不同水质调控方式对海参池塘沉积物酶活性的影响

王祖峰，李东萍，鲁晓倩，毕丽仙，周玮

（1.全国水产技术推广总站，中国水产学会，北京 100125；2.中国农业大学，北京 100083；3.上海安谱实验科技股份有限公司，上海 200000；4.大连海洋大学，辽宁 大连 116023）

池塘沉积物是水体沉降作用在池底表面形成的活性物质[1,2]，是水生生态系统物质迁移转化的最重要组分之一[3]。沉积物中的酶是物质循环和能量代谢的主要参与者，在养殖水体的有机质降解、营养元素的循环和转换中发挥重要作用[1,4-13]。常用脲酶活性评价沉积物向水体供应无机氮的能力。相关研究认为，养殖池塘沉积物的脲酶活性与水体中NH4+-N 含量呈显著负相关[14]。张宇等[15]报道，富营养化程度较为严重的大通湖脲酶活性（0.41 mg/g）显著高于富营养化程度轻的湖泊脲酶活性[0.29～0.32 mg/（g·d）]。脱氢酶活性多用于分析沉积物活性微生物量及其对有机物降解活性的能力。伏小勇等[16]利用蚯蚓处理污泥时发现，脱氢酶活性和有机质存在显著正相关性（P＜0.01），当微生物量提高80%时加速了有机质的降解，后期脱氢酶稳定在1.03mg/（g·h）。磷酸酶活性通常反映沉积物有机磷的分解能力，或体现沉积物供磷能力。田秀平等[17]报道，两种池塘中酸性磷酸酶活性与中等活性有机磷之间均呈显著正相关，两池塘相关系数分别为0.8559 和0.8269。李越蜀等[18]比较了不同养殖模式池塘，认为水质好的池塘沉积物中脲酶、脱氢酶、磷酸酶活性明显较低。因此，在不同的沉积物有机质环境下，脲酶、脱氢酶、磷酸酶与微生物活性密切相关且反应灵敏，是反映环境质量，指导水产养殖生产的有效指标。酶活性与沉积物氮、磷和有机物代谢关系密切。

海参养殖是我国北方海水养殖的支柱产业之一，2019 年全国养殖面积已达24.67×104hm2，产量17.17×104t[19]，其中池塘养殖是人工养殖主要方式，在产业发展中占据重要地位。利用潮汐水位变化，自然纳潮换水是传统池塘养殖唯一的水质调控方式，引发了生产波动，甚至海参死亡事件时有发生[20]。长期以来，研发有效的水质调控技术，摆脱靠天吃饭的管理困境是海参养殖稳产高产的关键。2007 年刘勃、蒋国春等[21,22]从提高溶解氧的角度开发了微孔曝气水质调控技术，用管道向池塘底部输入高压空气，可将水体溶氧含量提高2～3 mg/L，改善水质效果显著，但该技术应用后气孔堵塞而无法维护等问题严重限制了微孔曝气技术的应用[20]。本团队在研究温盐跃层导致海参死亡课题中，研发了养水机[23]水质调控技术，旨在强制池塘上下层水体交换打破跃层，同时利用益生菌作用，实现水质调控。前期研究显示，在养水机调控下，温盐跃层现象有效减少，沉积物有机质量降低，微生物多样性增加，促进营养盐释放，生产上海参成活率可提高到95%，单产可提高30%[24]。

本试验通过测定自然纳潮、微孔曝气、养水机三种水质调控方式下的海参池塘沉积物中脲酶、脱氢酶、酸性磷酸酶、微生物活性和有机质含量的周年变化，比较三种水质调控方式的效果，进一步分析养水机调控水质的机理，以期为养水机的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验池塘

试验在辽宁省庄河市大连宝发海珍品有限公司长605 m、宽85 m、深1.2～2.0 m 的9 口海参池塘中进行。池塘泥沙底质，均匀铺设海参网礁，南北各有一进、排水闸门，每月大潮期间（初一、十五）换水3～5 d。各池塘内海参放养规格、密度相同，试验期间不投饵、不投药，统一管理。试验池塘采用三种水质调控方式：自然纳水；池底铺设微孔曝气微装置，当池塘缺氧时，0.15 W/m2空压机开始工作；池塘最深处安置功率750 W 的养水机，每天从21:00～次日9:00 工作12 h。每种水质调控方式池塘各3 个。

1.2 养水机结构与原理

养水机[CN200620006141.5]主要分为四部分：进水组件[CN2016213645 76.7]、生物包、水动力装置和养殖池塘专用喷头[CN201410415402.8][23]。

1.3 试验方法

2017 年1 月—12 月，每月大潮前3～5 d 在池塘南端最深处采样。

沉积物采集：参照《海洋调查规范》（GB/T12763-2007）第6 部分规定的方法采样。在采样点用直径5 cm 圆形柱状采泥器采集5 cm 底泥3 份，装入灭菌自封袋，4℃冷藏带回实验室，去除样品中根系、贝壳等杂质，风干至恒重后研磨、过筛绢（100 目）、混匀装袋，4℃下保存待测。

酶活性测定：按照关松荫[25]的方法，采用比色法测定脲酶活性、氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法测定脱氢酶活性、磷酸苯二钠比色法测定酸性磷酸酶活性。按照金相灿[3]的方法，采用荧光素双醋酸酯法测定微生物活性。按照重铬酸钾还原—容量法（GB17378.5-2007）测定有机质含量。相关试剂材料购自上海索桥生物科技有限公司。

数据处理：取每种水质调控的3 个平行池塘的平均数。使用Excel 2013 和SPSS17.0 对试验数据进行处理和方差分析，以皮尔森系数表示相关性，P＜0.05 为相关，P＜0.01 为极相关。

2 结果与分析

2.1 不同水质调控方式池塘沉积物中脲酶活性的周年变化

由图1 可知，三种池塘沉积物脲酶活性全年变化趋势较一致，整体活性范围在95.00～279.42 U/g之间，1—4 月脲酶活性（180.66～279.42 U/g）高于5—12 月（95.00～249.70 U/g）。自然纳水池塘以1月、2 月、3 月、4 月和9 月为代表8 次处于最高水平，10 月、12 月处于最低水平；微孔曝气池塘以2月、3 月、4 月、9 月为代表8 次处于中间水平，6 月、7 月、10 月、12 月4 次处于最高水平；养水机池塘10 次处于最低水平，仅10 月、12 月处于中间水平。变化趋势表明，3 月微孔曝气池塘和养水机池塘显著大跌至223.48 U/g 和195.51 U/g，7 月微孔曝气池塘和自然纳潮池塘显著上涨到187.65 U/g 和171.04 U/g，9 月自然纳潮池塘显著增长到249.70 U/g，10月下降到年较低值122.10 U/g。三种水质调控方式下池塘沉积物脲酶活性波动极差值由高至低依次为：自然纳潮（181.79 U/g）＞微孔曝气（147.71 U/g）＞养水机（131.10 U/g）。

2.2 不同水质调控方式池塘沉积物中脱氢酶活性的周年变化

由图2 可知，三种池塘沉积物脱氢酶活性全年变化趋势较一致，活性范围在1.50～36.84 U/g 之间。7—9 月脱氢酶活性（20.33～36.84 U/g）高于1—6 月和10—12 月（1.50～25.17 U/g）。自然纳潮池塘在1—7 月、10 月、12 月为代表9 次处于最高水平，8月处于中间水平，9 月、11 月处于最低水平；微孔曝气池塘以1 月、3 月、5—7 月、9 月、10 月为代表7次处于中间水平，8 月1 次处于最高水平，2 月、4月、12 月3 次处于最低水平；养水机池塘1 月、3月、5—8 月、10 月、11 月8 次处于最低水平，2 月、4月、12 月3 次处于中间水平，9 月1 次处于最高水平。从变化趋势比较上看，1—5 月自然纳潮池塘显著高于另外两组。三种方式全年波动趋势基本一致，波动极差值微孔曝气（35.34 U/g）＞养水机（26.67 U/g）＞自然纳潮（23.84 U/g）。

2.3 不同水质调控方式池塘沉积物中酸性磷酸酶活性的周年变化

由图3 可知，三种池塘沉积物酸性磷酸酶活性全年变化趋势不一致，活性范围在87.27～973.38 nmol/（g·h）之间。自然纳潮池塘沉积物中酸性磷酸酶活性年变化范围为134.26～839.12 nmol/（g·h），极差为704.86 nmol/（g·h），平均值为470.47 nmol/（g·h）；微孔曝气池塘沉积物酸性磷酸酶活性年变化范围为208.10～973.38 nmol/（g·h），极差为765.28 nmol/（g·h），平均值为564.80 nmol/（g·h）；养水机池塘沉积物酸性磷酸酶活性年变化范围为87.27～537.04 nmol/（g·h），极差为449.77 nmol/（g·h），平均值为303.14 nmol/（g·h）。三种调控方式相比，养水机池塘沉积物酸性磷酸酶活性年平均值最小，波动最小；微孔曝气池塘沉积物酸性磷酸酶活性年平均值最大，波动最大。

图3 试验池塘沉积物酸性磷酸酶活性周年变化Fig.3 The annual changes in acid phosphatase activity in sediments of the experimental ponds

2.4 不同水质调控方式池塘沉积物中微生物活性的周年变化

由图4 可知，三种池塘沉积物中微生物活性全年变化趋势大致一致，活性范围在1.66～14.81 μg/（g·min）之间。自然纳潮、微孔曝气和养水机三种池塘沉积物微生物活性均在3 月达最大值，分别为8.71 μg/（g·min）、14.81 μg/（g·min）和7.68 μg/（g·min），10 月达最低值，分别为2.24 μg/（g·min）、3.16 μg/（g·min）和1.66 μg/（g·min）。自然纳潮池塘沉积物微生物活性年变化极差为6.47 μg/（g·min），平均值为4.73 μg/（g·min）；微孔曝气池塘沉积物微生物活性年变化极差为11.65 μg/（g·min），平均值为7.38 μg/（g·min）；养水机池塘沉积物微生物活性年变化极差为6.02 μg/（g·min），平均值4.60 μg/（g·min）。三种调控方式相比，养水机池塘沉积物微生物活性年平均值最小，波动最小；微孔曝气池塘沉积物微生物活性年平均值最大，波动最大。

图4 试验池塘沉积物中微生物活性的周年变化Fig.4 The annual changes in microbial activity in sediments of the experimental ponds

2.5 不同水质调控方式池塘沉积物有机质含量周年变化

由图5 可知，三种池塘沉积物中有机质全年变化趋势不一致，含量范围在0.07%～2.60%之间。自然纳潮池塘沉积物有机质含量年变化范围为1.05%～2.18%，极差为1.13%，平均值为1.54%；微孔曝气池塘沉积物有机质含量年变化范围为1.19%～2.60%，极差为1.41%，平均值为1.89%；养水机池塘沉积物有机质含量年变化范围为0.07%～2.04%，极差为1.97%，平均值为1.07%。三种调控方式相比，养水机池塘沉积物有机质含量年平均值最小，微孔曝气池塘沉积物有机质含量年平均值最大。

图5 试验池塘沉积物有机质含量周年变化Fig.5 The annual changes of organic matter contents in sediments of the experimental ponds

3 讨论

3.1 三种水质调控方式池塘沉积物酶活性周年变化分析

本试验三种水质调控方式池塘沉积物中脲酶、脱氢酶、酸性磷酸酶活性的周年变化趋势与相关研究结论基本一致。相关研究认为，酶活性受温度影响最大，水温升高可促进沉积物微生物的活动，表现为酶活性的增大[26-28]。甘茂林等[29]认为，有机质也可以影响池塘沉积物中脲酶活性，大亚湾网箱养殖区表层沉积物有机质含量高于非养殖区35.2%，伴随着细菌降解作用，脲酶活性明显高出其他站位50.7%。本试验中5—7 月，池塘沉积物微生物活性和有机质含量均处于较低水平，因而其脲酶活性明显处于低位。刘梅等[30]、黄睿智[31]认为，植物或藻类对有机质降解也是影响池塘沉积物中脱氢酶活性的重要原因。有机物降解时，微生物量增加，脱氢酶活性缓慢增加。藻类和外源输入因子的季节变化，产生的分泌物和外源营养物质向沉积物的输入差异，可以带来与本研究一致的池塘沉积物脱氢酶活性的季节差异。P 浓度也是影响沉积物酸性磷酸酶活性的重要原因[32-34]，酸性磷酸酶可促进有机磷分解生成无机磷。沉积物磷浓度低时，酶作为催化剂使反应向正方向移动，酸性磷酸酶活性持续升高。本研究中沉积物微生物活性和有机质研究结果，较好地体现在沉积物脲酶、脱氢酶、酸性磷酸酶活性中，整体上形成了因果关系。但是，在有机质降解过程中三种酶与菌群结构的对应关系，菌群结构与有机质中营养元素的对应关系尚需要进一步研究。

3.2 三种水质调控方式池塘沉积物酶活性比较

海参养殖池塘环境会发生极大的变化，沉积物酶活性对环境变化敏感，活性变化可以及时反映出沉积物质量的变化。三种水质调控方式比较表明，养水机调控的池塘水体指标值均处于最低值，自然纳潮调控方式的脲酶、脱氢酶两项指标值的交替变化中略显优势，微孔曝气方式的酸性磷酸酶活性、微生物活性、有机质含量指标值的交替变化中略显优势。根据甘茂林等[29]、刘梅等[30]、黄睿智[31]、蔡树美等[34]观点，在微生物对沉积物有机质的降解过程中，微生物指标受温度和有机质水平的影响，影响了脲酶、脱氢酶、酸性磷酸酶的活性，可以在养水机调控方式相关观测结果中得到系统印证。本研究中，微孔曝气池塘沉积物初始有机质含量（2.60%）显著高于另外两种池塘（自然纳潮池塘1.33%，养水机池塘1.33%，P＜0.05），微孔曝气调控方式在脲酶、脱氢酶、酸性磷酸酶、微生物活性等指标值的交替变化与沉积物中有机质含量波动有关。

3.3 三种水质调控方式对沉积物作用机理分析

在三种水质调控方式中，纳潮换水方式海参池塘获得的沉积物有机质量最上，在沉积物有机质自然沉降，但跃层现象会影响沉降效果；微孔曝气方式是高压空气从池底充入，气泡与水体接触增加了水体溶解氧，也对水体形成了扰动；养水机方式是在动力作用下将表层海水由底层射出，强制形成水体对流，也对水体形成了一定的扰动[23,35,36]，这两种方式均能破坏水体跃层现象。皮坤等[37]、任贻超[38]、赵文等[39]研究表明，水体内部的扰动有助于悬浮颗粒物质的沉积，导致沉积有机质含量的增加。从这个层面上看，微孔曝气方式和养水机方式都会导致池塘由纳潮而引入池塘的有机质沉积量增加。然而，对上述三种水质调控池塘能量代谢周年比较发现，养水机池塘的N、P 代谢全年均处于由池底沉积物向上层水体释放的状态，而自然纳潮方式和微孔曝气方式在3 月、7 月、8 月则处于由上层水体向池底沉积物积累的状态（另文报道）。由此可以解释养水机沉积物有机质含量最低的原因。本试验结果显示，微孔爆气池塘沉积物有机质含量最高，这与大部分学者的研究结果不同，分析原因除了微孔爆气池塘初始有机质含量最高外，可能还由于试验过程中，微孔爆气过程不及时或时间较短，影响了对沉积物有机质的分解能力。

结论：养水机能明显降低沉积物酶活性、微生物活性和沉积物有机质含量，周年变化相对稳定，有效降低水质富营养化水平，改善水质，为海参生长提供良好的环境。实际生产中，兼顾海参健康生长和降低养殖成本，应在海参最适生长时期坚持使用养水机，在春季冰层融化和秋季结冰前适当延长养水机工作时间，池塘结冰后可暂停使用。