深井循環(huán)加壓對(duì)養(yǎng)殖塘藍(lán)藻控制及機(jī)制研究*

周 越 叢海兵，# 鄢 琪 任 翱 徐 湖 徐亞軍

(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.蘇州九久福環(huán)保科技有限公司，江蘇 蘇州 215316)

深井循環(huán)加壓對(duì)養(yǎng)殖塘藍(lán)藻控制及機(jī)制研究*

周 越1叢海兵1，2#鄢 琪1任 翱1徐 湖2徐亞軍2

(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.蘇州九久福環(huán)保科技有限公司，江蘇 蘇州 215316)

為控制養(yǎng)殖業(yè)中藍(lán)藻泛濫現(xiàn)象，通過(guò)生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究深井循環(huán)加壓對(duì)羅氏沼蝦養(yǎng)殖塘的處理效果。結(jié)果表明：深井循環(huán)使藻類葉綠素a平均質(zhì)量濃度降低60.5%，藻細(xì)胞總量降低77.8%；養(yǎng)殖塘水深1.60～2.00m，處理塘在水深≤1.00m時(shí)藻類凈生長(zhǎng)，>1.00m則凈衰亡；深井循環(huán)加壓法只能控制微囊藻(Microcystissp.)生長(zhǎng)。該法控制藍(lán)藻繁殖的機(jī)制是，藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的氣囊在深井底部受到水壓作用而破裂，失去氣囊浮力的藍(lán)藻回到養(yǎng)殖塘后不能懸浮于水面生長(zhǎng)，而是下沉到水底，從而減少了藻細(xì)胞總量，有效降低繁殖基數(shù)。

羅氏沼蝦養(yǎng)殖塘 深井循環(huán)加壓 藍(lán)藻

江蘇省高郵市擁有全國(guó)最大羅氏沼蝦養(yǎng)殖塘。每年羅氏沼蝦養(yǎng)殖旺季，過(guò)量飼料及蝦排泄物給藍(lán)藻的快速生長(zhǎng)繁殖提供了充足營(yíng)養(yǎng)，藍(lán)藻迅速成為養(yǎng)殖塘的優(yōu)勢(shì)藻種，由于藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)存在可以提供浮力的氣囊[1-2]，在水面大量繁殖形成數(shù)厘米厚的藍(lán)藻漿[3]，太陽(yáng)暴曬后腐爛發(fā)臭，消耗水體溶解氧，釋放藻毒素[4-6]，嚴(yán)重影響羅氏沼蝦養(yǎng)殖，威脅食品安全。

目前，養(yǎng)殖塘控藻法有化學(xué)殺藻和生物制劑抑藻。化學(xué)殺藻劑如硫酸銅、次氯酸鈉、二氧化氯等，投藥同時(shí)需采用延長(zhǎng)增氧機(jī)工作時(shí)間、加強(qiáng)夜間巡邏等措施防止死藻在池底發(fā)酵產(chǎn)生有害物。投藥后藻類短時(shí)間集中死亡，但隨著藥性揮發(fā)，新的藻類快速繁殖。藥法控藻耗費(fèi)大量人力、財(cái)力，不能從源頭解決問(wèn)題，且污染水體，破壞原有的生態(tài)平衡，不易被養(yǎng)殖戶接受。實(shí)際生產(chǎn)中大多養(yǎng)殖戶將藍(lán)藻漿抽排到外河，對(duì)水環(huán)境造成了更嚴(yán)重的污染[7-9]。研究表明，藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊可承受0.4～0.7 MPa外界壓力，超過(guò)此范圍的壓力使氣囊發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破裂，藍(lán)藻因失去浮力下沉[10-11]。本研究采用物理加壓循環(huán)技術(shù)處理養(yǎng)殖水，控制藍(lán)藻生長(zhǎng)繁殖。

1 工程系統(tǒng)與研究方法

1.1 研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在高郵市某羅氏沼蝦養(yǎng)殖塘，時(shí)間2015年7-9月，養(yǎng)殖塘水深1.60～2.00 m，長(zhǎng)180 m，寬70 m。深井循環(huán)加壓同時(shí)處理4個(gè)養(yǎng)殖塘，面積共50 662 m2。4個(gè)養(yǎng)殖塘循環(huán)連通，水質(zhì)基本相同，因此只選擇其中一個(gè)養(yǎng)殖塘取樣，代表處理塘。同時(shí)，另外選擇一個(gè)未經(jīng)處理的養(yǎng)殖塘作對(duì)照塘，同步取樣監(jiān)測(cè)。養(yǎng)殖塘6月初充水放苗，9月中旬養(yǎng)殖結(jié)束。放養(yǎng)羅氏沼蝦23尾/m2，期間共3次捕撈作業(yè)，捕撈時(shí)向外排水，水深控制在1 m左右，捕撈結(jié)束后從外河補(bǔ)水。實(shí)驗(yàn)期間測(cè)得養(yǎng)殖塘水溫24.2～31.0 ℃，pH 7.84～8.45。

1.2 示范工程系統(tǒng)

工程布置見(jiàn)圖1，包括深井、進(jìn)水管、布水管、輸水管。處理塘一端鉆孔安裝深井，其兩側(cè)連接進(jìn)水管(直徑377 mm)。垂直于進(jìn)水管方向，由輸水管將養(yǎng)殖塘水引出，輸送到養(yǎng)殖塘另一端，輸水管、布水管直徑分別為529、377 mm。深井由兩個(gè)同心的內(nèi)外井組成，外井底部封閉，內(nèi)井底部開(kāi)口。外、內(nèi)井直徑分別為663、377 mm，井深80 m。進(jìn)水管與內(nèi)外井間的環(huán)形通道相通，布水管與內(nèi)井連通。內(nèi)井中安裝軸流泵(功率7.5 kW)，將內(nèi)井中的水抽送至布水管，形成從養(yǎng)殖塘一端—深井—養(yǎng)殖塘另一端的水循環(huán)。循環(huán)水流量395 m3/h，每隔6天可把養(yǎng)殖塘內(nèi)的水都循環(huán)一次。

圖1 工程布置Fig.1 Engineering layout

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 養(yǎng)殖塘藻類葉綠素a濃度

在處理、對(duì)照塘內(nèi)各取3行3列9個(gè)點(diǎn)的豎向水樣(見(jiàn)圖1)，將9個(gè)點(diǎn)的水樣各自混合后得到該塘的混合水樣，測(cè)定混合水樣的葉綠素a濃度。在處理、對(duì)照塘中心位置取分層水樣，水深分別為0.10、0.30、0.50、0.70、0.90、1.10、1.30、1.60 m，測(cè)定分層水樣的葉綠素a濃度。

取樣一般在7：00-9：00完成，每2天一次。取樣器為自制柱狀取樣器，柱體為直徑50 mm有機(jī)玻璃管，底部設(shè)單向閥。藻類葉綠素a濃度按照文獻(xiàn)[12]測(cè)定，丙酮提取時(shí)間24 h，提取液吸光度采用722S型可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定。

1.3.2 養(yǎng)殖塘藻類生產(chǎn)力

采用黑白瓶法，分別向每對(duì)黑白瓶中注滿指定水深(0.10、0.50、0.90、1.30、1.60 m)水樣，記錄不同水深水樣的初始溶解氧，蓋好瓶塞，不留氣泡。將每對(duì)黑白瓶懸掛到指定水深，24 h后取出測(cè)瓶?jī)?nèi)溶解氧、葉綠素a；計(jì)算藻類總生產(chǎn)量(Pg，mg/L)、呼吸量(R，mg/L)、凈生產(chǎn)量(Pn，mg/L)、凈生產(chǎn)速率(P，mg/μg)。掛瓶在10：00前結(jié)束，同時(shí)測(cè)定水體透明度。所用公式如下：

R=I-D

(1)

Pn=L-I

(2)

Pg=L-D

(3)

P=Pn/c

(4)

式中：I、D、L分別為初始、24 h后黑瓶中、24 h后白瓶中溶解氧，mg/L；c為葉綠素a質(zhì)量濃度，μg/L。

溶解氧采用哈希公司HQ30d便攜式溶解氧儀測(cè)定。透明度采用黑白盤(pán)法測(cè)定。

1.3.3 養(yǎng)殖塘藍(lán)藻細(xì)胞氣囊

取處理、對(duì)照塘混合水樣，送揚(yáng)州大學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行生物處理，制作藻細(xì)胞超薄切片，利用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的CM100型透射電鏡對(duì)藻類超薄切片進(jìn)行拍照，得到清晰的藻細(xì)胞切片黑白照片。

1.3.4 養(yǎng)殖塘藻細(xì)胞總量及優(yōu)勢(shì)藻種

每15天采用BM-37XB-D型倒置生物顯微鏡對(duì)處理、對(duì)照塘混合水樣進(jìn)行藻細(xì)胞總量和優(yōu)勢(shì)藻種的計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 藻類葉綠素a濃度及縱向分布規(guī)律

從圖2可見(jiàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行第1天(7月26日)，兩塘藻類葉綠素a濃度相近。整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，處理塘藻類葉綠素a濃度隨時(shí)間變化不大，處于較低水平，平均質(zhì)量濃度為45.53 μg/L；對(duì)照塘藻類葉綠素a濃度隨氣溫升高大幅波動(dòng)，平均質(zhì)量濃度為115.16 μg/L，8月26日達(dá)到峰值(278.33 μg/L)。處理塘藻類葉綠素a平均質(zhì)量濃度較對(duì)照塘降低了60.5%，且水體表面無(wú)明顯藻類聚集，而對(duì)照塘表面藻類聚集形成厚厚的藻漿，散發(fā)惡臭，影響生產(chǎn)。養(yǎng)殖戶在8月15日、8月28日用水泵將對(duì)照塘表面藻漿排到外河，所以對(duì)照塘藻類葉綠素a濃度出現(xiàn)較明顯下降。在排水捕撈時(shí)，兩塘均將水排入同一條外河，捕撈結(jié)束從該外河補(bǔ)水。外河水中藻類葉綠素a濃度高于處理塘、低于對(duì)照塘。因此，每經(jīng)過(guò)一次排水補(bǔ)水，對(duì)照塘就被稀釋一次，而處理塘就受到一次污染，如9月6日最明顯。可以推斷，對(duì)照塘實(shí)際藻類葉綠素a濃度高于監(jiān)測(cè)值，處理塘則低于監(jiān)測(cè)值，故經(jīng)深井循環(huán)后藻類葉綠素a平均濃度降低率超過(guò)60.5%。

圖2 藻類葉綠素a質(zhì)量濃度變化Fig.2 Changes of chlorophyll a concentration of algae

8月12日測(cè)得處理塘和對(duì)照塘縱向的藻類葉綠素a質(zhì)量濃度，結(jié)果見(jiàn)圖3。兩塘葉綠素a濃度縱向分布規(guī)律基本一致，均在水深0.50 m處呈現(xiàn)最大值。8月12日，測(cè)得處理、對(duì)照塘透明度分別為20、16 cm。處理塘藻類葉綠素a濃度最大值出現(xiàn)在該塘的2.5倍透明度水深；對(duì)照塘藻類葉綠素a濃度最大值出現(xiàn)在該塘的3.1倍透明度水深。這是因?yàn)轲B(yǎng)殖塘總水深小，水體均勻且上下沒(méi)有溫差，藻類在自身浮力調(diào)節(jié)機(jī)制下，均在水體2～3倍透明度間達(dá)到峰值[13]。

圖3 藻類葉綠素a質(zhì)量濃度縱向分布Fig.3 Longitudinal distribution of chlorophyll a concentration of algae

2.2 藻類生產(chǎn)力縱向變化規(guī)律

測(cè)試并計(jì)算得到8月12日的處理塘和對(duì)照塘藻類生產(chǎn)力，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。由于養(yǎng)殖塘總水深小，上下溫度一致，且呼吸量主要與溫度有關(guān)而與光照無(wú)關(guān)，所以處理塘和對(duì)照塘藻類呼吸量隨水深無(wú)明顯變化。處理塘藻類總生產(chǎn)量、呼吸量分別為0.73～15.21、1.93～2.54 mg/L；對(duì)照塘藻類總生產(chǎn)量、呼吸量分別為1.72～17.42、4.61～4.89 mg/L。對(duì)照塘總生產(chǎn)量和呼吸量高于處理塘，因?yàn)閷?duì)照塘溶解氧瓶中水樣的藻濃度大于處理塘。對(duì)照塘在水深≤0.85 m時(shí)，藻類凈生產(chǎn)速率大于零，藻類凈生長(zhǎng)；水深>0.85 m，藻類凈生產(chǎn)速率小于零，藻類凈衰亡。而處理塘在水深≤1.00 m時(shí)藻類凈生長(zhǎng)，>1.00 m則凈衰亡。由藻類凈生產(chǎn)速率曲線與縱軸圍成的面積可得柱狀水體單位葉綠素a濃度引起的凈生產(chǎn)量，對(duì)照、處理塘分別為0.062、0.113 g/(m2·d)(以O(shè)2質(zhì)量計(jì))，處理塘較對(duì)照塘提高了82.3%，這是因?yàn)樘幚硖两?jīng)深水循環(huán)后，藻類數(shù)量明顯減少，透明度提高，水中藻類能充分接受光照進(jìn)行光合作用。

圖4 藻類總生產(chǎn)量和呼吸量隨水深的變化Fig.4 Variation of total production and respiration with water depth

圖5 藻類凈生產(chǎn)速率隨水深的變化Fig.5 Variation of net production rate of algae with water depth

由此可以得出，深井循環(huán)控制藻類生長(zhǎng)，不是因?yàn)樘幚硖林性孱惒簧L(zhǎng)，而是處理塘中光照區(qū)的藻濃度比對(duì)照塘低，水體中繁殖基數(shù)降低，因而繁殖總量降低。

2.3 藍(lán)藻細(xì)胞氣囊結(jié)構(gòu)對(duì)比

藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖6。對(duì)照塘藍(lán)藻細(xì)胞中有白色蜂窩狀氣囊[14-15]，處理塘藍(lán)藻細(xì)胞中氣囊消失。這是由于藍(lán)藻細(xì)胞在深井里處于受壓狀態(tài)，細(xì)胞壁具有透氣透水性，水分子在壓力作用下透過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)保持水壓平衡，而氣囊是蛋白質(zhì)壁，只透氣不透水，氣囊受到外部水壓作用后發(fā)生破裂，導(dǎo)致氣體被壓出，并透過(guò)細(xì)胞壁擴(kuò)散到細(xì)胞外的水中，細(xì)胞內(nèi)氣囊原有的空間被細(xì)胞液或水填充，從而藻細(xì)胞失去氣囊浮力，平均密度增大，在浮力減小、重力增大的雙重協(xié)同作用下，藻體由上浮轉(zhuǎn)而沉淀。

圖6 藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)氣囊結(jié)構(gòu)變化Fig.6 Changes of the structure of the air sac in cyanobacteria cells

因此，深井循環(huán)控制藍(lán)藻生長(zhǎng)的機(jī)制是藍(lán)藻因深水壓力作用導(dǎo)致氣囊破裂，浮力消失。藻類回到養(yǎng)殖塘后沉到水底。又因處理塘藻類只能在水深≤1.00 m的光照區(qū)生長(zhǎng)，所以表層水中藻濃度大大降低，從而減少了藻類繁殖基數(shù)，藻類繁殖總量減少。

2.4 藻細(xì)胞總量及優(yōu)勢(shì)藻種對(duì)比

從圖7可見(jiàn)，7月28日處理、對(duì)照塘藻細(xì)胞總量相近，這是因?yàn)檠b置剛開(kāi)始運(yùn)行。在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，處理塘藻細(xì)胞總量一直維持較低水平，平均4.9×107個(gè)/L，而對(duì)照塘藻細(xì)胞總量平均2.2×108個(gè)/L，處理塘藻細(xì)胞總量比對(duì)照塘降低了77.8%。由此看出，深井循環(huán)破壞了藍(lán)藻細(xì)胞上浮的能力，藍(lán)藻下沉至水底無(wú)法生長(zhǎng)，有效降低了藻細(xì)胞總量，避免養(yǎng)殖塘藻類泛濫的現(xiàn)象。

圖7 藻細(xì)胞總量變化Fig.7 Changes of the total number of algal cells

兩塘均有藍(lán)藻、綠藻和少量硅藻，藍(lán)藻以微囊藻(Microcystissp.)、顫藻(Oscillatoriasp.)為主；綠藻以小球藻(Chlorellasp.)、柵藻(Scenedesmussp.)為主；硅藻以直鏈藻(Aulacoseiragranulate)、小環(huán)藻(Cyclotellasp.)為主。從圖8可見(jiàn)，整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)，對(duì)照塘藍(lán)、綠藻細(xì)胞數(shù)量平均分別為1.95×108、3.51×107個(gè)/L；處理塘藍(lán)、綠藻細(xì)胞數(shù)量平均分別為3.72×107、2.77×107個(gè)/L。處理塘藍(lán)藻細(xì)胞數(shù)量顯著降低，較對(duì)照塘降低80.9%，而綠藻細(xì)胞數(shù)量略有降低，較對(duì)照塘降低21.1%。由此看出，深井循環(huán)對(duì)藍(lán)藻生長(zhǎng)具有高效控制作用，對(duì)綠藻生長(zhǎng)沒(méi)有明顯控制作用。

圖8 藍(lán)藻及綠藻細(xì)胞數(shù)量變化Fig.8 Changes of the number of cyanobacteria and green algae cells

由表1可見(jiàn)，7月28日處理、對(duì)照塘各優(yōu)勢(shì)藻種占比差別不大。這是因?yàn)樘幚硖了耆h(huán)一次需要6 d，而7月28日系統(tǒng)剛運(yùn)行2 d，效果還沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，8—9月處理塘微囊藻細(xì)胞數(shù)量顯著降低并保持較低水平(占17.5%)，顫藻為優(yōu)勢(shì)藻種(占38.3%)，小球藻占22.8%，柵藻占2.8%；對(duì)照塘中微囊藻為優(yōu)勢(shì)藻種(占84.5%)，其次是小球藻(占9.3%)，顫藻幾乎沒(méi)有生存的空間(占0.3%)。由此看出，深井循環(huán)后，微囊藻細(xì)胞數(shù)量降低67.0百分點(diǎn)，而顫藻細(xì)胞數(shù)量增長(zhǎng)38.0百分點(diǎn)；綠藻得到更多的生存空間和生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)，小球藻、柵藻細(xì)胞數(shù)量分別增長(zhǎng)13.5、1.0百分點(diǎn)。因此，深井循環(huán)控制藻類生長(zhǎng)，是因?yàn)樯钏畨毫?dǎo)致微囊藻細(xì)胞內(nèi)的氣囊破裂，大量微囊藻失去浮力下沉至水底，從而降低繁殖基數(shù)，減少了藻細(xì)胞總量；深井循環(huán)只對(duì)微囊藻有高效控制其生長(zhǎng)的效果，對(duì)顫藻、小球藻、柵藻沒(méi)有控制作用。

3 結(jié) 論

表1 優(yōu)勢(shì)藻種細(xì)胞數(shù)量及其占比

(1) 深井循環(huán)使處理塘藻類葉綠素a平均質(zhì)量濃度降低60.5%，藻細(xì)胞總量降低77.8%，微囊藻細(xì)胞數(shù)量降低67.0百分點(diǎn)，消除了養(yǎng)殖塘表面藍(lán)藻聚集腐爛的現(xiàn)象。

(2) 經(jīng)深井循環(huán)后，處理塘藻細(xì)胞總量減少不是因?yàn)樵孱惒簧L(zhǎng)，是因藍(lán)藻失去浮力沉至水底，表層水體中藍(lán)藻濃度降低，繁殖量減少；水體透明度增高，使柱狀水體單位葉綠素a濃度引起的凈生產(chǎn)量提高82.3%。

(3) 深井循環(huán)控制藍(lán)藻生長(zhǎng)的機(jī)制是，微囊藻受到深水壓力作用導(dǎo)致氣囊破裂，浮力消失而下沉水底；光照區(qū)藻細(xì)胞數(shù)量降低，從而降低了藍(lán)藻的繁殖基數(shù)，減少了繁殖總量。

(致謝：本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采樣過(guò)程中高郵市養(yǎng)殖戶提供采樣船，在此表示感謝。)

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Studyoncyanobacteriaingrowthcontrolandthemechanismintheaquaculturepondofdeepwellwithcyclepressure

ZHOUYue1，CONGHaibing1，2，YANQi1，RENAo1，XUHu2，XUYajun2.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，YangzhouUniversity，YangzhouJiangsu225009；2.JiujiufuEnvironmentalScienceandTechnologyCo.，Ltd.，SuzhouJiangsu215316)

To control the spread of cyanobacteria in aquaculture pond，deepwell with cycle pressure was studed to treat Shrimp pond by production experiments. The results shows that algae chlorophyll-a average concentration and total algal cell were reduced 60.5%，77.8% after treated by deepwell with cycle pressure. The water depth of aquaculture pond was 1.60-2.00 m. When the depth of the treatment ponds was ≤1.00 m, the net algae showed grown. When the depth of the treatment ponds was >1.00 m, the net algae showed declined. Deepwell with cycle pressure could only control the growth ofMicrocystissp.. The mechanism of the control cyanobacteria was that the airbag in the cyanobacteria was ruptured by the water pressure at the bottom of the deepwell. The cyanobacteria lost the buoyancy of the balloon could not be suspended in the surface after returning to the culture pond, but sank to the bottom. Thereby the total amount of algal cell and the breeding base were effective reduced.

Shrimp pond； deepwell with cycle pressure； cyanobacteria

2016-03-23)

周 越，女，1993年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚怼?

。

*江蘇省水產(chǎn)三新工程項(xiàng)目(No.Y2015-11)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(No.15KJD610006)；揚(yáng)州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(社會(huì)發(fā)展)項(xiàng)目(No.YZ2015072)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.012