大型藻類應用于循環水養殖的研究進展

[摘要]循環水養殖是當今世界上一種先進的養殖模式，與傳統的養殖方式相比，具有節水、節地、高密度集約化和排放可控的特點，符合可持續發展的要求，是今后水產養殖業的發展方向，目前已在國內外推廣應用，但其對處理后水質要求更高。工業化循環水養殖水處理中最重要的環節是生物處理技術，單一的生物處理技術難以滿足循環水用水的水質要求，采用大型藻類與微生物相結合的生物處理技術能夠快速高效地去除廢水中的COD、N、P等污染物。本文對大型藻應用于循環水養殖的可行性進行了討論，并對其未來前景進行展望。

[關鍵詞]工業化循環水養殖;大型藻;氮、磷;有機物

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

工業化循環水養殖（Recirculating Aquaculture System，RAS）作為一種新興的陸基養殖模式，其優點是養殖密度高、可控性強、環境友好，目前在中國沿海及內陸地區得到快速推廣和應用[1-2]。循環水養殖系統能夠不斷凈化養殖水環境，實現水體的循環利用，水體回用率高達96%以上，能有效地避免對周圍水環境的污染[3]。循環水養殖系統中起到主要水處理作用的是生物濾器，能將水中有機物和氨氮分別降解、氧化為毒性相對較低的硝酸鹽[4]，使養殖水體得到一定程度的凈化，但這種循環模式由于換水率低，會導致硝酸鹽大量積累[5-6]。相關研究結果顯示，硝酸鹽的積累會影響魚體的滲透壓和血細胞的運氧能力，進而引起魚體色澤和肉質下降，而且富含硝酸鹽的養殖廢水直接排放，還會造成水體富營養化[7-10]。

去除海水中的硝酸鹽可通過微生物的反硝化作用最終將其轉化為氮氣，但是此過程歷程長，需要額外投加碳源，效率有限，反硝化條件控制要求嚴格[11]。海水植物如海藻，可吸收海水中的氨氮、亞硝酸、硝酸鹽等轉化為自身的細胞物質，效率相對較高，可解決或緩解養殖廢水中硝酸鹽積累[12]。在多營養級復合養殖系統中，藻類常布設于系統中用于吸收養殖魚類產生的氮磷營養鹽[13]。本文探討了大型藻類對養殖廢水中氮、磷及有機質去除特點及效果，為大型藻類在循環水養殖廢水凈化上的推廣應用提供依據，促進養殖廢水的資源化利用。

1 大型藻類對氮磷的去除

《2012年中國漁業生態環境狀況公報》顯示，在中國，關鍵的海洋水產養殖區的主要污染物是無機氮，包括氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）和亞硝氮（NO2--N）等，磷污染物主要為活性磷酸鹽（PO43--P）。在水產養殖用水中，氨氮和亞硝酸鹽氮的含量比硝態氮的高得多，這兩種形態的氮是影響魚蝦生長繁殖的重要因素。氨氮在水體中以兩種形式存在，分別為離子氨（NH4+-N）和游離氨（NH3），相互轉化關系為NH3+H2ONH4++OH-，此轉化關系維持動態平衡[14]，這種平衡關系與溫度、鹽度、pH值等因素相關。當總氨氮含量超過0.5mg/L時，對魚有毒害作用，其中NH3的毒性更大，有研究表明NH3高于一定濃度會導致魚鰓組織受損，影響魚體內臟器官皮膜通透性，使魚的機體代謝功能和組織功能嚴重受損。我國漁業水質標準（GB 11607-1989）規定，水產養殖用水中NH3不得超過0.02mg/L。NO2--N是由于水體中的氨氮在亞硝化細菌的作用下轉化而成的，其為亞硝化作用和硝化作用的一種中間產物，NO2--N含量過高可將魚、蝦血液中的亞鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，這種血紅蛋白血液攜氧能力低，使魚蝦組織缺氧，從而引起魚蝦的死亡[15]。硝態氮對魚蝦的毒害作用沒有氨氮與亞硝態氮的作用明顯，但在循環水養殖系統中硝酸鹽會產生積累，最高可累積到400～500mg/L[16]。研究表明75mg/L以上的硝酸鹽會影響養殖動物的生長[17]。含磷化合物雖然沒有明顯表現出對魚類的危害，但過多的硝磷酸鹽排入外界環境水體后會導致水體富營養化，因此需要對其進行去除。

由于藻類細胞由多種物質組成，成分復雜，Stumm等[18]在對藻類細胞物質做出充分研究和總結后提出，藻類的分子式可以大致看作C106H263O110N16P，由此分子式可以推出光合作用的反應公式如下：

（1）

由公式（1）可以看出，藻類利用水中的氮、磷吸收CO2，在酸性條件下進行光合作用，合成自身的細胞物質并釋放出O2。有研究表明，藻類對NH4+-N、NO3--N和NO2--N均有吸收作用，另外由于藻類的光合作用過程中消耗水體中的H+，使水體呈弱堿性，即pH值增大，氨在弱堿性的水環境中容易逸散[19-21]。藻類對磷的利用主要是溶解性磷，并且在無機磷磷源中優先利用正磷酸鹽。近年來，各學者對不同藻類處理氮磷的效率進行了研究探索，大型海藻藻類對水體中氮磷的去除率見表1[22-27]，可以看出大型海藻對氮的去除能力均相對較好，去除率可達到60%～90%，同時可以發現在大多數藻類的研究中，藻類對磷的去除率高于氮的去除率。

2 有機質的去除

養殖過程中產生的有機物包括溶解性有機物、懸浮于水中或沉積于水底的顆粒性有機物兩部分。過多的有機物導致水體異養菌的大量繁殖，這些異養細菌與魚類爭奪氧氣，引起魚類窒息死亡，還可能使病原菌大量繁殖，導致魚蝦感染疾病[12]。

藻類凈化水體中有機質主要分為兩個階段，第一個階段為物理化學吸附，即藻類會吸附水體中的有機顆粒，此過程與代謝無關。龍須菜等網狀或絲狀的大型藻類，因其特殊的形狀結構，在吸附聚集水中的有機顆粒時，相對于微藻可以發揮更大的作用[28-31]。第二個階段的作用機理是緩慢主動生物富集與降解作用，光合作用產生的氧氣增加了水體的溶解氧，這種活性溶解氧更容易被微生物吸收利用，使好氧的異養微生物能夠不斷對大分子有機質進行降解，從而降低水中的COD。有研究表明，1g藻類能夠提供1.5～1.92g的O2，這些O2能夠被好氧細菌利用，從而降解COD[32]。有研究提出O2與COD的最佳比例，研究中發現當O2/COD為1.55時，O2能夠完全被好氧細菌吸收利用，好養細菌的活性得到最大化，從而對有機物的降解作用也得到最大化。而微生物降解有機質時產生的CO2又能夠被藻類吸收利用，藻類的活性也因此得到提升。因此，在這種相互影響的過程中，藻類與微生物是互利共生的，這種平衡形成一種菌藻共生體系，與其他處理方式相比有很大的優勢[33]。此外，小分子有機物也可以直接被藻類吸收利用。陳海敏等[34]研究發現，光合細菌與小球藻聯合處理養殖廢水時，水體中總有機碳（TOC）去除率達到75%，COD去除率達到41%。

3 大型藻處理養殖廢水

有關研究提出利用藻類去除污水中的氮磷物質，之后由藻類作為組成部分的復合生物技術應用范圍越來越廣，復合生物技術主要包括貝藻處理技術和菌藻處理技術。藻類在養殖廢水凈化方面的應用研究進入了繁榮期，將大型海藻與貝類和微生物對污染物的降解能力結合起來，也成為復合生物技術的重點研究方向。

很多大型海藻本身也是重要的水產品，如龍須菜、海帶等，可以食用、藥用、提取工業原料，在利用其處理養殖污水的同時還可以作為副產品進行，取得一定的經濟效益，一舉兩得。近年來，對于不同品種大型藻類與水生動物和微生物結合，對養殖廢水的處理效果亦有研究，韋建益等[35]將黑藻與硝化菌組合應用于草金魚循環水養殖，黑藻和硝化菌干粉的組合對各氮鹽都有一定的凈化效果，NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TP的去除率相對于沒有黑藻和硝化菌干粉的對照組分別增加了63.5%、56.37%、153.4%和28.85%。有研究將太平洋牡蠣與龍須菜結合，處理大西洋鮭養殖廢水，結果表明牡蠣與龍須菜密度比為1∶1時，對廢水中的NO2-N去除率達40.29%。李秀辰等[36]研究的集成系統由生物滴濾池和水生植物組成，用于凈化魚池水質，發現此系統對TAN和有機物的去除率分別保持在80%和40%以上。鄒俊良[37]采用金魚藻、狐尾藻和螺螄單獨或聯合使用，30d的時間，對黃顆魚養殖廢水中TN的去除率達到14.93%～20.92%，TP的去除率達到11.95%～17.92%，并且處理時間的延長可能使去除效果增加，采用MBBR-金魚藻系統處理養殖廢水，COD、TAN去除率達到89.93%、95.07%。

4 結 論

藻類由于其特殊的形狀結構和生理代謝作用，在生物凈化方面發揮了良好的作用，吸引著各國學者不斷深入研究探索。然而目前相比于活性藻系統、固化藻系統等微藻的應用技術，運用大型藻處理養殖廢水的技術相對較少，其應用于循環水養殖的案例也十分有限。

大型藻類對養殖水體中的氮、磷有較好的處理效果，其釋放的溶解氧可提供給水體中的細菌，從而對有機物的降解起到了促進作用，此外很多大型海藻在處理養殖污水的同時還可以收獲一定的經濟效益。利用大型藻與微生物結合處理養殖廢水能達到較高的出水水質，滿足循環水養殖中較高的水質要求。因此大型海藻應用于循環水養殖有著廣闊的發展前景，其在實際生產的運用需要進一步的探索和研究。

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