利用微生物改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境來(lái)修復(fù)被污染的水質(zhì)

在現(xiàn)在以投餌為主的養(yǎng)殖模式下，殘餌、糞便、N、P等富營(yíng)養(yǎng)因子排入水體，使養(yǎng)殖水體中化學(xué)需要量（COD），生物耗氧量（BOD）嚴(yán)重超標(biāo)，有的已超過(guò)國(guó)家三類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)估計(jì)每生產(chǎn)一噸蝦可水體中增加0.2噸的N無(wú)素和0.05噸的P元素,其結(jié)果是導(dǎo)致魚(yú)蝦病害和產(chǎn)量的瓶頸.因此改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水域環(huán)境已成為養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn).眾所周知,水產(chǎn)環(huán)境中化學(xué)藥品的使用會(huì)造成病原體產(chǎn)生抗藥性,藥品的殘留量,污染水環(huán)境,同時(shí)會(huì)殺害水中有益細(xì)菌,造成水生生態(tài)的失調(diào).很快有學(xué)者提出對(duì)魚(yú)蝦用藥是暫時(shí)的手段,生態(tài)防治才是唯一的出路,而微生物作為一種生態(tài)調(diào)節(jié)劑,治理養(yǎng)殖水環(huán)境可以明顯改善水質(zhì),增加溶氧,降低氨氮與亞硝酸氮,抑制有害微生物的繁殖,降解有機(jī)物,同時(shí)具有成本低收效大等優(yōu)點(diǎn)而日益受到重視.本文介紹微生物在養(yǎng)殖環(huán)境中生物修復(fù)的概念,生物修復(fù)的作用及途徑:

一.生物修復(fù)概念 

生物修復(fù)(Biorenediation)是利用微生物(細(xì)菌,真菌,酵母菌或提取物)對(duì)環(huán)境污染物的吸收,代謝,降解等功能,在環(huán)境中對(duì)污染物的降解起催化作用,從而去除或消除環(huán)境污染的一個(gè)受控或自發(fā)的過(guò)程. 目前,生物修復(fù)技術(shù)劃分為原位修復(fù)(in situbioremediation)和異位修復(fù)(ex-situ bioremediation)兩種.所謂原位修復(fù)是指對(duì)受污染的介質(zhì)(土壤,水體)不作搬運(yùn)或輸送而在原位污染地進(jìn)行的生物修復(fù)處理,其修復(fù)過(guò)程主要依賴(lài)被污染地土著微生物的作用,必要是引入一些外來(lái)微生物,利用微生物的代謝作用,將環(huán)境中的污染物降解到不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響.異位修復(fù)是指將被污染介質(zhì)(土壤,水體)搬運(yùn)或輸送到別處進(jìn)行的生物修復(fù)處理.前者主要用水域,耕地的環(huán)境修復(fù),后者主要用于工業(yè)和生活污水的處理.

二.微生物在水體中生態(tài)鏈中的地位和作用 

微生物是自然界分布最廣,種類(lèi)最多,數(shù)量最大,個(gè)體最小的生物類(lèi)群,是大自然生態(tài)平衡的基礎(chǔ).這些微生物直接或間接地作用水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)象和養(yǎng)殖環(huán)境,很好地分解養(yǎng)殖生物排泄物,殘餌以及浮游植物殘?bào)w等有機(jī)物,凈化了環(huán)境,同時(shí)微生物鏈在水質(zhì)凈化中通過(guò)氧化,還原,光合,同化,異化把有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的化合物,保證水質(zhì)的正常功能,從而維持水生生態(tài)系統(tǒng)中水生生物,病原,水質(zhì)間的平衡.其主要通過(guò)以下幾個(gè)循環(huán)發(fā)生作用:

1.微生物在碳循環(huán)中作用 

在水中,微生物參與碳循環(huán)的轉(zhuǎn)化,主要是通過(guò)它們對(duì)各種含碳化合物,特別是含碳無(wú)氮有機(jī)物的作用而進(jìn)行,其主要作用是常見(jiàn)的發(fā)酵和氧化作用.大多水生環(huán)境的表層為有氧區(qū),進(jìn)行氧化作用,有機(jī)物如纖維素,淀粉,幾丁質(zhì)被各種細(xì)菌和真菌分解后通常使之完全轉(zhuǎn)化為CO2.在深水區(qū)和淤泥中則是無(wú)氧區(qū),進(jìn)行無(wú)氧發(fā)酵作用,有機(jī)物主要借細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸,CH4,H2和 CO2.其生成的CO2再被植物光合作用合成復(fù)雜有機(jī)物,并進(jìn)而被動(dòng)物利用合成復(fù)雜的動(dòng)物有機(jī)物,從而形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)循環(huán).

2.微生物在氮循環(huán)中的作用 

在水生環(huán)境中,共生性固氮系統(tǒng)是不常見(jiàn)的,大量的氮是由自由生活的藍(lán)綠藻固定的.氮循環(huán)是水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié),養(yǎng)殖水體氮的多少能促進(jìn)或限制水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)化,也是浮游植物生長(zhǎng)限制性營(yíng)養(yǎng)元素之一.氮的各種形式的轉(zhuǎn)化是參與構(gòu)成整個(gè)養(yǎng)殖環(huán)境循環(huán)的重要過(guò)程,微生物在這個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)循環(huán)中起了決定作用,其重要過(guò)程有：

(1)氨化作用,就是含氮有機(jī)物經(jīng)微生物分解而產(chǎn)氨,可在有氧或無(wú)氧條件下進(jìn)行,其主要受PH值影響,以中性,弱堿性環(huán)境最佳.常見(jiàn)的氨化微生物很多,包括細(xì)菌,放線(xiàn)菌和真菌.

(2)硝化作用,就是氨經(jīng)過(guò)亞硝酸的中間階段而氧化為硝酸的過(guò)程.其作用受水體中溶氧,PH值和溫度的影響,以弱堿性為最佳環(huán)境.

(3)反硝化作用,就是硝酸鹽還原為較簡(jiǎn)單的氮化物的所有過(guò)程.主要受PH,N2,NO3-的濃度以及溶氧的影響,許多細(xì)菌真菌能起反硝化作用.

(4)固氮作用,就是使游離分子氮活化而成氮化物的作用.水體中的某些微生物和藍(lán)藻類(lèi),具有一些特殊的酶系統(tǒng),能把一般生物不能利用的單質(zhì)氮轉(zhuǎn)化為生物能利用的化合物形式,許多放線(xiàn)菌,真菌和藻類(lèi)具有這種功能.

3.微生物在磷循環(huán)中的作用 

磷作為浮游植物生長(zhǎng)的限制營(yíng)養(yǎng)元素,其需要量比氮少,對(duì)水體初級(jí)生產(chǎn)力的限制性營(yíng)養(yǎng)元素之一,其需要量比氮少,對(duì)水體初級(jí)生產(chǎn)力的限制作用往往比氮更強(qiáng).P的三種形式:溶解無(wú)機(jī)磷(DIP),溶解有機(jī)磷(DOP),顆粒磷(PP),三種形式的轉(zhuǎn)化在微生物的作用下構(gòu)成磷的一個(gè)重要復(fù)雜的動(dòng)態(tài)循環(huán).磷的動(dòng)態(tài)循環(huán)可以看成是增磷作用與耗磷作用的矛盾運(yùn)動(dòng)過(guò)程,而養(yǎng)殖水體中含磷量的變化量即增加或減少量就是由這對(duì)矛盾決定的.

4.微生物在硫循環(huán)中的作用 

硫有三種形式:氧化態(tài)-II(硫氫基,R-SH,以及硫化物H2S),氧化狀態(tài)0(元素,S0),氧化狀態(tài)+(硫酸鹽,SO42-).許多微生物和植物可用硫酸鹽作為硫的唯一來(lái)源,以氧化態(tài)(R-HS)把它轉(zhuǎn)變成為有機(jī)的硫氫基化合物.微生物產(chǎn)生的H2S對(duì)大多需氧微生物有毒性,并且它可以與許多的金屬離子起反應(yīng),使之生成沉淀,從而起凈化作用. 總之,在水體生態(tài)環(huán)境中,C循環(huán)中微生物分解有機(jī)物釋放CO2,經(jīng)植物的光合作用合成復(fù)雜的有機(jī)物,為底棲動(dòng)物,魚(yú)蝦提供O2和多糖類(lèi)物質(zhì);N循環(huán)中微生物通過(guò)氨化作用,硝化作用,反硝化作用,固氮作用把N2變?yōu)橛袡C(jī)氮,為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供餌料和肥料等蛋白質(zhì)物質(zhì),生成硝酸鹽為藻類(lèi)所利用,從而降低水體中的NH3,氨氮(NH4-N)與亞硝酸氮(NO2-N),起到了凈化作用;P循環(huán)中微生物使水中的溶解態(tài)的磷被懸浮顆粒吸咐形成顆粒態(tài)磷,經(jīng)凝絮作用轉(zhuǎn)為沉淀,有效地降低了水體的磷元素,同時(shí)也為動(dòng)物提供了其需要P元素;S循環(huán)中微生物的作用下產(chǎn)生硫酸鹽和H2S等,其中H2S對(duì)許多需氧微生物有毒作用,同時(shí)H2S與金屬生成 沉淀,降低了有害的H2S,硫酸鹽可為動(dòng)物提供需要的含硫氨基酸等.總的來(lái)說(shuō)微生物在C,N,P,S循環(huán)中都起了非常重要的作用,可以促進(jìn)四大元素在生態(tài)鏈中轉(zhuǎn)化,保持了水產(chǎn)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡,從而抑制有害生物,形成有益微生物菌落,分解有機(jī)物,消除有害物質(zhì)(NH3,H2S,過(guò)量的N,P等),有效地凈化了水質(zhì),減少水產(chǎn)動(dòng)物疾病,提高了存活率,促進(jìn)生長(zhǎng).

三.有益微生物對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)生物修復(fù)的功能和途徑.

水生生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)維持水質(zhì),病原,水生生物之間平衡關(guān)系的極為復(fù)雜的系統(tǒng).在探討水產(chǎn)動(dòng)物病害發(fā)生的原因,對(duì)水環(huán)境微生物的研究(特別是細(xì)菌)時(shí),往往都認(rèn)為是有害的,微生物生態(tài)學(xué)和微生態(tài)的研究表明水環(huán)境和水生生物中存在大量的有益微生物,這些微生物直接影響水質(zhì)和水產(chǎn)養(yǎng)殖.其實(shí)微生物無(wú)論從群體還是從個(gè)體說(shuō),它都是具有兩重性,既有致病作用,也有生理作用,致病作用和生理作用是相對(duì)的,只有在特殊狀態(tài)下,才會(huì)表現(xiàn)致病作用.

1.有益微生物對(duì)水質(zhì)凈化的作用機(jī)理

水生生態(tài)環(huán)境中的有益微生物(硝化細(xì)菌,光合細(xì)菌,硫化細(xì)菌,芽孢桿菌等凈水微生物)它們的使養(yǎng)殖者在不中斷養(yǎng)殖過(guò)程的情況下,清除池塘長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)殖水域底部,尤其是老蝦池底積累大量的殘余飼料,排泄物,動(dòng)植物殘?bào)w以及有害氣體(氨,硫化氫等),使之先分解為小分子(多肽,高極脂肪酸等),后為更小分子有機(jī)物(氨基酸,低極脂肪酸,單糖,環(huán)烴等),最終分解為二氧化碳,硝酸鹽,硫酸鹽等有效地降低了水中COD,BOD,使水體中的氨氮(NH4-N)與亞硝酸氮(NO2-N)降低,起到了凈化水質(zhì)的作用.且能為單細(xì)胞藻類(lèi)為主的浮游植物的繁殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)藻類(lèi)為主的浮游植物的繁殖,這些藻類(lèi)為主的浮游植物的光合作用,又為池內(nèi)底棲動(dòng)物,水產(chǎn)動(dòng)物的呼吸,有機(jī)物的分解提供氧氣,從而形成一個(gè)良性的生態(tài)循環(huán),有利于水產(chǎn)動(dòng)物的迅速生長(zhǎng),其主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán).同時(shí)由于凈水微生物的大量繁殖,在池內(nèi)形成優(yōu)勢(shì)種,可抑制病原微生物的繁殖,減少疾病發(fā)生.

2.有益微生物對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的生物修復(fù)功能

(1).去碳,去氮,解磷的功能 

如芽孢桿菌,堿桿菌屬,假單孢菌,黃桿菌等復(fù)合菌有去除水中碳,氮,磷系化合物的能力,并能轉(zhuǎn)化硫,鐵,汞,砷等有害物質(zhì).光合細(xì)菌能降解BOD的98%的含碳污水,去除總氮的66.7%,報(bào)道,光合細(xì)菌是水體中C,N,S循環(huán)的主要的參與者,可以明顯地改善水質(zhì),增加水中中的增氧,氨氮,硝氮,并使硫化物降低.

(2).絮凝作用

如芽孢桿菌,不動(dòng)桿菌,專(zhuān)性厭氧的脫硫孤菌,假單孢菌,產(chǎn)堿桿菌,黃桿菌,無(wú)色桿菌,微球菌,動(dòng)膠菌等有生物絮狀作用,互相粘連在一起,構(gòu)成菌膠團(tuán),擔(dān)負(fù)氧化分解的任務(wù)將有機(jī)物結(jié)合絮狀,使重金屬離子,P元素沉淀,使水體凈化.

(3)．硝化作用

硝化作用是微生物將水體中產(chǎn)生的NH3氧化成的硝酸鹽,為藻類(lèi)生長(zhǎng)提供養(yǎng)料,這對(duì)河流復(fù)原因有重大的意義.主要分兩個(gè)過(guò)程:第一階段是氨被氧化為亞硝酸鹽,如亞硝化桿菌,亞硝化螺菌,亞硝化球菌等,第二階段是亞硝酸鹽被氧化硝酸鹽,如:硝化桿菌，硝化球菌，硝化刺菌等．