微生物固定化載體篩選及其水質處理效果研究

朱 曦，衣萌萌，王 淼，盧邁新

(1. 大連海洋大學水產與生命學院，大連 116023；2. 中國水產科學研究院珠江水產研究所,農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室，廣州 510380)

微生物固定化載體篩選及其水質處理效果研究

朱 曦1,2，衣萌萌2，王 淼2，盧邁新2

(1. 大連海洋大學水產與生命學院，大連 116023；2. 中國水產科學研究院珠江水產研究所,農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室，廣州 510380)

固定化載體；蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)；負載性能；水質

2015年中國水產品總產量6 699.65萬噸，比上年增長3.69%，漁業產值11 328.70億元，其中水產養殖產值8 274.78億元，占漁業產值73.05%，可見水產養殖在全國漁業中占據重要地位[1-2]。但隨著水產養殖業的迅速發展，養殖過程中過量輸入的氮、磷等引起的水質污染問題日益嚴重[3-4]。

目前，對養殖水體的處理方法主要有物理法、化學法及生物法，其中生物法中的微生物法具有成本低，污染小，操控簡單，修復時間短等優勢[5]，被研究者廣泛應用[6-8]。但懸浮微生物法存在啟動慢、菌體易流失、對激烈的水力條件變化敏感等缺陷[9]，而固定化微生物法與之相比，具有反應啟動快、操作穩定、效率高、反應易控、對環境耐受強等優點[10-12]，因此在養殖廢水處理中具有廣闊的應用前景[13-15]。篩選得到吸附能力強、穩定、廉價、無污染的微生物載體成為微生物修復研究方面的熱點之一[16]。

1 實驗材料與方法

1.1 蠟樣芽孢桿菌來源

實驗所用蠟樣芽胞桿菌(NY5株)可有效降低水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度，并對硝酸鹽氮也有一定的處理效果[18]。

1.2 不同載體對NY5的吸附

分別稱量10 g沸石、火山石、陶環、牡蠣殼、核桃殼，放入250 mL三角瓶中，滅菌后烘干備用。挑取NY5單菌落至LB液體培養基，170 r/min，30 ℃培養12 h后計數，分別將200 mL菌液倒入三角瓶中浸泡載體并靜置，對照組添加等體積的LB液體培養基，每組設3個平行。分別在2、4、6、8、12、24 h對實驗組和對照組進行計數，通過同一時間點實驗組和對照組菌數之差確定載體在該時間對NY5的載菌量，并繪制相應的吸附曲線，將載菌量最高的時間作為最佳吸附時間。載菌量計算公式為：

Yn=(C0-Cn)×V/G

其中，Yn為nh的載菌量(CFU/g)，C0為菌液初始濃度(CFU/mL)，Cn為nh的菌液濃度(CFU/mL)，V為菌液體積(mL)，G為載體質量(g)。

1.3 固定化NY5處理養殖廢水

分別取60 g五種載體并用白色紗布包裹后裝入燒杯，滅菌后烘干備用。挑取NY5單菌落至LB液體培養基，170 r/min，30 ℃培養12 h后計數。分別將500 mL菌液倒入裝有載體的燒杯浸泡，并計算載體對NY5的吸附量(浸泡時間依據1.2 中的最佳吸附時間)。

表1 羅非魚養殖池塘廢水初始水質指標Tab.1 The initial water quality indicators of wastewater of Tilapia aquaculture ponds mg/L

1.4 水質指標檢測方法

1.5 數據分析

采用SPSS 17.0軟件對同一取樣時間點的各組數據進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，最終數據以平均值±標準差的形式表示，通過Duncan對比同一時間點不同處理的差異，字母不同表示各組間存在顯著性差異，以P<0.05作為差異顯著性檢驗水平。數據經SPSS 17.0軟件的描述統計進行標準化處理后，通過因子分析進行主成分分析，并通過綜合評價函數(F)評價水質處理效果[20-21]。

2 結果與分析

2.1 不同載體對NY5的吸附性能曲線

不同載體對NY5的吸附性能見圖1。隨著實驗的進行，各組載體載菌量總體呈先上升再下降最終趨于平緩的趨勢。沸石、火山石、陶環及牡蠣殼4種載體均在6 h時對NY5的吸附量達到最大，載菌量分別為1.25×109、6.88×108、8.57×108、 8.97×108CFU/g。核桃殼在4 h時出現最大載菌量，為8.37×108CFU/g，而6 h時也維持了較高的載菌水平，因此將6 h視為所有載體的最佳吸附時間。

圖1 各載體載菌量隨時間的變化Fig.1 The bacteria adsorption capacity of different carriers over time

2.2 固定化NY5對養殖廢水各指標處理效果

圖2 不同處理組水體 -N濃度隨時間變化Fig.2 The -N concentration of different treatment groups over time 字母不同表示同一時間不同處理間存在 顯著差異(P<0.05)，下同。

圖3 不同處理組水體 -N濃度隨時間變化Fig.3 The -N concentration of different treatment groups over time

2.2.3 固定化NY5對養殖廢水TN的處理效果

各實驗組TN濃度隨時間變化如圖4所示。第7天時火山石NY5組、陶環NY5組、牡蠣殼NY5組、核桃殼NY5組TN濃度均顯著低于空白對照和游離NY5組，其中牡蠣殼NY5組TN濃度與空白對照相比降低36.77%。第14天時游離NY5組、核桃殼NY5組和火山石NY5組TN濃度與空白對照相比分別降低36.58%、47.64%、51.64%。第21天時沸石NY5組、陶環NY5組、牡蠣殼NY5組、核桃殼NY5組TN濃度均低于空白對照，但差異不顯著，第28天和35天，除游離NY5組外，其他實驗組TN濃度均低于空白對照，但差異不顯著。

圖4 不同處理組水體TN濃度隨時間變化Fig.4 The TN concentration of different treatment groups over time

圖5 不同處理組水體 -N濃度隨時間變化Fig.5 The -N concentration of different treatment groups over time

2.2.5 固定化NY5對養殖廢水COD的處理效果

各實驗組COD濃度隨時間變化如圖6所示。第7天時各固定化NY5實驗組COD濃度均低于空白對照和游離NY5組，其中沸石NY5組、火山石NY5組及核桃殼NY5組COD濃度與空白對照相比分別降低42.52%、46.46%、36.22%。第14天時火山石NY5組COD濃度顯著低于空白對照和游離NY5組。第21天時火山石NY5組、陶環NY5組、牡蠣殼NY5組COD濃度均低于空白對照，但差異不顯著。第28天時沸石NY5組、牡蠣殼NY5組COD濃度均低于空白對照，但差異不顯著。第35天時火山石NY5組COD濃度顯著低于空白對照和游離NY5組，而沸石NY5組及牡蠣殼NY5組COD濃度雖均低于空白對照，但差異不顯著。

圖6 不同處理組水體COD濃度隨時間變化Fig.6 The COD concentration of different treatment groups over time

2.3 固定化NY5對養殖廢水處理效果的綜合評價

本實驗測定的水質指標較多，但是單獨的某個指標無法代表水質的整體處理效果。主成分分析法及綜合評價函數通過降維處理對多維變量進行綜合和簡化，可以較為準確地了解各實驗組的綜合表現，吉祝美等[22]在研究中詳述了綜合評價函數在水質綜合評價中的應用，因此為分析各實驗組對養殖廢水的綜合處理效果優劣，本實驗采用主成分分析法提取各時間段各實驗組水質指標的主成分，并通過綜合評價函數(F)對養殖廢水處理效果進行綜合評價。

表2 各實驗組對養殖廢水的綜合處理效果Tab.2 Comprehensive treatment effect of each group on the aquaculture wastewater

續表2

注：F1、F2、F3分別為第一主成分、第二主成分、第三主成分。

實驗各載體NY5組水質綜合評價結果見表1，排名最后5位的依次是第28天時的牡蠣殼NY5組、第21天時的火山石NY5組、35 d時的牡蠣殼NY5組、第14天時的牡蠣殼NY5組和第35 d時的火山石NY5組，說明這幾個實驗組在相應時間點水質綜合處理效果較好，水質得到改善，其中第35天時的火山石NY5組得分排名最后，說明第35天火山石NY5組水質綜合處理效果最好。排名前5位的依次是第7 天時的游離NY5組、第28天時的核桃殼NY5組、第7天時的空白對照、第7 天時的陶環NY5組和第7 d時的沸石NY5組，說明這幾個實驗組相應時間點水質較差，其中第7天時的游離NY5組排名最前，說明第7 天游離NY5組水質綜合處理效果最差。

3 討論

3.1 各載體載菌能力

載體載菌的數量主要受其種類、比表面積和內部結構的限制[23]。本實驗結果顯示，所選取的各載體載菌能力依次為沸石>牡蠣殼>核桃殼>陶環>火山石。有研究表明，沸石具有多維孔道體系以及獨特的化學性質，因此具有很好的表面吸附性能[24]。而牡蠣殼具有棱柱層、葉片狀結構，因此具備良好的吸附和包接能力。這兩種材料的特性均為NY5提供了更多的附著位點，因此具有相對較高的載菌能力。盡管各種載體的最大載菌量有差距，但是本實驗所選取的沸石、牡蠣殼、核桃殼、陶環和火山石這五種載體對NY5的單位最大負載量均大于108CFU/g，表明這五種載體對NY5的負載性能都比較好，均可用于固定化NY5處理養殖廢水的進一步研究。

3.2 不同固定化NY5組對養殖廢水處理效果

3.3 不同固定化NY5組對養殖廢水的綜合處理效果評價

由于各固定化NY5組在不同的水質指標處理方面的優劣各異，為綜合評價各載體固定化NY5對養殖廢水的處理效果，本實驗通過主成分分析、引入綜合評價函數(F)量化描述各實驗處理對養殖廢水的綜合處理效果。魯斐等[33]在研究中通過這種方法對遼河的水質狀況進行評價，郭翔云等[34]通過這種方法對白洋淀水質狀況進行評價。而在本實驗中，通過綜合評價可以看出，各固定化NY5組對養殖廢水的綜合處理效果較好，其中火山石NY5組和牡蠣殼NY5組對養殖廢水的水質改善效果尤為突出，相較于游離NY5也有明顯的優勢，該結果與賈燕等[35]用固定化硝化細菌去除氨氮結果類似。可見火山石、牡蠣殼是在微生物固定化修復中具有良好潛力的載體，同時這兩種材料又具有廉價、穩定、無污染的優點。因此建議在使用益生菌處理養殖廢水時結合火山石、牡蠣殼以得到更長期、穩定的效果。

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(責任編輯：鄧 薇)

Studies on screening of immobilized-microbe carriers and their effects for aquaculture wastewater treatment

ZHU Xi1,2, YI Meng-meng2, WANG Miao2, LU Mai-xin2

(1.CollegeofFisheriesandLifeScience,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China2.PearlRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisheriesScience;KeyLaboratoryofTropical&SubtropicalFisheryResourceApplication&Cultivation,MinistryofAgriculture,Guangzhou510380,China)

immobilized carrier;Bacilluscereus; carrying capacity; water quality

2017-01-06；

2017-03-17

現代農業產業技術體系專項資金 (CARS-49);廣東省海洋漁業科技與產業發展專項科技攻關與研發項目(A201401B04)

朱 曦(1990- )，男，碩士研究生，專業方向為水產健康養殖技術。E-mail：zhuxi040471@163.com

盧邁新。 E-mail: mx-lu@163.com

S959

A

1000-6907-(2017)03-0058-08