鈍頂螺旋藻SP1(Spirulina platensis)對集約化養殖尾水氮磷的去除效果

魯敏, 曹煜成,3, 胡曉娟, 許云娜, 孫志偉, 張建設, 文國樑,*

鈍頂螺旋藻SP1()對集約化養殖尾水氮磷的去除效果

魯敏1,2, 曹煜成1,2,3, 胡曉娟2,3, 許云娜2, 孫志偉2, 張建設1, 文國樑1,2,*

1. 浙江海洋大學, 國家海洋設施養殖工程技術研究中心, 舟山 316022 2. 中國水產科學研究院南海水產研究所, 農業農村部南海漁業資源開發利用重點實驗室, 廣東省漁業生態環境重點實驗室, 廣州 510300 3. 中國水產科學研究院南海水產研究所深圳試驗基地, 深圳 518121

針對集約化養殖模式后期硝酸鹽氮和磷酸鹽濃度較高的問題, 實驗設置生物絮團養殖尾水(BFW)和BG11培養液(BGW)兩種水體環境, 并以池塘常見優勢微藻——綠色顫藻OC1()作為對比, 研究分析了鈍頂螺旋藻SP1()對集約化養殖尾水氮磷的去除效果及其生長狀況。結果發現, 在BFW組中兩種微藻均對硝酸鹽氮(NO3--N)、總無機氮(TIN)和磷酸鹽(PO43--P)去除效果明顯(<0.05), 其中, 螺旋藻對NO3--N、TIN和PO43--P的最大去除率分別為79.60%、46.06%和98.55%, 相應的濃度值分別從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,其數量降低的絕對值分別為103.51 mg·L-1、60.27 mg·L-1、10.08 mg·L-1; 在BGW組中兩種藻對氮磷均具有一定的去除效果, 但總體仍低于BFW組。實驗過程中兩種微藻的細胞數量均無明顯變化(>0.05)。可見, 鈍頂螺旋藻SP1和綠色顫藻OC1均可在BFW和BGW兩種水體營養環境下存活, 且對水中的氮磷均有良好的去除效果; 雖然顫藻亦是集約化養殖水環境中的常見微藻優勢種, 但它能分泌藍藻毒素, 因此, 從產業應用的可行性考慮可將螺旋藻作為集約化養殖尾水凈化的備選藻株。

螺旋藻; 集約化養殖; 尾水; 氮; 磷

0 前言

水產養殖業是我國漁業領域的支柱性產業之一。隨著水產養殖業集約化程度不斷提高, 高密度精養成為目前我國重要的水產養殖方式。但高度集約化養殖模式的養殖尾水富含氮磷營養, 在當前倡導環境友好, 水產養殖可持續發展的背景下, 集約化養殖尾水的生態化處理變得尤為重要。基于生物絮團的高密度集約化養殖技術可以將養殖水體中總氨氮、亞硝酸鹽氮等有害氮素有效控制在海水養殖水排放要求[1]范圍之內, 但存在硝酸鹽氮濃度過高的突出問題, 如范鵬程等[2]研究指出其養殖水體的總氨氮、亞硝酸鹽氮濃度有效控制在0.44 mg·L-1和0.69 mg·L-1以下, 但在養殖后期硝酸鹽氮濃度最高則可達133.4 mg·L-1。因此, 如何有效處理集約化養殖尾水中的氮磷排放, 避免養殖生產對外界水域環境的不良影響, 為構建環境友好型的養殖生產模式提供有效的尾水凈化技術方案, 這值得深入研究。

集約化養殖模式后期水體富含氮磷營養, 而藍藻因其特殊的生理生態策略, 在此環境中具有很強的適應能力[3], 極易形成以顫藻為主的有害藻相結構, 嚴重影響養殖生物的產量[4]。螺旋藻作為一種有益藍藻, 不僅對環境具有很強的適應能力, 也是養殖后期水體中的優勢種[5], 擁有藍藻高效吸收氮磷特性, 而且螺旋藻營養豐富均衡, 可作為生物餌料或飼料添加劑應用于水產養殖生產中[6-7], 呈柱狀的藻絲結構在尾水處理過后更易于收集。據查, 此前未見關于應用螺旋藻處理較高氮磷濃度集約化養殖尾水的類似研究, 以往的研究大多集中于較低氮磷濃度的廢水處理, 如稀釋后的養豬廢水[8-9]、城市生活污水[10]及人類尿液[11]等, 但螺旋藻能否利用相對較高氮磷營養的集約化養殖尾水還未見報道。

基于海水養殖水排放要求[1]中氮、磷營養鹽的濃度是重要的監測指標, 對此本研究擬以鈍頂螺旋藻SP1()作為研究藻株、以池塘常見藍藻優勢種——綠色顫藻OC1()為參比對象, 將兩種微藻接種至對蝦集約化養殖尾水中, 并設置BG11培養液環境作為參照, 分析它們在兩種水體環境中的生長情況及其對水體氮磷的去除效果。以期為后續進一步研發利用螺旋藻凈化集約化養殖尾水的技術方案, 提供備選藻株和相關基礎數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

實驗藻種: 實驗所用鈍頂螺旋藻SP1()和綠色顫藻OC1()由中國水產科學研究院南海水產研究所提供。

生物絮團養殖尾水: 取自廣東省陸豐市某養殖場的凡納濱對蝦生物絮團零換水養殖池系統(1000 m3), 取水時間為放苗養殖58 d, 蝦苗放養密度650尾·m-3, 養殖全程以生物絮團技術控制水質, 以滿足養殖對蝦的健康生長需求, 實施封閉式的零換水管理。養殖到60 d時, 對蝦個體平均體重8.78 g每尾, 單產4.61 kg·m-3, 成活率85%, 養殖水溫31.1 ℃、溶解氧4.48 mg·L-1、pH 7.35、生物絮團沉降量10.5 mL·L-1。以生物絮團養殖尾水為基礎, 用過濾滅菌天然海水、磷酸二氫鉀將生物絮團養殖尾水中的硝酸鹽氮、磷酸鹽濃度分別調至約130 mg·L-1和10 mg·L-1, 使其氮磷比約為13:1。

BG11培養液[12]: NaNO31.5 g·L-1, K2HPO40.04 g·L-1, MgSO4·7H2O 0.075 g·L-1, CaCl2·H2O0.036 g·L-1, 檸檬酸0.006 g·L-1, 檸檬酸鐵氨0.006 g·L-1, EDTA-Na20.001 g·L-1, NaCO30.02 g·L-1, 微量金屬鹽溶液1mL·L-1。

微量金屬鹽溶液成分為: 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 實驗設置

實驗設置生物絮團養殖尾水和BG11培養液兩種藻培養環境, 分別設置螺旋藻組、顫藻組和對照組, 具體如表1所示。參考相關文獻[13-14], 將螺旋藻組的初始藻濃度設為106個·mL-1, 為實驗最佳接種濃度; 顫藻組的初始藻濃度設為108個·mL-1, 為實際養殖池塘中顫藻濃度; 對照組不接藻。每組設置3個平行, 實驗體積為80 mL, 鹽度為20‰。將螺旋藻組、顫藻組的微藻接種到經高溫高壓滅菌的錐形瓶中, 接種之前對藻種進行離心清洗, 以去除原營養鹽影響。實驗開始后, 將錐形瓶置于恒溫光照培養箱內, 溫度設置為(25±1) ℃, 光照強度31.25—37.50 μmol·m-2·s-1, 光暗比12 h : 12 h進行培養, 每天搖三次并隨機更換錐形瓶的位置。實驗共進行16 d。

1.3 微藻的數量測定

于第0、16 d采集微藻樣品1 mL, 加40 μL甲醛固定保存于4 ℃冰箱。每組有三個平行樣品, 使用血球計數板在顯微鏡下計數。螺旋藻和顫藻藻細胞較長, 先將藻液進行研磨打碎, 取100 μL于血球計數板, 在顯微鏡檢視中用目微尺實測藻體及單個細胞長度, 然后算出藻細胞數量[15]。每個樣品測量三次取平均值。

1.4 水質測定

于第0、2、4、6、8、16 d取水樣檢測水體中硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、磷酸鹽(PO43--P)濃度 , 分析微藻對氮磷營養鹽的作用效果。水體中NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P依照國家標準(GB/T 17378.4—2007)[16]分別采用鋅鎘還原法、鹽酸萘乙二胺分光光度法、靛酚藍分光光度法和磷鉬藍分光光度法進行測定。其中總無機氮(TIN)為硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮三者之和[17]。

1.5 數據處理

各水質指標去除率的計算公式為: 去除率= (初始濃度0－取樣測定的濃度C)/初始濃度0×100。

采用以單因素方差分析法(One-Way ANOVA) 比較各組數據的差異顯著性, 顯著水平設定為< 0.05。

2 結果與分析

2.1 微藻的生長情況

實驗初始及結束時培養液中微藻的數量變化如圖1所示。在養殖尾水中, 鈍頂螺旋藻SP1和綠色顫藻OC1的初始藻量分別為3.32×106個·mL-1, 2.04×108個·mL-1。實驗第16 d時, 兩者的藻量分別為5.88×106個·mL-1, 2.43×108個·mL-1。BG11培養液中, 鈍頂螺旋藻SP1和綠色顫藻OC1的初始藻量分別為5.81×106個·mL-1, 1.47×108個·mL-1, 實驗第16 d時, 兩者的藻量分別為1.20×107個·mL-1, 2.57×108個·mL-1。螺旋藻在兩種培養環境下第0 d和第16 d的藻量無顯著差異(>0.05), 顫藻在兩種培養環境下第0 d和第16 d的藻量亦無顯著差異(> 0.05)。

表1 各實驗組的初始氮磷濃度設置

注: 同圖中不同上標字母表示差異顯著(P<0.05)。

Figure 1 Microalgae density variation during the experiment

2.2 對養殖尾水中氮磷營養鹽的去除效果

鈍頂螺旋藻SP1和綠色顫藻OC1對養殖尾水中的NO3--N、NH4+-N、PO43--P有明顯的去除效果(圖2和表2)。實驗第16 d, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的NO3--N濃度由第0 d的130.04 mg·L-1和136.77 mg·L-1分別降至26.53 mg·L-1和54.85 mg·L-1, 其去除率分別為79.60%和59.89%, 顯著高于對照組(<0.05), 對照組的NO3--N濃度一直維持在 127.06—130.51 mg·L-1之間。實驗第8 d, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的NH4+-N濃度由第0 d的0.32 mg·L-1和0.52 mg·L-1分別降至0.01 mg·L-1和0.10 mg·L-1, 其去除率分別為97.31%和80.65%, 顯著高于對照組(<0.05)。雖然在實驗過程中, 螺旋藻組和顫藻組的NO2--N濃度均有升高, 但從總無機氮的含量來看, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的TIN濃度由第0 d的130.85 mg·L-1和134.71 mg·L-1分別降至70.58 mg·L-1和66.19 mg·L-1, 其去除率分別為46.06%和51.83%, 顯著高于對照組(<0.05), 對照組的TIN濃度一直維持在127.55—130.84 mg·L-1之間。

此外, 從實驗第2 d 起螺旋藻組和顫藻即對培養液中的PO43--P表現出明顯且迅速的去除效果。實驗第8 d, PO43--P濃度由第0 d的10.23 mg·L-1和11.07 mg·L-1分別降至0.15 mg·L-1和0.60 mg·L-1, 其去除率分別達98.55%和96.40%, 顯著高于對照組(<0.05)。

圖2 養殖尾水中氮磷營養鹽濃度的變化

Figure 2 Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in breeding tailwater

表2 養殖尾水中氮磷營養鹽的去除率(平均值±標準差)

注: 同行數據不同上標字母表示差異顯著(<0.05)，下同。

2.3 螺旋藻和顫藻對BG11培養液中營養鹽的去除效果

鈍頂螺旋藻SP1和綠色顫藻OC1對BG11培養液中的NO3--N、NH4+-N、PO43--P有明顯的去除效果(圖3和表3)。實驗第16 d, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的NO3--N濃度由第0 d的226.33 mg·L-1和235.97 mg·L-1分別降至190.75 mg·L-1和171.93 mg·L-1, 其去除率分別為15.72%和27.14%, 顯著高于對照組(<0.05), 但低于養殖尾水中對NO3--N的去除率。對照組的NO3--N濃度一直維持在 229.14—246.79 mg·L-1之間。實驗第8 d, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的NH4+-N濃度由第0 d的0.29 mg·L-1和0.37 mg·L-1分別降至0.06 mg·L-1和0.09 mg·L-1, 其去除率分別為78.52%和76.20%, 顯著高于對照組(<0.05)。雖然在實驗過程中, 螺旋藻組和顫藻組的NO2--N濃度均有升高, 但從培養液的總TIN的濃度來看, 螺旋藻組和顫藻組培養液中的TIN濃度由第0d的226.75 mg·L-1和236.43 mg·L-1分別降至199.02 mg·L-1和181.72 mg·L-1, 其去除率分別為12.23%和23.14%, 顯著高于對照組(<0.05), 對照組的TIN濃度一直維持在229.57—247.09 mg·L-1之間。

此外, 從實驗第2 d 起螺旋藻組和顫藻即對培養液中的PO43--P有明顯且迅速的去除效果。實驗第8 d, PO43--P濃度由第0 d的4.24 mg·L-1和3.87 mg·L-1分別降至0.69 mg·L-1和0.56 mg·L-1, 其去除率分別達83.68%和81.05%, 顯著高于對照組(<0.05)。

圖3 BG11培養液中氮磷營養鹽濃度變化

Figure 3 Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in BG11 medium

表3 BG11培養液中氮磷營養鹽的去除率(平均值±標準差)

3 討論

在養殖生態系統中, 浮游微藻作為水生態系統的生產者, 對環境中的物質循環和能量流動具有舉足輕重的作用[18]。已有研究表明微藻對養殖尾水的氮磷具有巨大的凈化潛力, 但此前的研究大多集中在較低氮磷濃度(NO3--N濃度約為2—35 mg·L-1, PO43--P濃度約為0.2—8 mg·L-1)的尾水處理[19-21], 這與集約化養殖尾水存在較大差別。在當前高密度精養的集約化養殖模式下, 養殖后期水體中富含氮磷營養鹽, 顫藻[22]、微囊藻()[23]等有害藍藻極易成為優勢種[22]。螺旋藻作為有益藍藻, 對富含氮磷的水體環境同樣具有很強的適應能力[24]。因此, 本研究以鈍頂螺旋藻SP1為研究藻株, 以綠色顫藻為參比藻株, 結果發現鈍頂螺旋藻SP1在對蝦生物絮團養殖尾水和BG11培養液等兩種培養環境中均可正常存活, 且其藻細胞數量增長率與綠色顫藻OC1無明顯差異(>0.05), 說明螺旋藻SP1跟顫藻一樣在富含高氮磷的集約化養殖尾水環境下同樣具有良好的生存潛力。

其次, 從對氮磷營養鹽的作用效果來看, 在本研究中鈍頂螺旋藻SP1對養殖尾水的氮磷營養鹽具有良好的凈化效果。NO3--N、TIN和PO43--P的最大去除率分別達到79.60%、46.06%和98.55%, 相應的濃度值分別從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, 其數量降低的絕對值分別為103.51 mg·L-1、60.27 mg·L-1、10.08 mg·L-1。王鈺舟等[25]利用啤酒廢水培養極大螺旋藻(), 啤酒廢水中的NO3--N濃度從21.03 mg·L-1降至1.15 mg·L-1, 去除率達到94.53%, 但啤酒廢水中的初始NO3--N濃度遠低于本研究養殖尾水的濃度水平, 相比較而言, 在本研究中鈍頂螺旋藻SP1對NO3--N絕對去除效果更佳。CAN等[10]利用稀釋75%的養豬廢水培養螺旋藻20 d, 將廢水中約為25.39 mg·L-1的PO43--P去除了99%, 本研究與其結果相似, 螺旋藻在第8d對養殖尾水中PO43--P的去除率達98.55%。可見, 螺旋藻能夠有效去除水體中的磷酸鹽。在養殖尾水中NH4+-N初始濃度較低, 螺旋藻對NH4+-N濃度從0.32 mg·L-1降至0.01 mg·L-1, 降解率達97.31%, 與劉如冰等[26]利用螺旋藻()去除水體中92.49%NH4+-N報導結果相似。在本研究中NH4+-N、NO2--N濃度出現了階段性升高狀況, 這可能是因為實驗系統中發生了反硝化過程所致。其實, 在生物絮團的集約化養殖過程中做好對菌群硝化功能的有效調控, 即可使水中的NH4+-N、NO2--N得到快速降解[27-28]。綜合對比, 螺旋藻SP1對養殖尾水、BG11培養液中氮磷營養的絕對去除效果更佳, 究其原因可能是養殖尾水中的N:P約為13:1, BG11培養液中N:P約為60:1, 而N:P約為13:1的環境更適合藻類生長[29]。

螺旋藻對生物絮團養殖尾水中氮磷的去除效果優于顫藻, 且能在集約化養殖尾水中正常生存; 螺旋藻由單細胞或多細胞組成, 體長200—500 μm, 寬5—10 μm, 圓柱形, 呈疏松或緊密的有規則的螺旋形彎曲[30], 這種絲狀結構在尾水處理后較其他常見水處理藻種如小球藻()[31-32]、柵藻()[33-34]等更易于回收; 螺旋藻屬于有益藍藻, 不會釋放有害藍藻毒素, 營養豐富全面, 常作為養殖動物的餌料和飼料添加劑[6-7]。綜上所述, 可以將螺旋藻作為集約化養殖尾水凈化的備選藻株。

在養殖后期, 養殖池環境穩定且氮磷營養豐富的情況下, 顫藻具有較高的生態競爭能力, 極易形成優勢種類, 危害水產動物的生長[4,35]。顫藻水華極易引發“倒藻”, 可導致大量羥胺、硫化物等有毒物質釋放, 會造成對養殖生物造成影響甚至死亡[36-37]。螺旋藻作為養殖水體后期一種有益優勢藍藻, 在進一步嘗試利用其處理養殖尾水的同時, 在養殖過程中, 建立以螺旋藻為優勢種的藻相結構, 搶占有害微藻生態位, 利用種間競爭培育優良微藻來控制有害微藻的大量滋生, 也可作為養殖環境調控的方向之一。

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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

中國水產科學研究院南海水產研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2019TS06); 現代農業產業技術體系建設專項資金項目(CARS-48); 廣東省現代農業產業技術體系創新團隊建設專項資金(2019KJ149); 廣東省促進經濟發展專項資金(現代漁業發展用途)(粵農2019B12)

魯敏(1994—), 女, 山東德州人, 碩士研究生, 主要從事養殖尾水菌藻凈化研究, E-mail: lumin152133@163.com

文國樑(1978—), 男, 碩士, 研究員, 主要從事對蝦健康養殖研究 E-mail: wgl610406@163.com

魯敏, 曹煜成, 胡曉娟, 等. 鈍頂螺旋藻SP1()對集約化養殖尾水氮磷的去除效果[J]. 生態科學, 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.