論文：生物絮團養(yǎng)殖中水質(zhì)調(diào)控的碳源策略初探

生物絮團養(yǎng)殖中水質(zhì)調(diào)控的碳源策略初探

姜艷霞 ，楊俊 ，管桂萍 ，李波 ，劉伯承 ，王慧 ，王紅兵 *

（1.湖南省畜牧獸醫(yī)研究所，湖南 長沙 410131；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128）

集約化高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中，大量飼料殘渣及糞便不斷積累，導(dǎo)致水體中的氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)含量超標(biāo)，不及時處理將會導(dǎo)致養(yǎng)殖對象中毒甚至死亡[1]。生產(chǎn)實踐中常常采取頻繁換水的解決方式，而養(yǎng)殖廢水未經(jīng)處理直接排放，會對自然環(huán)境造成極大的破壞，我國有72.72%的河段存在水體污染問題，因此解決水產(chǎn)養(yǎng)殖水體的循環(huán)利用問題迫在眉睫[2]。

生物絮團養(yǎng)殖（Bio-floc aquaculture, BFA）指通過向養(yǎng)殖水體中添加碳源物質(zhì)，使異養(yǎng)細(xì)菌將養(yǎng)殖水體中富余的氮、磷等轉(zhuǎn)化為菌體蛋白，與胞外產(chǎn)物、浮游生物以及各種有機碎屑形成絮團，供魚蝦采食。該技術(shù)可以達(dá)到少換水甚至不換水的目的，極大減少了水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的產(chǎn)生，又可減少飼料的投入，降低飼養(yǎng)成本。同時異養(yǎng)微生物作為優(yōu)勢菌在水中繁殖，可抑制病原微生物的生長，減少魚蝦疾病的發(fā)生[3]。文獻(xiàn)[4-6]分析了生物絮團養(yǎng)殖技術(shù)對水體中ρ（氨氮）和ρ（亞硝酸鹽氮）等的影響，認(rèn)為碳氮（C/N）比值在10~15 效果較好，可以促進(jìn)微生物合成菌體蛋白，并有效去降低養(yǎng)殖水體ρ（氨氮）和ρ（亞硝酸鹽氮）。當(dāng)前針對C/N 比值和碳源種類選擇的研究多停留在經(jīng)驗層面，對碳源供給策略的系統(tǒng)性研究不多，缺乏在不同碳源種類及梯度條件下，水體中各重要指標(biāo)的變化趨勢及污染物無害轉(zhuǎn)化特性的研究。

目前，生物絮團養(yǎng)殖技術(shù)在羅非魚、南美白對蝦的養(yǎng)殖應(yīng)用上已較為成熟[7]。在我國經(jīng)濟類水產(chǎn)中，鳙深受消費者的歡迎，年消費量超過200 萬t[8]。鳙是一種濾食性經(jīng)濟魚類，李朝兵[9]用生物絮團作為鳙的飼養(yǎng)餌料，發(fā)現(xiàn)絮團組的增長率和風(fēng)味物質(zhì)的含量均優(yōu)于配合飼料組。因此將生物絮團養(yǎng)殖技術(shù)用于鳙養(yǎng)殖，具有較好的前景。

現(xiàn)在微生物絮團鳙養(yǎng)殖的水體中添加葡萄糖、蔗糖、糊精、紅糖、糖蜜、乙酸鈉6 種可溶性碳源，對比分析它們對水體 pH 值、ρ（溶氧）、ρ（氨氮）、ρ（亞硝酸鹽氮）四項指標(biāo)的影響，以探討不同碳源對生物絮團鳙魚養(yǎng)殖水體的影響及內(nèi)在規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

ZHWY-200B 恒溫培養(yǎng)振蕩器（上海智城分析儀器制造有限公司），TGW16 高速離心機（長沙英泰儀器有限公司），LC30010066 pH 測試筆（上海力辰邦西儀器科技有限公司），JPB-607 A 便攜式溶解氧分析儀（杭州齊威儀器有限公司），722 型可見分光光度計（上海恒平科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 微生物的培養(yǎng)

微生物菌種為該研究組分離保存的枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌，培養(yǎng)基均為LB 培養(yǎng)基：胰蛋白胨10 g、酵母提取物5 g 和氯化鈉10 g。蒸餾水975 mL，pH 值為 7.4，121 ℃滅菌 20 min。將 200 mL培養(yǎng)基裝入500 mL 錐形瓶，接種后置于37 ℃的恒溫培養(yǎng)振蕩器，200 r/min 震蕩培養(yǎng)18 h，備用。

1.3 生物絮團的培養(yǎng)

取7 個同等規(guī)格的玻璃魚缸，分別為6 個試驗缸和1 個對照缸。分別裝入50 kg 自來水，用恒溫加熱棒保持恒溫28 ℃，用45 W 通氣泵向每個魚缸等量通氣，每缸均加入50 mL 培養(yǎng)所得的菌液，再放入平均體質(zhì)量2 g 的鳙25 條。每缸每天上、下午各投喂蛋白含量30%的魚飼料1 g，4 d 后水體生物絮團開始形成。

1.4 試驗

絮團形成3 d 后，養(yǎng)殖水體中積累了一定量的氨氮和亞硝酸鹽氮。向6 個試驗缸分別添加5 g 市售葡萄糖、蔗糖、糊精、紅糖、糖蜜、乙酸鈉，另外1個對照缸不做碳源添加處理。

1.5 采集水樣與處理

每隔1 h 從試驗缸中層取水樣20 mL，用高速離心機12 000 r/min 離心2 min，去除水體中的生物絮團等大顆粒不溶性雜質(zhì)。

1.6 檢測方法

每隔1 h 檢測1 次離心后的上清液里氨氮、亞硝酸鹽氮含量，直至數(shù)值趨于穩(wěn)定。每隔10 min 測1 次試驗缸中pH 值與溶解氧。氨氮的測定參照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009），亞硝酸鹽氮的測定參照《水質(zhì)亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法》（GB/T 7493—1987）。

1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用Excel，作圖與方差分析使用GraphPad Prism8.0 軟件，采用P<0.05 作為差異性顯著的標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳源對水體pH 值的影響

不同碳源對pH 值影響見圖1，由圖1 可見，生物絮團鳙養(yǎng)殖水體中分別添加葡萄糖、蔗糖、麥芽糊精、紅糖4 種碳源后與對照缸相比差異明顯（P<0.05），各魚缸中pH 值基本都有下降的變化趨勢，但添加糖蜜組與對照缸差異不具統(tǒng)計學(xué)意義，對pH 值的影響最小。在添加葡萄糖、蔗糖、麥芽糊精、紅糖后70 min 內(nèi)，pH 值下降較快，其中葡萄糖作為一種速效碳源，pH 值從 7.68 下降至7.25，下降趨勢尤其明顯。蔗糖和麥芽糊精引起的pH 值下降作用相對緩和，應(yīng)該與葡萄糖可以被絮團中的微生物直接快速代謝為碳酸、乙酸和乳酸等小分子有機酸，從而引起pH 值下降有關(guān)，故添加葡萄糖的試驗缸也是最早下降至pH 值最低點的。而蔗糖、紅糖、麥芽糊精等還需進(jìn)一步被降解為葡萄糖、果糖等單糖方能進(jìn)一步參與代謝，故其對pH值的影響相對而言要平緩一些，這與各試驗缸的pH 值下降幅度基本上一致。乙酸鈉的使用總體而言會使pH 值上升，這是因為乙酸鈉屬于弱酸強堿鹽，在水中水解產(chǎn)生氫氧根離子和乙酸根離子，作為碳源被異養(yǎng)微生物消耗掉乙酸根之后，堿性更強，致使水體的整體pH 值上升。

圖1 不同碳源對pH 值的影響

2.2 不同碳源對水體溶氧量的影響

不同碳源對水體溶氧量的影響如圖2 所示。葡萄糖、蔗糖、糊精、紅糖、糖蜜、乙酸鈉6 種碳源添加后，與對照缸相比具有明顯差異（P<0.05），表明6種碳源添加后都會導(dǎo)致水體溶氧量的下降，其中葡萄糖、蔗糖、糊精、乙酸鈉都會使水體的ρ（溶解氧）降至3.0 mg/L 以下，下降幅度超過25%。紅糖和糖蜜添加后整體水體ρ（溶解氧）能夠保持在3.0 mg/L 以上，所有試驗碳源在添加后的40 min內(nèi)，ρ（溶解氧）下降迅速，此后下降趨勢趨于平緩，直到反彈回歸正常值。葡萄糖30 min 內(nèi)引起的ρ（溶解氧）從3.9 mg/L 快速下降至2.8 mg/L，趨勢尤其明顯。葡萄糖在氧氣的參與下可以被微生物直接快速代謝利用，同時導(dǎo)致pH 值和ρ（溶解氧）快速降低。乙酸鈉最低可將ρ（溶解氧）降至2.3 mg/L，在6 種碳源中其ρ（溶解氧）下降幅度最大，乙酸鈉作為小分子有機質(zhì)容易被微生物利用，對水體ρ（溶解氧）的影響機理與葡萄糖類似。

圖2 不同碳源對ρ（溶解氧）的影響

2.3 不同碳源對水體氨氮含量的影響

方差分析表明，葡萄糖、蔗糖對水體ρ（氨氮）的影響較對照缸而言，具有統(tǒng)計學(xué)差異（P<0.05），如圖3 所示。麥芽糊精、紅糖、乙酸鈉雖也能使水體中ρ（氨氮）下降，但與對照缸相比，不具有統(tǒng)計學(xué)差異（P>0.05）；糖蜜的作用與對照缸差異極不具統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），對水體中的ρ（氨氮）轉(zhuǎn)化沒有什么效果。其中蔗糖、葡萄糖、糊精和乙酸鈉可以降氨氮濃度，投加碳源5 h 后，水體ρ（氨氮）從 1.8 mg/L 左右下降至 0.1 mg/L，蔗糖轉(zhuǎn)化氨氮的效率最高，葡萄糖次之，3 h 即可消除90%左右的氨氮；乙酸鈉3 h 內(nèi)降低氨氮的速度不及葡萄糖與蔗糖，而紅糖轉(zhuǎn)化氨氮的速度也相對較慢。糖蜜在降低ρ（氨氮）方面，與其對水體pH 值和ρ（溶解氧）的影響基本一致，沒有表現(xiàn)出明顯的效果，這可能與糖蜜組成復(fù)雜，含碳量相對較低有關(guān)。

圖3 不同碳源對ρ（氨氮）的影響

2.4 不同碳源對水體亞硝酸鹽氮含量的影響

方差分析表明，6 種碳源對ρ（亞硝酸鹽氮）的影響與對照缸相比都不具有統(tǒng)計學(xué)差異（P>0.05）。不同碳源對ρ（亞硝酸鹽）的影響見圖4。由圖4 可見，6 種碳源的添加都能起到降低水體ρ（亞硝酸鹽氮）的作用，其中蔗糖對其轉(zhuǎn)化效果最好，5 h 內(nèi)，ρ（亞硝酸鹽氮）從2.7 mg/L 下降至0.4 mg/L，亞硝酸鹽氮去除率達(dá)到了85%；紅糖次之，亞硝酸鹽氮去除率可達(dá)50%以上，這應(yīng)該與紅糖中蔗糖占比高（88%以上）有一定關(guān)系，推測蔗糖分子結(jié)構(gòu)或者代謝產(chǎn)物有利于亞硝酸鹽氮被轉(zhuǎn)化為菌體蛋白。由于養(yǎng)殖水體系建立才1 周，推測其硝化和反硝化路徑應(yīng)該還未建立。

圖4 不同碳源對ρ（亞硝酸鹽）的影響

3 討論

整體來看，碳源的添加具有降低水體中的ρ（氨氮）、ρ（亞硝酸鹽氮）的作用，這是因為添加碳源，能提高水體中C/N，有利于異養(yǎng)細(xì)菌生長，同化作用顯著增強，水體中構(gòu)成絮團的各種微生物可以有效利用碳、磷、氮合成自身的菌體蛋白，減少氨氮與亞硝酸鹽氮的積累[10]。

可溶性碳源的定量添加會導(dǎo)致溶氧量的降低，這是因為異養(yǎng)菌在快速代謝過程中需要消耗大量氧氣，導(dǎo)致水體的溶氧量下降。同時碳源參與代謝產(chǎn)生的小分子有機酸加上氨氮的快速消耗會導(dǎo)致水體pH 值下降。相比較來看，蔗糖在該研究中轉(zhuǎn)化氨氮和亞硝酸鹽氮的效果最佳，乙酸鈉次之，葡萄糖和糊精轉(zhuǎn)化氨氮的效果也較顯著，但轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽氮的效果卻明顯差于蔗糖，糖蜜轉(zhuǎn)化氨氮和亞硝酸鹽氮效果較差，對水體的pH 值和ρ（溶解氧）影響也較小，而葡萄糖、蔗糖和糊精降低水體的pH 值和ρ（溶解氧）的效果明顯，乙酸鈉對于氨氮和亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)換有明顯的效果，且能夠提升養(yǎng)殖水體的總堿度，但其對于ρ（溶解氧）的影響太大。然而，當(dāng)今水產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的糖蜜并不是最好的選擇，劉克明等[11]發(fā)現(xiàn)在南美白對蝦養(yǎng)殖水體中，紅糖對氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化效率高于糖蜜，與該研究的結(jié)果一致。

綜上所述，在6 種不同碳源調(diào)控碳氮比的生物絮團鳙魚養(yǎng)殖試驗中，蔗糖用作碳源是最佳選擇，考慮成本因素，葡萄糖也有較好的性價比。乙酸鈉對氨氮和亞硝酸鹽氮的調(diào)控能力也較好，但由于乙酸鈉可能會引起ρ（溶解氧）劇烈變化，產(chǎn)生不良影響，故其不太適合用于生物絮團養(yǎng)殖。