循環海水養殖系統中生物膜快速形成的模擬試驗

王 碩，劉萬鑫，杜榮斌，由翠榮，付學軍，梁麗琨

( 1.煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005； 2.煙臺大學 海洋學院，山東 煙臺 264005 )

循環海水養殖系統中生物膜快速形成的模擬試驗

王 碩1，劉萬鑫1，杜榮斌2，由翠榮1，付學軍1，梁麗琨1

( 1.煙臺大學 生命科學學院，山東 煙臺 264005； 2.煙臺大學 海洋學院，山東 煙臺 264005 )

生物膜；快速形成；循環海水養殖

隨著科學技術的發展及人類生活水平的提升，僅從海洋捕撈獲得海產食品已遠不能滿足市場的需求，大規模工廠化海水養殖業，具有較高的經濟利益和潛在價值。但是，大規模養殖業需消耗大量海水，污水中的有機物、氨氮和硝態氮，對養殖生物有害，直接排放使自然水體富營養化，嚴重破壞環境，浪費巨大的水資源[1]。

目前，工廠化循環水養殖系統多采用生物法去除養殖污水中的氨氮、硝態氮及其他脅迫因子。一般是在養殖池外另安置生物濾池，生物濾池主要是應用優勢微生物附著在特定的載體上生長，通過自身的營養代謝來處理污水[2-5]。但生物除污法目前尚不成熟，存在一些瓶頸問題，如微生物在載體上的附著生長周期較長、處理效率不穩定等[6]，亟需發展高效的工廠化循環水養殖污水處理技術。

本試驗通過優勢菌種掛膜法模擬工廠化循環水養殖中污水處理過程，以確定加快生物膜形成的試驗室工作條件。

1 材料與方法

1.1 生物膜優勢菌種

試驗所用菌種均為本實驗室保存，包括硝化細菌、反硝化細菌、芽孢菌屬(Bacillus)和動膠菌(Zoogloeaitzigsohn)。

1.2 生物膜載體

市售塑料彈性濾材、生化環。

1.3 人工污水配方

1.4 水質指標測定

1.5 試驗裝置和基本條件

用市售20 L淘寶箱作為水箱模擬工廠化循環水養殖系統的生物濾池，在其中安置循環泵和曝氣泵模擬工廠中的循環和充氧條件。向1個水箱中加入15 L人工污水，裝入體積約4.8 L的濾材作為生物膜載體[10]，置于平均溫度為21 ℃的室溫下運行，水力停留時間為1 h，曝氣量為3.0 L/min，每5 d檢測水質pH，用碳酸氫鈉調節pH保持在7.0以上[11]。循環培養21 d，以自然掛膜試驗為對照。

1.6 生物膜優勢菌接種

分別培養生物膜優勢菌株，向試驗水箱中接種0.45%生物膜優勢菌株的混合菌液。混合菌液由硝化細菌、反硝化細菌、芽孢菌和動膠菌的菌液按照一定比例組成，稀釋10倍后，在600 nm波長下其平均吸光度值為0.6。每次接種后靜置24 h，然后啟動循環泵和曝氣泵[12]。

1.7 生物膜載體的選擇

向試驗水箱中分別加入生化環或塑料彈性濾材，每 5 d接種1次生物膜優勢菌種的混合菌液，添加比例為硝化細菌∶反硝化細菌∶芽孢菌∶動膠菌1∶1∶1∶1，每3 d測定水箱中人工污水的水質指標。

1.8 菌液混合比例對生物膜形成的影響

以塑料彈性濾材為生物膜載體，分別以硝化細菌:反硝化細菌∶芽孢菌∶動膠菌1∶1∶1∶1,2∶1∶1∶1,3∶1∶1∶1及4∶1∶1∶1的混合比例接種，每5 d接種1次，每3 d測定人工污水的水質指標。

1.9 接種頻率對生物膜形成的影響

以塑料彈性濾材為生物膜載體，每5、7、10 d和15 d接種1次，優勢菌混合比例為硝化細菌∶反硝化細菌∶芽孢菌∶動膠菌2∶1∶1∶1，每3 d測定人工污水的水質指標。

1.10 成熟生物膜污水處理性能的測定

2 結果與分析

2.1 最佳生物膜載體的選擇

圖2 采用不同生物膜載體水體的變化

圖3 采用不同生物膜載體水體的變化

2.2 接種比例對生物膜形成的影響

圖4 不同接種比例時水體的變化

圖5 不同接種比例時水體的變化

圖6 不同接種比例時水體的變化

2.3 接種頻率對生物膜形成的影響

圖7 不同接種頻率下水體的變化

圖8 不同接種頻率下水體的變化

圖9 不同接種頻率下水體的變化

2.4 優勢菌種掛膜與自然掛膜掛膜速度對比

條件優化后的優勢菌掛膜在第7 d已經開始形成生物膜，第14 d生物膜基本形成，第21 d形成均勻的成熟生物膜(圖13)；而同時期進行的自然掛膜生物膜生長緩慢，在21 d內無法形成完整成熟的生物膜。

圖10 優勢菌種掛膜與自然掛膜水體的變化

圖11 優勢菌種掛膜與自然掛膜水體的變化

圖12 優勢菌種掛膜與自然掛膜掛膜水體的變化

圖13 優勢菌種掛膜與自然掛膜掛膜生物膜生長情況

2.5 成熟生物膜污水處理性能

圖14 成熟生物膜對不同初始水體的處理效果

圖15 成熟生物膜對水體的處理效果

圖16 成熟生物膜對水體的處理效果

3 討 論

3.1 接種量與接種比例的選擇

3.2 成熟生物膜的污水處理效果

本試驗顯示，用塑料彈性濾材為生物膜載體時，生物膜形成速度，污水處理效果優于生化環的結論一致：在生物濾池濾料掛膜及水處理中，彈性濾材的掛膜效果好于非彈性濾材[7]。

每7 d接種1次優勢菌液時，水處理效果最好，優勢微生物的混合菌液硝化細菌∶反硝化細菌:芽孢菌∶動膠菌接種比例為2∶1∶1∶1時，第7 d開始形成生物膜，第14 d生物膜基本形成，第21 d形成均勻完整的生物膜，此結論與王威等[19]在生物濾料的微生物掛膜研究中的塑料彈性濾材可以在28 d內完成人工干預掛膜相似。

3.3 展望

本試驗結果適用于試驗室條件下的模擬試驗，為生物膜快速形成提供了新的思路，在實際海水養殖污水處理中的應用，還有待進一步研究。

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SimulationTestofRapidBiofilmFormationinaRecyclingAquacultureSysteminaLab

WANG Shuo1，LIU Wanxin1，DU Rongbin2，YOU Cuirong1， FU Xuejun1， LIANG Likun1

( 1.College of Life Science，Yantai University，Yantai 264005，China; 2.School of Ocean，Yantai University，Yantai 264005，China )

biofilm;rapid formation;recirculating aquaculture

10.16378/j.cnki.1003-1111.2016.03.009

S969.38

A

1003-1111(2016)03-0244-06

2015-08-06；

2015-09-21.

山東省現代農業產業技術體系產業創新團隊項目(SDAIT-14-011-02)；山東省科技發展計劃項目(2013GNC11037，2013YD15011).

王碩(1989-)，女，碩士研究生；研究方向：微生物學.E-mail：1191820151@qq.com.通訊作者：梁麗琨(1966-)，女，副教授；研究方向：微生物資源和應用.E-mail：liang6903103@sina.com.