33 mg·L-1和235.97 mg·L-1分别降至190.75 mg·L-1和171.93 mg·L-1, 其去除率分别为15.72%和27.14%, 显著高于对照组(<0.05), 但低于养殖尾水中对NO3--N的去除率。对照组的NO3--N浓度一直维持在 229.14—246.79 mg·L-1之间。实验第8 d, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的NH4+-N浓度由第0 d的0.29 mg·L-1和0.37 mg·L-1分别降至0.06 mg·L-1和0.09 mg·L-1, 其去除率分别为78.52%和76.20%, 显著高于对照组(<0.05)。虽然在实验过程中, 螺旋藻组和颤藻组的NO2--N浓度均有升高, 但从培养液的总TIN的浓度来看, 螺旋藻组和颤藻组培养液中的TIN浓度由第0d的226.75 mg·L-1和236.43 mg·L-1分别降至199.02 mg·L-1和181.72 mg·L-1, 其去除率分别为12.23%和23.14%, 显著高于对照组(<0.05), 对照组的TIN浓度一直维持在229.57—247.09 mg·L-1之间。
此外, 从实验第2 d 起螺旋藻组和颤藻即对培养液中的PO43--P有明显且迅速的去除效果。实验第8 d, PO43--P浓度由第0 d的4.24 mg·L-1和3.87 mg·L-1分别降至0.69 mg·L-1和0.56 mg·L-1, 其去除率分别达83.68%和81.05%, 显著高于对照组(<0.05)。
图3 BG11培养液中氮磷营养盐浓度变化
Figure 3 Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in BG11 medium
表3 BG11培养液中氮磷营养盐的去除率(平均值±标准差)
3 讨论
在养殖生态系统中, 浮游微藻作为水生态系统的生产者, 对环境中的物质循环和能量流动具有举足轻重的作用[18]。已有研究表明微藻对养殖尾水的氮磷具有巨大的净化潜力, 但此前的研究大多集中在较低氮磷浓度(NO3--N浓度约为2—35 mg·L-1, PO43--P浓度约为0.2—8 mg·L-1)的尾水处理[19-21], 这与集约化养殖尾水存在较大差别。在当前高密度精养的集约化养殖模式下, 养殖后期水体中富含氮磷营养盐, 颤藻[22]、微囊藻()[23]等有害蓝藻极易成为优势种[22]。螺旋藻作为有益蓝藻, 对富含氮磷的水体环境同样具有很强的适应能力[24]。因此, 本研究以钝顶螺旋藻SP1为研究藻株, 以绿色颤藻为参比藻株, 结果发现钝顶螺旋藻SP1在对虾生物絮团养殖尾水和BG11培养液等两种培养环境中均可正常存活, 且其藻细胞数量增长率与绿色颤藻OC1无明显差异(>0.05), 说明螺旋藻SP1跟颤藻一样在富含高氮磷的集约化养殖尾水环境下同样具有良好的生存潜力。
其次, 从对氮磷营养盐的作用效果来看, 在本研究中钝顶螺旋藻SP1对养殖尾水的氮磷营养盐具有良好的净化效果。NO3--N、TIN和PO43--P的最大去除率分别达到79.60%、46.06%和98.55%, 相应的浓度值分别从130.04 mg·L-1、130.85 mg·L-1和10.23 mg·L-1降至26.53 mg·L-1、70.58 mg·L-1和0.15 mg·L-1, 其数量降低的绝对值分别为103.51 mg·L-1、60.27 mg·L-1、10.08 mg·L-1。王钰舟等[25]利用啤酒废水培养极大螺旋藻(), 啤酒废水中的NO3--N浓度从21.03 mg·L-1降至1.15 mg·L-1, 去除率达到94.53%, 但啤酒废水中的初始NO3--N浓度远低于本研究养殖尾水的浓度水平, 相比较而言, 在本研究中钝顶螺旋藻SP1对NO3--N绝对去除效果更佳。CAN等[10]利用稀释75%的养猪废水培养螺旋藻20 d, 将废水中约为25.39 mg·L-1的PO43--P去除了99%, 本研究与其结果相似, 螺旋藻在第8d对养殖尾水中PO43--P的去除率达98.55%。可见, 螺旋藻能够有效去除水体中的磷酸盐。在养殖尾水中NH4+-N初始浓度较低, 螺旋藻对NH4+-N浓度从0.32 mg·L-1降至0.01 mg·L-1, 降解率达97.31%, 与刘如冰等[26]利用螺旋藻()去除水体中92.49%NH4+-N报导结果相似。在本研究中NH4+-N、NO2--N浓度出现了阶段性升高状况, 这可能是因为实验系统中发生了反硝化过程所致。其实, 在生物絮团的集约化养殖过程中做好对菌群硝化功能的有效调控, 即可使水中的NH4+-N、NO2--N得到快速降解[27-28]。综合对比, 螺旋藻SP1对养殖尾水、BG11培养液中氮磷营养的绝对去除效果更佳, 究其原因可能是养殖尾水中的N:P约为13:1, BG11培养液中N:P约为60:1, 而N:P约为13:1的环境更适合藻类生长[29]。
螺旋藻对生物絮团养殖尾水中氮磷的去除效果优于颤藻, 且能在集约化养殖尾水中正常生存; 螺旋藻由单细胞或多细胞组成, 体长200—500 μm, 宽5—10 μm, 圆柱形, 呈疏松或紧密的有规则的螺旋形弯曲[30], 这种丝状结构在尾水处理后较其他常见水处理藻种如小球藻()[31-32]、栅藻()[33-34]等更易于回收; 螺旋藻属于有益蓝藻, 不会释放有害蓝藻毒素, 营养丰富全面, 常作为养殖动物的饵料和饲料添加剂[6-7]。综上所述, 可以将螺旋藻作为集约化养殖尾水净化的备选藻株。
在养殖后期, 养殖池环境稳定且氮磷营养丰富的情况下, 颤藻具有较高的生态竞争能力, 极易形成优势种类, 危害水产动物的生长[4,35]。颤藻水华极易引发“倒藻”, 可导致大量羟胺、硫化物等有毒物质释放, 会造成对养殖生物造成影响甚至死亡[36-37]。螺旋藻作为养殖水体后期一种有益优势蓝藻, 在进一步尝试利用其处理养殖尾水的同时, 在养殖过程中, 建立以螺旋藻为优势种的藻相结构, 抢占有害微藻生态位, 利用种间竞争培育优良微藻来控制有害微藻的大量滋生, 也可作为养殖环境调控的方向之一。
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Removal effect ofSP1 on the inorganic nitrogen and phosphorus from the intensive aquaculture tailwater
LU Min1,2, CAO Yucheng1,2,3, HU Xiaojuan2,3, XU Yunna2, SUN zhiwei2, ZHANG Jianshe1, WEN Guoliang1,2*
1. Zhejiang Ocean University, National Engineering Research Center for Marine Aquaculture, Zhoushan 316022, China 2. South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of South China Sea Fishery Resources Exploitation & Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Key Laboratory of Fishery Ecology and Environment, Guangzhou 510300, China 3. Shenzhen Base of South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shenzhen 518121, China
Aiming at the high concentration of nitrate and phosphate in the tailwater of intensive aquaculture in the late stage, the removal effect of inorganic nitrogen and phosphorus in the biofloc culture tailwater (BFW) and BG11 medium (BGW) bySP1 and its growth were studied compared withOC1, a dominant microalgal species in ponds. The results showed that bothandsignificantly removed nitrate nitrogen (NO3--N), total inorganic nitrogen (TIN) and phosphate (PO43--P) of BFW (< 0.05). The maximum removal rate for NO3--N, TIN and PO43--P bywas 79.60%, 46.06% and 98.55%, respectively, and the corresponding concentrations for NO3--N, TIN and PO43--P decreased from 130.04 mg·L-1, 130.85 mg·L-1and 10.23 mg·L-1to 26.53 mg·L-1, 70.58 mg·L-1and 0.15 mg·L-1; the absolute value of the decrease in the number was 103.51mg·L-1, 60.27 mg·L-1,10.08 mg·L-1, respectively. The removal rates for TIN and PO43--P bywere similar to those by. However, the removal rate forNO3--N bywas slightly lower than that by. The removal effects on nitrogen and phosphorus by two microalgal species in the BGW were lower than those in the BFW. No significant change was found for densityfor two microalgal species during the experiment (>0.05). The results indicate that bothSP1 andOC1 can grow in the BFW and BGW, and both of them have good removal effects on nitrogen and phosphorus in water environment. Althoughis also a common dominant microalgal species in water environment of intensive aquculture, it can excrete cyanobacterial toxins. Therefore,can be used as an alternative microalgal strain for purification of tailwater in the intensive aquaculture considering the feasibility of aquaculture application.
intensive aquaculture; tailwater; nitrogen; phosphorus
10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.016
X703.1
A
1008-8873(2021)02-125-08
2019-10-02;
2019-11-11
中国水产科学研究院南海水产研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2019TS06); 现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-48); 广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金(2019KJ149); 广东省促进经济发展专项资金(现代渔业发展用途)(粤农2019B12)
鲁敏(1994—), 女, 山东德州人, 硕士研究生, 主要从事养殖尾水菌藻净化研究, E-mail: lumin152133@163.com
文国樑(1978—), 男, 硕士, 研究员, 主要从事对虾健康养殖研究 E-mail: wgl610406@163.com
鲁敏, 曹煜成, 胡晓娟, 等. 钝顶螺旋藻SP1()对集约化养殖尾水氮磷的去除效果[J]. 生态科学, 2021, 40(2): 125–132.
LU Min, CAO Yucheng, HU Xiaojuan, et al. Removal effect ofSP1 on the inorganic nitrogen and phosphorus from the intensive aquaculture tailwater[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 125–132.