硝化毛球和底沙对硝化细菌脱氮效果的影响
安治武
摘要：本实验模拟工厂化养殖模式建立养殖水体净化装置，研究硝化毛球和底沙对硝化细菌净化效果的影响，结果表明：装载硝化毛球、铺设底沙和只投加硝化细菌制剂的三个实验组对养殖水体水质具有一定的净化效果，氨氮、亚硝氮等指标均低于空白组。其中装载硝化毛球的实验组氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌可在短时间大量生长繁殖，形成优势，使养殖池氨氮、亚硝酸盐浓度维持在较低水平；鋪设底沙的实验组对硝化细菌净化水质效果影响不大。装载硝化毛球的实验组，水质最清澈，无异味，养殖池底部无残渣碎屑，青虾生长状况良好，增重最多。
关键词：硝化细菌；硝化毛球；底沙；氨氮；亚硝酸盐
进入二十一世纪以来，我国水产养殖业迅猛发展，养殖废水也越来越引起人们的重视。养殖过程中的污染主要来自于养殖生物自身的残骸、排泄物累积和投喂的饲料过剩及杀菌剂、抗生素等药物的滥用和过度使用。这种污染造成养殖水体中的氮、磷等营养盐含量过高，造成富营养化现象。轻则会造成水环境中微生物系统失衡，水产品产量大量减少，重则会污染周边水域环境，导致鱼虾等养殖对象体内药物的积累，危害人类健康[1]。其中氨氮和亚硝酸盐是养殖水体中最常见的氮污染物，成为了养殖过程中的主要去除目标[2]。利用微生物吸收、代谢作用去除养殖水体的有机物和氮污染物的生物法应用最多，在生物处理过程中，有机物在氨化细菌作用下转化为氨氮，氨氮在硝化细菌作用下转化为硝酸盐，硝酸盐在反硝化细菌作用下最终转化为氮气释放到大气中，达到净化水质的作用。
近年来硝化细菌制剂已经广泛应用于水族箱等观赏水生生物的养殖中，在国内外水产养殖业也取得了不错的进展[3-7]。但由于硝化细菌属于化能自养型好氧细菌，生长繁殖速度慢，易受外界环境因子的影响，并且在水环境中其数量远低于异养菌种，竞争中处于劣势。因此，在养殖水体处理系统中，通过投加硝化细菌制剂增加硝化细菌数量和提高硝化速率对生物脱氮具有重要的意义。但养殖过程中，排污和正常的换水往往造成硝化细菌大量流失，没能达到理想的去除效果。目前温少鹏[8]等人研究自制硝化细菌制剂对水族箱水质的净化效果，试验结果表明：硝化细菌制剂对水族箱水质具有明显的净化效果。本实验为了进一步探寻不同载体滤料对硝化细菌脱氮效果的影响，模拟工厂化养殖模式建立一种设备简单、控制自动化、性能稳定的净化养殖水体装置，设置三个实验组，分别装载硝化毛球并投加硝化细菌制剂、铺设底沙并投加硝化细菌制剂和仅投加硝化细菌制剂，同时设置一个空白对照组（不投加菌剂）。研究整个养殖期间，不同养殖系统对氨氮、亚硝酸盐的降解效果，分析硝化毛球和底沙对硝化细菌脱氮效果和青虾生长状况的影响。
1材料与方法
1.1水产动物
青虾（Macrobranchium nipponense），学名日本沼虾，购自青岛海泊河早市。实验所用均为虾体青绿色、行动敏捷、生长状况良好的青虾，平均体重2.68±0.3 g，平均体长5.5±0.2 cm。
1.2实验器材
UVmini-1200紫外分光光度计；超静音增氧气泵；智能温控器；pH分析仪；溶解氧测定仪；自制玻璃缸，体积36.75 L（35 cm×35 cm×30 cm）。
硝化毛球，白色纤维球状，具有很大的比表面积和孔隙率，物理化学性能稳定、经久耐用。选用硝化毛球作为实验滤料是因为其作为硝化细菌附着的载体，不易堵塞，能将养殖水体中残留物质累积产生的氨氮、亚硝酸盐快速转化为硝酸盐。
底沙，由菲律宾沙和珊瑚沙组合的白沙，细沙粒径1～3 mm。
1.3菌剂
实验室自制硝化细菌（3.68×107 CFU/mL），为氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌混合培养物。
1.4实验装置
本实验模拟工厂化养殖模式的养殖池，建立一种设备简单、控制自动化的净化养殖水体装置。该装置主要由养殖池和监测系统两部分组成，其中养殖池是由自制玻璃缸构成，有效水体体积27 L；增氧气泵通过曝气头维持养殖水体中的溶解氧；监测系统由温控器、溶解氧仪、pH计组成。
硝化毛球净化养殖水体装置由养殖池、增氧气泵、载体反应器及监测系统组成，其中养殖池主体为玻璃缸，载体反应器由绳子网和硝化毛球构成，固定在养殖池上部的四角，同时水面没过其上部，使硝化毛球悬浮在水中。实验装置如图1所示。
1-增氧气泵 2-温控器 3-pH分析仪
4-溶解氧仪 5-载体反应器 6-养殖池
底沙净化养殖水体装置是在养殖池底部均匀摊铺3～5 cm底沙，其它部分相同。
1.5实验方法
实验设置硝化细菌+硝化毛球组、硝化细菌+底沙组、硝化细菌组和空白组，每个养殖池有效水体体积27 L，控制水体环境为温度25 ℃、pH 7.5、溶解氧6 mg/L，分别放养青虾15只。养殖期间，开始时硝化细菌+硝化毛球组、硝化细菌+底沙组、硝化细菌组各添加5 mL菌剂，空白组则不添加，以后每隔3 d按此剂量添加菌剂。每天定时向养殖池投加饵料，上午8：00投喂1/3，下午17：00投喂2/3。本实验采用“零换水”的养殖模式，定期向养殖池内添加水量至设计有效水体体积。实验为期一个月，每天测定氨氮浓度、亚硝酸盐浓度、温度、pH值、溶解氧等指标，实验开始和结束时测定青虾体重和体长。
1.6分析方法
氨氮浓度采用纳氏试剂分光光度计法测定，亚硝酸盐浓度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定，具体测定方法参见文献[9]。温度由智能温控器测定，pH由pH分析仪测定，溶解氧由溶解氧测定仪测定。
青虾生长状况用特定生长率表示，具体计算方法见公式（1）。
特定生长率（%，d-1）=100×[（lnWt-lnW0）]/t（1）
式中Wt——实验结束后各组青虾平均体重，g；
W0——实验开始时各组青虾平均体重，g；
t——实验时间。
2实验结果
2.1硝化毛球及底沙对硝化细菌降解氨氮的影响
硝化毛球及底沙对养殖水体氨氮浓度变化的影响如图2。
实验过程中，硝化细菌+硝化毛球组、硝化细菌组和空白组氨氮浓度均呈先上升后下降的趋势，但三组氨氮浓度变化存在明显的差异。空白组氨氮浓度第1～16 d持续增加，在第16 d达到峰值（23.57 mg/L），之后开始降低，到第26 d下降到14.23 mg/L，并在此浓度上下浮动。硝化细菌组氨氮浓度第1～8 d持续增加，在第9 d达到峰值（16.24 mg/L），之后开始降低，到第16 d下降到0.7 mg/L并保持稳定。硝化细菌+硝化毛球组氨氮浓度第1～4 d持续增加，在第4 d达到峰值（5.86 mg/L），之后开始降低，在第6 d下降到0.6 mg/L并保持稳定。三组氨氮浓度变化相比，硝化细菌+硝化毛球组氨氮浓度峰值持续的时间最短，且峰值最低，上升和下降所用时间均最少，最终稳定浓度也最低。这说明硝化细菌+硝化毛球组降解氨氮的效果最好，硝化毛球对硝化细菌的去除效率具有明显的促进作用。
硝化细菌+底沙组、硝化细菌组和空白组氨氮浓度均呈向上升后下降的趋势，其中硝化细菌+底沙组和硝化细菌组变化差异不大。硝化细菌+底沙组氨氮浓度第1～8 d持续增加，在第8 d达到峰值（13.56 mg/L），之后开始降低，到第18 d下降到0.7 mg/L。硝化细菌+底沙组与硝化细菌相比，氨氮浓度上升和下降所用时间相差不大，最终稳定浓度相同，但峰值较低。与硝化细菌+硝化毛球组相比，上升和下降时间均较长，且峰值较高。这说明底沙对硝化细菌降解氨氮影响不大，效果不明显。
2.2硝化毛球及底沙对硝化细菌降解亚硝酸盐的影响
硝化毛球及底沙对养殖水体亚硝酸盐浓度变化的影响如图3。
实验过程中，硝化细菌组和硝化细菌+硝化毛球组亚硝酸盐浓度均呈先上升后下降的趋势，而空白组则一直保持上升趋势，三组变化趋势存在明显差异。空白组亚硝酸盐浓度在整个养殖期间持续上升，在第28 d达到峰值（22.05 mg/L）。硝化细菌组前5 d亚硝酸盐浓度较低，第6～11 d持续上升，此时氨氧化细菌开始起作用，在第11 d达到峰值（19.21 mg/L），之后开始降低，并在第30 d下降到0.5 mg/L。硝化细菌+硝化毛球组第1～10 d亚硝酸盐浓度持续上升，表明硝化毛球能够是氨氧化细菌快速附着生长繁殖，数量增加，起到作用。第10 d达到峰值（27.69 mg/L），之后在第12 d开始降低，在第21 d下降到0.2 mg/L，表明此阶段亚硝酸盐氧化细菌数量增加，开始起作用。整個养殖期间，硝化细菌+硝化毛球组亚硝酸盐浓度上升和下降所用的时间都最少，且最终稳定浓度最低，说明硝化毛球对硝化细菌降解亚硝酸盐也有明显的促进作用。
硝化细菌+底沙组和硝化细菌组亚硝酸盐浓度均呈向上升后下降的趋势，两者变化趋势差异不大，而空白组持续上升。硝化细菌+底沙组和硝化细菌组前5 d亚硝酸盐浓度均较低，之后开始持续上升，前者在第12 d达到峰值（16.75 mg/L），随后开始下降，最终稳定浓度和硝化细菌组相差不大。与硝化细菌+硝化毛球组相比，亚硝酸盐浓度达到峰值较小，但峰值前后上升和下降的时间均较长，且最终稳定浓度较大。这说明底沙对硝化细菌降解亚硝酸盐影响不大，效果不明显。
2.3硝化毛球和底沙对青虾生长的影响
实验结束时三个不同处理组的青虾体长差异不明显，各组青虾平均体长均为6～7 cm。三组青虾平均体重差异比较明显，其中空白组青虾平均体重2.97 g，硝化细菌组平均虾重3.56 g，硝化细菌+硝化毛球组平均虾重3.94 g。四组青虾特定生长率计算方法见公式（1），结果如图4所示。
由图可见，硝化细菌+硝化毛球组青虾特定生长率最高，虾重增加最多，硝化细菌+底沙组次之，硝化细菌组较低于硝化细菌+底沙组，虾重增加较少，空白组最少。
3讨论
从本实验可以看出，四组养殖池内氨氮浓度均呈先上升后下降的趋势，而亚硝酸盐浓度变化不同，三个实验组先上升后下降，空白组则一直上升。这是由于无论是否添加硝化细菌制剂，当养殖池内氨氮浓度积累到一定程度，硝化细菌中的氨氧化细菌形成优势，将氨氮转化为亚硝氮。随着亚硝酸盐浓度的增加，实验组中的亚硝酸氧化细菌开始起作用，将亚硝氮转化为硝氮，由于亚硝酸氧化细菌相较于氨氧化细菌形成优势菌种的过程更加缓慢，空白组就会出现持续上升的现象，这与温少鹏等[9]研究自制硝化细菌制剂对水族箱水质的净化效果实验结果相同。
从使用两种不同滤料硝化毛球和底沙看出，两组对氨氮、亚硝酸盐降解效果不同。当温度、pH、溶解氧等外界实验条件一样时，我们目的是使硝化细菌在适宜的条件下快速地生长繁殖。就硝化细菌的特性而言，属于附着生长型细菌，所以选择合适的载体滤料尤为重要。底沙作为水族箱常用的载体，美观大方，性质稳定，具有一定的生物净化作用。但底沙是由大量细小的颗粒摊铺在水族箱底部，密度较大，只有表层部分受到水流的冲刷接收到氧气，随着养殖周期的增加，残饵、粪便会沉积在底沙表面，导致水循环崩溃，硝化系统失效。同时底沙表面积有限，也限制了硝化细菌的生长。所以硝化细菌+底沙组和硝化细菌组对氨氮、亚硝酸盐的降解效果相差不大。在实验过程中，装载有硝化毛球的养殖池底部非常干净，很少有碎屑和残渣，这是由于硝化毛球具有空隙可变的纤维丝，有很好的物理过滤作用，且不易堵塞。同时硝化毛球作为滤材具有很大的比表面积，能够为硝化细菌提供附着生长的场所，氨氧化细菌可以大量繁殖，将氨氮转化为亚硝酸盐，降低了氨氮浓度的峰值，使养殖池氨氮浓度保持在较低水平。随着亚硝酸盐浓度的升高，为亚硝酸氧化细菌提供氮源，形成优势，将亚硝酸盐快速转化为硝酸盐，完成整个硝化过程。由于氨氮、亚硝酸盐浓度均保持在较低水平，对青虾毒害作用小，生长状况最好，增重最多。
4结论及建议
本实验模拟工厂化养殖模式建立一种净化养殖水体装置，研究硝化毛球和底沙对硝化细菌净化养殖水体效果的影响，得出以下结论：
（1）三组实验组对养殖水体水质具有明显的净化效果，氨氮、亚硝氮等指标均低于空白组。
（2）装载硝化毛球的实验组氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌可在较短时间大量生长繁殖，形成优势，使养殖池氨氮、亚硝酸盐浓度保持在较低水平；摊铺底沙的实验组对硝化细菌净化水质效果影响不大。
（3）装载硝化毛球并投加硝化细菌的实验组，水质最清澈，无异味，养殖池底部无残渣碎屑，青虾生长状况良好，增重最多。
通过实验结论提出几点建议：
（1）选择合适的载体滤料，应具有高比表面积和大孔隙率，物理化学性能稳定且对微生物和养殖动物无毒害，生物滞留量大、价格低廉等优点。
（2）载体滤料选择合适的布置方式，其大小和数量符合水体净化的需要，悬浮于水体中，便于拆卸、整合，满足微生物特性和养殖动物要求。
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（收稿日期：2016-10-18）
