硝化细菌对海参养殖系统水质的净化效果
硝化细菌对海参养殖系统水质的净化效果?
周洋，宋志文，杨莹莹，丁晓妹，于淼，孙群
（青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛266033） 摘要：氨氮和亚硝酸氮对水产动物有强烈的毒害作用，是海水养殖系统的主要去除目标。本文研究硝化细菌制剂对海参养殖系统水质的净化效果以及堆刺参生长的影响，结果表明，硝化细菌对养殖系统水质有明显的净化效果。投加菌剂的实验组氨氮和亚硝酸氮出现峰值的时间和对照组相比明显缩短，且氨氮和亚硝酸氮峰值浓度明显低于对照组，说明投加硝化细菌制剂后，养殖系统内的氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌可在短时间内形成优势，促进了氨氮和亚硝酸氮的进一步转化。对照组氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌需要较长的时间才形成优势，从而导致氨氮和亚硝酸盐的积累。观察实验过程中海参的生长情况发现，实验组海参生长状况良好，而对照组中海参在19d时全部死亡。
关键词：海参；硝化细菌；氨氮；亚硝酸氮；水质净化
中图分类号： 文献标示码：A
Effect of nitrifying bacteria inoculums on water purification in
holothurian breeding system
Zhou Yang，Song Zhiwen，Yang Yingying，Ding Xiaomei，Yu Miao，Sun Qun (Institute of Environment and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033)
Abstract: The ammonium and nitrite are two kinds of main toxic substance to aquatic animals. Removing ammonium nitrogen and nitrite nitrogen is thus an important objective in aquaculture. In this paper, the performance of of nitrifying bacteria inoculums in holothurian breeding has been explored. The results showed that the nitrifying bacteria inoculums exhibited obvious purification effect in aquaculture system. The application of nitrifying bacteria inoculums can shorten the period that ammonium and nitrite need to reach the peak concentration when compared with the control group. It indicated that ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria in cultured box increased rapidly in a short period of time and maintained ammonia nitrogen，nitrite nitrogen at lower concentration levels.
However, ammonia nitrogen and nitrite nitrogen accumulated seriously in control group because ammonia-oxidizing bacteria and nitrite-oxidizing bacteria grow slowly under natural conditions.
Key words: sea cucumber; nitrifying bacteria; purification
1 引言
海参是人们喜爱的海洋滋补品，其含有的酸性粘多糖对人体生长、愈疮、成骨和预防组织老化、动脉硬化等有特殊的功能；丰富的蛋白质、胶原成分和蛋白聚糖、五肽、三萜糖苷等具有抗肿瘤、
?基金项目：青岛市科技计划项目（07-2-3-13-jch）和建设部项目（04-2-060）。
作者简介：周洋（1984-），男，山东青岛人，硕士研究生，主要从事环境生物技术方面研究。Tel：0532-********，E-mail：allfriend@https://www.360docs.net/doc/06104027.html,
消炎和溶血作用[1]。随着人们生活水平的提高和保健意识的增强，海参的保健作用得到了越来越广泛的认同。据报道，全世界大约有40种海参可供食用，我国可食用得海参有21种，其中刺参的食用和商品价值最高。由于需要量不断增加，天然产量已远不能满足市场的需要，海参养殖业应运而生。但是由于养殖业集约化程度的不断加深，加上缺乏科学的管理和规范化的操作，使得刺参病害频繁发生，严重制约了产业的健康、稳定发展[2]。
海参养殖系统中由于排泄，残饵、粪便分解，会造成氨氮、亚硝酸氮盐、硫化氢等有毒物质增加，从而导致养殖环境水质恶化，是刺参病害频繁发生的一个重要原因，其中氨氮和亚硝酸氮是养殖系统最主要的去除目标。如何快速有效地控制系统中氮的存在形式和浓度，减少氨氮和亚硝酸氮对海参的危害，是人工调控，养殖系统水质的重要手段和内容[3]。硝化细菌能够专性转化水体中的氨氮和亚硝酸氮，在海水养殖系统中发挥重要作用。在处理过程中，氨氮在氨氧化细菌（AOB）作用下转化为亚硝酸氮，后者进一步被亚硝酸盐氧化菌（NOB）转化无毒的硝酸盐。这两类细菌利用氧化无机氮作为唯一的能量来源，生长速度极为缓慢。在自然状态下，氨氧化细菌代时大于26h，亚硝酸氧化细菌代时大于60h[4, 5]，因此仅仅依靠养殖系统中的硝化细菌建立硝化系统需要相当长时间。通过投加硝化细菌制剂加快硝化系统建立时间，是目前研究养殖系统水质污染控制的一个至关重要的课题[6]。
本研究以自行培养的硝化细菌制剂为研究对象，考察其对海参养殖系统水质的净化效果以及对海参生长的影响，为其实际应用奠定基础。
2 材料与方法
1.1 实验材料
（1）海参。刺参（Stichopus japonicus）为3月龄幼参，体长1～2cm，体重1～2g，由山东长岛某水产公司提供。
（2）菌剂。硝化细菌制剂由本实验室自行培养，为氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的混合培养物。
（3）海水。由海水素（青岛通用海大海水素有限公司）人工配制而成。
（4）实验仪器。722型分光光度计、UV-2000型分光光度计、电子分析天平、养殖箱（规格为44cm×30cm×24.5cm）、充氧泵、pHS-3C型酸度计、Orion 835A溶解氧仪等。
1.2 实验方法
海参养殖系统由塑料箱和曝气装置组成，池底铺设13-17块鹅卵石，供海参栖息生长，箱体加盖，为海参提供避光环境。共设置养殖箱3个，其中投加硝化细菌菌剂的实验组养殖箱2个，不投加菌剂
的对照组养殖箱1个，每个养殖箱加入人工海水20l，盐度27，温度15℃-20℃，分别加入幼参30只。每隔24h监测氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮等指标，测定完毕后添加饵料（鼠尾藻粉）1g，向实验组养殖箱投加硝化细菌菌剂20ml。每隔2周更换约1/3海水，同时清理箱底海参的排泄物。整个实验过程共持续51d。
1.3 分析方法
氨氮采用次溴酸盐氧化法测定；亚硝酸盐氮采用萘乙二胺分光光度法测定；硝酸盐氮采用紫外分光光度法测定，测定方法参见文献[7,8]。
3 结果
3.1 投加硝化细菌对养殖系统氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮浓度变化的影响
（1）氨氮浓度变化情况
实验过程中实验组和对照组氨氮浓度变化情况如图1所示。从图中可以看出，实验组和对照组养殖箱氨氮浓度变化存在着较明显的差异。实验初期（1-7d）实验组和对照组氨氮浓度基本相同，维持在较低水平（小于4 mg l-1），之后均呈现先增加后降低的趋势。实验组氨氮浓度在7-13d呈现上升趋势，13d达到峰值（13.9 mg l-1），之后开始下降，在13-30d维持在10 mg l-1左右，31-51d 维持在5mg/L以下。对照组氨氮浓度在7-27d不断上升，于27d达到峰值（64.0 mg l-1），之后氨氮浓度呈现下降趋势，但仍维持在较高浓度（高于20 mg l-1）。
Fig.1 Variation of ammonia nitrogen concentration in mariculture system
（2）亚硝酸氮浓度变化情况
实验过程中实验组和对照组亚硝酸氮浓度变化情况如图2所示。从图中可以看出，实验组和对照组养殖箱亚硝酸氮浓度变化存在着较明显的差异。
实验初期（1-5d）实验组和对照组氨氮浓度基本相同，均维持在较低水平（小于0.5 mg l-1），之后开始出现差异。实验组从6d开始亚硝酸氮浓度开始上升，18d达到峰值（7.9 mg l-1），之后亚硝酸氮开始下降，在26-31d维持在2 mg l-1以下，31d后维持在1 mg l-1以下。对照组亚硝酸氮浓度28d 内始终维持在1 mg l-1以下，28d后逐渐上升，到46d出现峰值（41.9 mg l-1），之后开始下降。
Fig.2 Variation of nitrite nitrogen concentration in mariculture system
（3）硝酸氮浓度变化情况
实验过程中实验组和对照组硝酸氮浓度变化情况如图3所示。从图中可以看出，实验前期（1-15d）实验组和对照组的硝酸氮变化相同，16d后开始出现差异，实验组的硝酸氮迅速升高，其值维持在10 mg l-1以上，26d后氨氮浓度维持在20 mg l-1以上。对照组的硝酸氮值1-38d维持在5 mg l-1左右，呈现缓慢上升的趋势，直到第40d开始略有增加，但远低于实验组硝酸氮浓度。
Fig.3 Variation of nitrate nitrogen concentration in mariculture system
3.2 投加硝化细菌对养殖系统硝化功能建立的影响
实验组和对照组实验过程中氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮的变化情况分别如图4和图5所示。
Fig.4 Variation of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen in the experiment group
Fig.4 Variation of ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen in the control group 一般说来，当水中亚硝酸盐出现一个高峰后被转化为硝酸盐，就表明硝化功能建立，当硝化功能建立后，一个成熟的养殖系统就构建完毕。从图中可以看出，实验组氨氮浓度在13d达到峰值，之后开始下降，亚硝酸氮浓度开始上升，并在18d达到峰值，同时氨氮浓度也下降到较低水平，说明在该阶段氨氧化细菌发挥主要作用；从18d开始亚硝酸氮浓度下降，在26-31d维持在2 mg l-1以下，31d后维持在1 mg l-1以下，与此同时硝酸氮浓度逐渐上升，表明系统中亚硝酸盐氧化细菌开始发挥作用，硝化功能逐渐建立。与实验组相比，对照组氨氮和亚硝酸氮出现峰值的时间分别为21d 和46d，且氨氮和亚硝酸氮峰值浓度远高于实验组，从46d起亚硝酸氮略有下降，截至实验结束，亚硝氮始终维持在较高浓度，表明其硝化功能尚未形成。
3.3 投加硝化细菌对海参生长情况的影响
在实验过程中对照组养殖箱水质较差，浑浊，色度高，氨氮浓度远高于实验组，海参在第11d 出现烂斑，到19d时海参全部死亡，最后溶化为鼻涕状胶体。投加硝化细菌制剂的实验组的水质较好，养殖初期混浊，26d后水质清澈，海参生长良好，体长由养殖初期的1-2cm增长至4-5cm，海参成活率为93.3%，说明硝化细菌具有很好的安全性。
4 讨论
微生物是氮循环的驱动泵，养殖水体氮循环需要氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的共同作用来完成。硝化细菌为化能自养菌，具有生长速率低、好氧、依附性和产酸性等特点，在养殖系统中含量低，对氧和营养物质的竞争能力不及异养型微生物，其生长速度很容易被异养型微生物超过，难以形成优势菌群。此外，硝化细菌和亚硝化细菌易受外界环境影响，尤其对毒物的
冲击非常敏感，并且系统重新启动相当困难。在某些报告中显示，氨的氧化在纯海水中因为高氯含量的缘故几乎完全被抑制，对亚硝酸氮的氧化的抑制作用更明显，从而大大延长了系统建立完整硝化功能的时间。此外，在水产养殖过程中，为了增加产量和防治各种病害常施用多种化学肥料和药物，包括消毒剂、杀虫剂、抗生素等，这些物质也会对硝化功能的建立起到抑制作用。一般而言，淡水养殖系统建立硝化功能需要l4～20d，而海水养殖系统则需要40～80d[9,10]。
在海水养殖系统中，由于异养细菌和硝化细菌的繁殖速率相差极大，在初期异养性细菌的繁殖处于优势地位，其代谢物氨氮也不断增加。当氨氮浓度超出硝化细菌吸收消耗范围之外，于是造成氨氮的积累，并逐渐可以危害养殖对象。氨氮在水中以离子态（NH4+）和非离子态（NH3）两种形态存在，前者对鱼类无毒性，而非离子态的氨（NH3）对鱼类有较强的毒性。当温度一定时，pH越高，NH3在TAN中所占的比率也越高。由于海水的pH高于淡水，因此在海水氨氮的毒性更大。资料显示，在刺参育苗过程中，当分子态氨浓度为2.184 mg l-1时，3d内幼体全部死亡；浓度为1.248 mg l-1时，10d内幼体全部死亡[11]。
从我们的研究结果看，实验组氨氮浓度和亚硝酸氮分别在13d和18d出现峰值，随后亚硝酸氮逐渐下降到较低浓度，说明在海参养殖箱中投加硝化细菌制剂后，可以使氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌在短时间内形成优势，氨氧化细菌将氨氮氧化为亚硝酸氮，继而由亚硝酸盐氧化细菌将亚硝酸氮氧化为硝酸氮，从而达到净化水质的目的。对照组养殖箱内氨氮浓度和亚硝酸氮浓度分别在27d
和46d出现峰值，出现峰值时间明显落后于实验组，且峰值浓度高。这是由于实验采用人工海水，氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌数量少，从而造成氨氮和亚硝酸氮积累。对照组氨氮浓度从27d开始下降，同时亚硝酸氮浓度逐渐上升，说明氨氧化细菌生长速率开始逐渐增加，但到实验结束为止，硝酸氮浓度始终维持在较低浓度，说明与氨氧化细菌相比，亚硝酸盐氧化细菌在养殖系统中的自然增长更为缓慢。
5 结论
本研究以实验室自行培养的硝化细菌为研究对象，考察其对海参养殖系统水质的净化效果，通过研究得到如下结论：
（1）硝化细菌制剂对养殖系统水质具有明显的净化效果，在实验过程中，投加菌剂实验组水质氨氮、亚硝酸氮等指标明显低于对照组。
（2）投加硝化细菌制剂后，养殖系统内氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌可在短时间内形成优势，使氨氮、亚硝酸氮维持在较低浓度水平；在不投加菌剂的情况下，氨氧化细菌虽然可在一定时间内形成优势，使氨氮浓度降低，但由于亚硝酸盐氧化细菌生长缓慢，对照组养殖系统中亚硝酸积累问
题严重，不利于海参的生长。
（3）养殖系统投加硝化细菌制剂后，水质较为清澈，没有异味，海参死亡率低，证明硝化细菌在海参养殖系统中具有很好的安全性和应用价值。
参考文献
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