飼料源Cu(Ⅱ)在生物絮團(tuán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的積累及其對氨氧化的影響

徐 波,劉文暢,2,譚洪新,2,羅國芝,2,萬玉美,3,姚妙蘭

(1 上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心(上海海洋大學(xué))，上海 201306；2 水產(chǎn)動(dòng)物良種創(chuàng)制與綠色養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心(上海海洋大學(xué))，上海 201306；3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)海洋學(xué)院，河北秦皇島 066000)

生物絮團(tuán)技術(shù)(Biofloc Technology,BFT)是基于活性污泥法發(fā)展而來的一種水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理技術(shù)，該技術(shù)作為一種環(huán)境友好型養(yǎng)殖模式得以快速發(fā)展[1-2]。其基本原理是通過調(diào)節(jié)水體中的碳氮比(C/N)，并給予其足夠的攪拌強(qiáng)度，細(xì)菌主要通過同化作用等生化過程轉(zhuǎn)化水體中的氨氮等物質(zhì)，控制養(yǎng)殖系統(tǒng)中的氨氮和亞硝酸鹽等有害物質(zhì)[3-4]。近年，重點(diǎn)利用氨氧化等作用的硝化型BFT水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)逐步成為BFT的主要應(yīng)用模式之一[5-6]。在BFT水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，溶氧、pH和溫度等因素會影響硝化細(xì)菌的氨氧化能力[7-8]。

重金屬是生態(tài)環(huán)境方面不可忽視的毒性污染物，對水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖對象以及水產(chǎn)品消費(fèi)者都有著相應(yīng)的影響。一方面，部分重金屬是生物體不可或缺的微量元素；另一方面，當(dāng)其超過生物耐受限度時(shí)又會引起生物體中毒反應(yīng)[9]。為了滿足養(yǎng)殖動(dòng)物對礦物質(zhì)的營養(yǎng)需求，水產(chǎn)飼料會添加銅(Cu)等重金屬物質(zhì)，并且這些重金屬物質(zhì)會在不換水和少換水的養(yǎng)殖系統(tǒng)中不斷積累[10-11]。重金屬影響著不同生態(tài)系統(tǒng)中硝化細(xì)菌的硝化水平[12-14]，翁永根等[15]探究了Cu(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ) 3種重金屬離子對海水中氨氧化、硝化作用的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度大于100 μg/L就會顯著地抑制海水條件下硝化細(xì)菌的氨氧化功能，并且Cu(Ⅱ)對海水條件的硝化作用產(chǎn)生抑制后,其硝化功能很難得到恢復(fù)。而在淡水條件下，重金屬對硝化過程的影響研究主要集中在活性污泥廢水處理、脫氮除磷反應(yīng)器等方面，且質(zhì)量濃度一般較高[16-17]。

為了生物絮團(tuán)技術(shù)更加安全、有效地應(yīng)用，對生物絮團(tuán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中銅積累進(jìn)行了探索，并研究其對氨氧化的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

探究生物絮團(tuán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中Cu(Ⅱ)積累部分：所用裝置為有效工作體積為200 L的圓柱形塑料養(yǎng)殖桶(直徑62 cm，高83 cm)，該階段設(shè)置3個(gè)平行，3個(gè)養(yǎng)殖桶均由1臺功率為370 W的旋渦鼓風(fēng)機(jī)提供溶氧和水體混合。試驗(yàn)魚為同一批次孵化的吉富羅非魚(GIFTOreochromisniloticus)，體質(zhì)量為(0.53±0.08) g，體質(zhì)健康，購自廣東省廣州市猛虎水產(chǎn)有限公司。所用試驗(yàn)飼料為廣東省中山市統(tǒng)一企業(yè)有限公司生產(chǎn)的羅非魚飼料，其產(chǎn)品成分為：粗蛋白≥32.0%，粗脂肪≥2.0%，粗纖維≤8.0%，粗灰分≤12.0%，鈣≥2.0%，0.6%≤總磷≤3.5%，水分≤12.0%，賴氨酸≥1.4% (數(shù)據(jù)由廠家提供)。飼料中Cu(Ⅱ)含量為19 μg/g(數(shù)據(jù)為實(shí)際檢測結(jié)果)。

探究Cu(Ⅱ)對生物絮團(tuán)氨氧化影響部分：所用裝置為有效工作體積為500 mL的透明玻璃錐形瓶，置于恒溫?fù)u床(Innova 43R)中進(jìn)行反應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測定指標(biāo)和方法

水中溶解性Cu(Ⅱ)用原子吸收光譜儀(pinaacie 900T)測定。生物絮團(tuán)中的Cu(Ⅱ)測定時(shí)將絮體收集后65℃烘箱烘干、研磨、100目篩網(wǎng)過篩，然后稱取0.1 g置于消解管中，并一次性加入3 mL HCl、1 mL HNO3、1 mL HF(3種酸均為優(yōu)級純，質(zhì)量濃度分別為：36%～38%、65%～68%、45%～48%)，再將消解管置于無線遙控智能消解儀(Labotery XJS36-42W)中按照下述消解程序消解：15 min之內(nèi)升溫到120℃，保持120 min，并每30 min輕微震蕩一次，冷卻至室溫。最后將消解后的樣品稀釋一定倍數(shù)后用原子吸收光譜儀測定。絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量按(1)式計(jì)算：

(1)

式中：ω為絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量，μg/g；ρ為絮團(tuán)烘干消解定容稀釋后測定質(zhì)量濃度，μg/L；n為稀釋倍數(shù)；V為消解后的溶液體積，L;m為絮團(tuán)消解所取質(zhì)量，g。

(2)

式中:R為氨氮氧化速率，mg/(L·h)；Ai表示TAN初始質(zhì)量濃度，mg/L；At表示TAN終末質(zhì)量濃度，mg/L；t表示反應(yīng)時(shí)間，h。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)，由Origin軟件進(jìn)行相關(guān)圖表的繪制。試驗(yàn)數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(X±SD)形式表示，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行配對T檢驗(yàn)或單因素方差分析顯著性，P<0.05為差異性顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物絮團(tuán)對水質(zhì)的控制

生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化

2.2 生物絮團(tuán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中Cu(Ⅱ)的積累

本試驗(yàn)養(yǎng)殖持續(xù)91 d，養(yǎng)殖系統(tǒng)絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量初始值和終末值分別是(160.67±7.33) μg/g和(156.17±4.12) μg/g，采用配對樣本T檢驗(yàn)對養(yǎng)殖前后系統(tǒng)中絮團(tuán)的Cu(Ⅱ)含量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示養(yǎng)殖前后絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量無顯著性差異(P>0.05)。絮團(tuán)中的Cu(Ⅱ)含量取決于系統(tǒng)中流入Cu(Ⅱ)的總量、絮團(tuán)對Cu(Ⅱ)的吸收能力以及系統(tǒng)的總懸浮固體顆粒物(Total suspended solids,TSS)，從絮團(tuán)的長期使用和重復(fù)使用考慮，隨著流入Cu(Ⅱ)的不斷增加，由于絮團(tuán)對Cu(Ⅱ)吸收能力的限制，以及系統(tǒng)TSS水平，絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量未增加，但是水體中作為絮團(tuán)的TSS增加了。

圖2是生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖期間水中溶解性Cu(Ⅱ)含量和系統(tǒng)TSS的變化情況。生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中水中溶解性Cu(Ⅱ)含量持續(xù)積累，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)已經(jīng)達(dá)到(18.34±0.77) μg/L，未出現(xiàn)峰值，TSS的變化趨勢可以看出，在生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，通過投喂等方式流入系統(tǒng)的Cu(Ⅱ)主要是通過系統(tǒng)中溶解性Cu(Ⅱ)的積累和系統(tǒng)TSS的持續(xù)增長得以容納。

圖2 養(yǎng)殖期間溶解性Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度和系統(tǒng)TSS動(dòng)態(tài)變化

研究表明，水產(chǎn)動(dòng)物呼吸作用、攝食行為以及水體的滲透交換作用都會吸收水體中的重金屬[22]。同時(shí)，在生物絮團(tuán)系統(tǒng)中，養(yǎng)殖對象會直接對絮團(tuán)進(jìn)行攝食[23]。

而本試驗(yàn)中水中溶解性Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度在養(yǎng)殖第42天便高于10 μg/g，并在此后的養(yǎng)殖過程仍不斷積累，南旭陽[24]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水體中Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度為12 μg/g及以上時(shí)，在水體中生存8 d以上鯽魚的紅細(xì)胞和血紅蛋白量均急驟下降，顯著地影響了鯽魚的代謝功能，其影響程度有較為明顯的劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。同時(shí)，GB 11607—89《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》[25]中要求為ρCu(Ⅱ)≤10 μg/g，水產(chǎn)動(dòng)物長期生存在該條件的水體，有Cu(Ⅱ)在體內(nèi)高度富集的風(fēng)險(xiǎn)，而Cu(Ⅱ)不僅危害水產(chǎn)動(dòng)物自身的相關(guān)生理機(jī)能，同時(shí)從食品安全的角度出發(fā)，對人體健康也構(gòu)成了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)[26-27]。

2.3 Cu(Ⅱ)對生物絮團(tuán)氨氧化的影響

圖3、圖4是Cu(Ⅱ)對生物絮團(tuán)氨氧化影響的氮轉(zhuǎn)化情況。

圖3 氨氧化反應(yīng)TAN(a)和含量變化

圖4 氨氧化反應(yīng)和TAN(b)含量變化

表1是氨氧化速率和氨氮去除率。在加入反應(yīng)物NH4Cl后，各組TAN均逐步降低，前4 h氨氧化速率均高于0.44 mg/(L·h)。反應(yīng)20 h后，各組氨氮均降至0.2 mg/L以下，氨氮去除率均高于97%。各組在氨氧化速率和TAN轉(zhuǎn)化水平均無顯著性差異(P>0.05)。

表1 氨氧化速率和氨氮去除率

重金屬可以顯著地對細(xì)菌產(chǎn)生毒性作用，其毒性可以使細(xì)菌的酶蛋白活性大幅降低從而使細(xì)菌失活[28]，Cu(Ⅱ)對氨氧化的影響其實(shí)質(zhì)是其對氨氧化細(xì)菌的毒性作用[29]，王瑤[30]也認(rèn)為Cu(Ⅱ)會影響微生物的新陳代謝，進(jìn)而對氨氮的去除率產(chǎn)生一定的抑制作用。本試驗(yàn)中的Cu(Ⅱ)質(zhì)量濃度在1 000 μg/g條件下對絮團(tuán)作用了20 h，沒有顯著抑制絮團(tuán)的氨氧化功能，這可能是由于作用時(shí)間較短的緣故，而利用生物絮團(tuán)進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖是個(gè)長期活動(dòng)，所以存在Cu(Ⅱ)對絮團(tuán)氨氧化能力產(chǎn)生抑制的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這樣就會在一定程度上降低BFT的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

在生物絮團(tuán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，通過飼料輸入養(yǎng)殖系統(tǒng)中的Cu(Ⅱ)主要以水體中溶解性Cu(Ⅱ)的積累和TSS增長的方式所容納。溶解性Cu(Ⅱ)隨著養(yǎng)殖時(shí)間的延長而不斷積累，可在養(yǎng)殖的第42天達(dá)到10 μg/g以上，高于漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是，絮團(tuán)中Cu(Ⅱ)含量在短期養(yǎng)殖前后沒有顯著性差異。在硝化型生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，即使系統(tǒng)中的Cu(Ⅱ)達(dá)到1 000 μg/g，也不會對氨氧化效果產(chǎn)生顯著影響。

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