利用生物炭與PHBV固相脫氮系統(tǒng)凈化河蟹養(yǎng)殖水體

施林林 金梅娟 沈明星 王海候 陸長(zhǎng)嬰 周新偉 陶玥玥 董林林 陸麗華

摘要： 河蟹是高附加值水產(chǎn)品，但養(yǎng)殖過(guò)程中常導(dǎo)致水體氮元素超標(biāo)，造成環(huán)境污染。通過(guò)生物炭與聚羥基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）作載體，構(gòu)建固相脫氮系統(tǒng)（BP），研究其在河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)對(duì)水體中總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除能力，綜合考察其對(duì)河蟹養(yǎng)殖的影響，并與常規(guī)養(yǎng)殖（CK）進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，通過(guò)BP處理后，在河蟹養(yǎng)殖周期內(nèi)，水體總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著低于對(duì)照（P<0.05）。BP處理平均總氮含量變幅為0.16～4.75 mg/L，平均銨態(tài)氮含量變幅為0.17～2.10 mg/L，平均硝態(tài)氮含量變幅為0.10～0.81 mg/L;總氮平均去除率為62.03%，銨態(tài)氮平均去除率為73.76%，硝態(tài)氮平均去除率為72.53%;河蟹產(chǎn)量為948 kg/hm2，比CK增產(chǎn)34%，河蟹個(gè)體質(zhì)量無(wú)顯著變化，但回捕率提升23%，回捕率提升是河蟹增產(chǎn)的主要原因?？傮w而言，經(jīng)BP處理后養(yǎng)殖尾水達(dá)到地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002），滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞： 生物炭;PHBV;固相脫氮;河蟹;養(yǎng)殖水體

中圖分類(lèi)號(hào)：X52? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）05-0250-05

陽(yáng)澄湖大閘蟹（學(xué)名中華絨螯蟹，俗稱(chēng)河蟹，下面簡(jiǎn)稱(chēng)河蟹）是我國(guó)知名的水產(chǎn)品，具有極高的經(jīng)濟(jì)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[1]。同時(shí)，河蟹圍欄養(yǎng)殖嚴(yán)重污染了周邊水體，目前養(yǎng)殖模式正全面轉(zhuǎn)向集約化池塘養(yǎng)殖，但集約化高強(qiáng)度養(yǎng)殖投入的大量餌料和河蟹排泄物常常導(dǎo)致養(yǎng)殖水體的氮超標(biāo)，因此河蟹養(yǎng)殖尾水對(duì)陽(yáng)澄湖等水源地水質(zhì)是極大的風(fēng)險(xiǎn)源[2-3]。

生物炭是一種新型環(huán)境功能材料，其顯著特點(diǎn)是比表面積大、孔隙豐富、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有極強(qiáng)的吸附性能[4]。利用生物炭?jī)艋w是目前一個(gè)重要的研究方向，對(duì)不同生物炭的水體氮吸附能力研究表明，pH值、反應(yīng)時(shí)間、氮濃度、生物炭量、粒徑、共存陰離子等是水體氮吸附的主要影響因素[5-8]。同時(shí)，袁敏等通過(guò)將生物炭作為吸附材料，固定化微生物繼而強(qiáng)化人工濕地取得了良好的效果[9]，結(jié)果表明生物炭也可作為輔助脫氮材料，在復(fù)合凈水體系中發(fā)揮重要作用。

聚羥基丁酸戊酸共聚酯，英文名poly（3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate），簡(jiǎn)稱(chēng)PHBV，是一種新型可完全生物降解材料[10-11]，被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，包括藥學(xué)、組織工程、包裝材料等[12-14]。PHBV來(lái)源極為廣泛，可以利用各種有機(jī)物為原料，如淀粉、廢棄果蔬、食品工業(yè)廢棄物等，為其大量應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。近期研究表明，PHBV可在水體固相脫氮中作為碳源，研究發(fā)現(xiàn)，PHBV作為碳源可增強(qiáng)反應(yīng)器的反硝化能力，提高硝態(tài)氮的去除率[16-19]，同時(shí)最新研究表明，在人工曝氣情況下，PHBV也可增強(qiáng)反應(yīng)器中的硝化作用，在PHBV表面銨態(tài)氮的去除率可達(dá)90.4%[10]。

綜合考察生物炭對(duì)氮吸附及PHBV作為固定碳源在硝化與反硝化中的作用，建立如下技術(shù)猜想：構(gòu)建生物炭與PHBV共混體系，即利用生物炭對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的理化吸附，延長(zhǎng)其在反應(yīng)器中的駐留時(shí)間，同時(shí)利用PHBV作為固態(tài)碳源，通過(guò)微生物的硝化與反硝化功能進(jìn)行脫氮。為驗(yàn)證這一猜想，在前期實(shí)驗(yàn)室模擬研究基礎(chǔ)上，利用河蟹養(yǎng)殖水體這一人工富氮水體作為研究對(duì)象，在近7個(gè)月的時(shí)間內(nèi)定期監(jiān)測(cè)水體的氮含量。這一研究從生產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，填補(bǔ)了目前類(lèi)似研究偏理論輕應(yīng)用的不足。

本研究擬解決如下問(wèn)題：（1）利用生物炭與PHBV共混體系提高對(duì)養(yǎng)殖水體的實(shí)際氮削減能力;（2）養(yǎng)殖水體減氮后，河蟹產(chǎn)量變化及原因分析。

1 材料與方法

1.1 生物炭與PHBV共混凈化系統(tǒng)（BP）

生物炭為綠化廢棄樹(shù)枝在450～500 ℃條件下自行制備，并經(jīng)機(jī)械粉碎，粒徑約為5 cm;生物聚酯PHBV，即聚羥基丁酸戊酸共聚酯（羥基戊酸含量1%，顆粒態(tài)，粒徑約為5 mm），購(gòu)自寧波天安生物材料有限公司;將生物炭與PHBV按體積比5 ∶1混合均勻備用。同時(shí)準(zhǔn)備高1.5 m，內(nèi)徑1.2 m的塑料桶，在桶底鋪設(shè)20 cm海綿用以過(guò)濾懸浮顆粒，并在上面放置10 cm生物炭與PHBV共混體系，再放置1層10 cm過(guò)濾海綿，以此向上再重復(fù)2次形成三明治式人工凈化體系。通過(guò)水泵將此共混體系與河蟹養(yǎng)殖塘串聯(lián)，每50 m2養(yǎng)殖塘配置1套凈化系統(tǒng)（圖1）。

1.2 養(yǎng)殖塘概況與養(yǎng)殖管理

蟹塘位于蘇州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院陽(yáng)澄湖河蟹養(yǎng)殖基地，試驗(yàn)用養(yǎng)殖塘在2013年開(kāi)挖，平均深度為1.2 m，單塘面積均為50 m2，塘與塘中間用雙層PVC板隔開(kāi)，防止水體交換與河蟹逃逸。放養(yǎng)蟹苗前用生石灰徹底消毒，15 d后每塘種植伊樂(lè)藻20 m2，并用三元復(fù)合肥225 g（N ∶P2O5 ∶K2O=15 ∶15 ∶15）溶水潑施，用以促進(jìn)水草生長(zhǎng)。在水草扎根后放養(yǎng)扣蟹，每塘80只，公母對(duì)半，平均體質(zhì)量為15 g。每天早晚根據(jù)河蟹大小投放餌料，顆粒餌料采購(gòu)自通威集團(tuán)。為防止河蟹缺氧，養(yǎng)殖塘均配備微孔增氧設(shè)施，并在夜晚10：00至凌晨04：00自動(dòng)運(yùn)行。河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中進(jìn)水源頭均為陽(yáng)澄湖（平均總氮含量0.2 mg/L），根據(jù)氣溫適時(shí)進(jìn)水調(diào)節(jié)蟹塘水深，平均水深為80 cm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行

試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，從基地隨機(jī)挑選6個(gè)50 m2養(yǎng)殖塘，3個(gè)塘作為對(duì)照，即常規(guī)養(yǎng)殖模式（CK）;剩余3個(gè)塘作為處理，在常規(guī)養(yǎng)殖的基礎(chǔ)上配合使用生物炭與PHBV共混凈化體系（BP）（圖1）。試驗(yàn)于2017年5月2日正式開(kāi)始運(yùn)行，運(yùn)行前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作均已完成，包括蟹塘消毒、水草栽培、扣蟹放養(yǎng)等。BP系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后控制進(jìn)水流量為10.41 L/h，每7 d對(duì)BP系統(tǒng)進(jìn)行1次清理維護(hù)，防止堵塞，定期人工修剪水草，使其覆蓋面積穩(wěn)定在40%。

1.4 水體養(yǎng)分與河蟹產(chǎn)量分析

5月份每隔10 d取水樣1次，6—11月每隔7 d取水樣1次。每個(gè)養(yǎng)殖塘用水體取樣器隨機(jī)在水面以下20 cm取水樣3份混勻，采用SKALAR SAN++分析系統(tǒng)測(cè)定水體總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。BP系統(tǒng)氮去除率計(jì)算方法：去除率=（CK系統(tǒng)氮含量-BP系統(tǒng)氮含量）/CK系統(tǒng)氮含量×100%。在養(yǎng)殖結(jié)束后將水排干，收集所有塘內(nèi)河蟹，分別稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)數(shù)。河蟹回捕率計(jì)算公式：回捕率=捕獲成蟹數(shù)/放養(yǎng)扣蟹數(shù)×100%。

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)錄入和作圖采用Office 2010，統(tǒng)計(jì)分析采用IBM SPSS Statistics 19.0。采用t-測(cè)驗(yàn)方法比較處理間水體總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量和河蟹產(chǎn)量、個(gè)體質(zhì)量、回捕率的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)殖周期內(nèi)水體氮養(yǎng)分

根據(jù)河蟹養(yǎng)殖水體氮養(yǎng)分變化規(guī)律，在時(shí)間上可分成3個(gè)階段進(jìn)行分析討論（圖2）。階段1（養(yǎng)殖開(kāi)始至6月1日）是養(yǎng)殖前期，也是河蟹養(yǎng)殖水體養(yǎng)分最不易調(diào)和的時(shí)期。一方面在階段1必須投入足量的氮養(yǎng)分以供應(yīng)水草的快速生長(zhǎng)，只有水草繁茂才能為河蟹棲息隱蔽提供良好的生境，否則河蟹極易自相殘殺，導(dǎo)致回捕率低[20];另一方面，過(guò)高的氮、磷養(yǎng)分也容易引起藻類(lèi)的暴發(fā)，導(dǎo)致水體透光度變差，反而不利于水草存活。為有效調(diào)和這一矛盾，在水草長(zhǎng)根吸肥后，要通過(guò)BP系統(tǒng)快速降低水體氮含量，避免藻類(lèi)過(guò)度繁殖。結(jié)果表明，在階段1中，CK、BP處理平均總氮含量分別為6.18、4.75 mg/L，銨態(tài)氮含量分別為3.04、2.10 mg/L，硝態(tài)氮含量分別為1.17、0.81 mg/L。由于蟹塘自身也具備凈化作用（如伊樂(lè)藻對(duì)氮元素的吸收和水體微生物對(duì)氮元素的利用），CK和BP處理均顯示了一定的脫氮能力，但統(tǒng)計(jì)表明，BP處理顯著降低了這一階段水體總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量（P<0.05）。短期內(nèi)生物炭對(duì)無(wú)機(jī)氮離子具有極強(qiáng)的吸附能力[5，21]，因此在階段1，BP處理對(duì)水體凈化的貢獻(xiàn)可能主要源自生物炭對(duì)無(wú)機(jī)氮離子的吸附，同時(shí)也是生物炭和PHBV共混體系形成微生物膜的過(guò)程。BP系統(tǒng)中海綿對(duì)水體中固體顆粒物也具備一定的攔截能力，但海綿的攔截極易飽和。

由于6—8月份氣溫逐步升高，階段2（6月1日至9月1日）也是河蟹養(yǎng)殖過(guò)程中水質(zhì)最易變差的時(shí)期，也是養(yǎng)殖尾水外排關(guān)鍵時(shí)期。由圖2可知，總體而言BP處理在高溫期能有效控制水體氮營(yíng)養(yǎng)，階段2中CK處理總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著高于BP處理，2個(gè)處理的平均總氮含量分別為1.94、0.70 mg/L，平均銨態(tài)氮含量分別為0.70、0.20 mg/L，平均硝態(tài)氮含量分別為0.61、0.15 mg/L。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）[22]，按總氮計(jì)，CK處理水質(zhì)為V類(lèi)水，而B(niǎo)P處理后能達(dá)到Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn);按銨態(tài)氮計(jì)，CK處理水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)水，BP處理水質(zhì)可達(dá)Ⅱ類(lèi);由于標(biāo)準(zhǔn)中硝態(tài)氮限制為10 mg/L，因此硝態(tài)氮處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。在陽(yáng)澄湖地區(qū)8月下旬通常為年均氣溫最高的時(shí)期，2017年8月下旬該地區(qū)平均氣溫超過(guò)35°C，而伊樂(lè)藻作為外來(lái)物種，本身不耐熱，極易在高溫期大量死亡，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[23-24]，因此在階段2水體總氮和銨態(tài)氮含量在8月下旬均達(dá)一個(gè)小高峰（圖2），但通過(guò)BP系統(tǒng)脫氮后，水體總氮含量穩(wěn)定在1.41 mg/L，銨態(tài)氮含量穩(wěn)定在0.55 mg/L，分別達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

階段3（9月1日至收獲）伴隨氣溫逐步降低，養(yǎng)殖水體氮含量也逐步降低，但同時(shí)由于河蟹捕撈的要求，通常會(huì)在養(yǎng)殖后期密集排水，因此階段3是養(yǎng)殖尾水超標(biāo)排放的重要時(shí)期。統(tǒng)計(jì)分析表明，BP處理的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮排放量顯著低于CK處理，其中CK、BP處理的總氮含量分別為1.51、0.67 mg/L，銨態(tài)氮含量分別為0.56、0.17 mg/L，硝態(tài)氮含量分別為1.35、0.10 mg/L。參考地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）[22]，BP處理的總氮含量滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，銨態(tài)氮含量滿(mǎn)足Ⅰ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，而CK處理總氮含量滿(mǎn)足V類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，銨態(tài)氮含量滿(mǎn)足Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。參考淡水池塘養(yǎng)殖水排放要求（SC/T 9101—2007）[25]，CK和BP處理均滿(mǎn)足排放要求。但考慮到陽(yáng)澄湖也是市民水源地，參考生活飲用水水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（CJ 3020—1993）[26]，Ⅰ級(jí)飲用水水源銨態(tài)氮含量應(yīng)不超過(guò)0.5 mg/L，經(jīng)BP處理后，后期養(yǎng)殖尾水可直接外排。

由圖3可知，總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在養(yǎng)殖周期內(nèi)BP系統(tǒng)的去除率可分為2個(gè)時(shí)期，階段1為第1時(shí)期，在此時(shí)期氮去除率快速增加，從最低的3.14%提升至最高70.50%，且硝態(tài)氮去除率的提升速度較銨態(tài)氮和總氮快。第2時(shí)期為階段2和階段3（6—11月），在此時(shí)期，BP系統(tǒng)的氮去除效率基本保持穩(wěn)定，其中總氮平均去除率為62.03%，銨態(tài)氮平均去除率為73.76%，硝態(tài)氮平均去除率為72.53%。與實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)的凈化率相比（表1），BP系統(tǒng)的氮去除能力并不突出，特別是硝態(tài)氮去除率仍相對(duì)較低，但實(shí)際應(yīng)用條件具有復(fù)雜性和不可控性，且從最終水體的排放效果看，已完全滿(mǎn)足排放要求，因此從水體凈化角度而言，BP系統(tǒng)可用于河蟹養(yǎng)殖水體的氮營(yíng)養(yǎng)控制。

2.2 河蟹產(chǎn)量及回捕率

由圖4可知，在BP處理下河蟹產(chǎn)量顯著高于CK處理，BP處理平均產(chǎn)量為948 kg/hm2，較CK處理增產(chǎn)34%。河蟹的平均個(gè)體大小并無(wú)顯著區(qū)別，平均為96 g。河蟹回捕率在BP處理下顯著提升（P<0.05），BP處理平均回捕率為59%，比CK高出23%。陽(yáng)澄湖河蟹是中國(guó)知名水產(chǎn)品，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。提高河蟹的產(chǎn)量能直接提高養(yǎng)殖戶(hù)/公司的經(jīng)濟(jì)收益，從個(gè)體大小和回捕率分析，BP處理?xiàng)l件下，河蟹回捕率提升是增產(chǎn)的主要原因。首先，養(yǎng)殖水體氮含量的改善了水體微生物群落結(jié)構(gòu)[29-30]，有利于降低河蟹染病概率[31]，進(jìn)而提高河蟹回捕率;其次，水體氮含量降低減少了藻類(lèi)的過(guò)度繁殖，增強(qiáng)了水體透光度，利于水草生長(zhǎng)，為河蟹脫殼期提供了良好的環(huán)境。

3 結(jié)論

采用生物炭與PHBV共混系統(tǒng)（BP）處理河蟹養(yǎng)殖水體后，水體總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均得到顯著降低。參考地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)BP處理后河蟹養(yǎng)殖水滿(mǎn)足地表水Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn);參考生活飲用水水源標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)BP處理后，養(yǎng)殖尾水滿(mǎn)足Ⅰ類(lèi)生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可以直接外排。

BP系統(tǒng)顯著增加了河蟹的產(chǎn)量，較常規(guī)養(yǎng)殖增產(chǎn)34%，其主要增產(chǎn)機(jī)制是通過(guò)改善河蟹生存環(huán)境，來(lái)提高河蟹回捕率。

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收 稿日期：2019-02-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2012BAD14B12-03）;江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院顛覆性項(xiàng)目[編號(hào)：ZX（17）2001];江蘇省蘇州市科技示范項(xiàng)目（編號(hào)：SNG201645）。

作者簡(jiǎn)介：施林林（1982—），男，江蘇南通人，博士，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究。E-mail：linls@jaas.ac.cn。

通信作者：沈明星，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：smx@jaas.ac.cn。