硝化毛球和底沙對硝化細菌脫氮效果的影響

安治武

摘要：本實驗模擬工廠化養殖模式建立養殖水體凈化裝置，研究硝化毛球和底沙對硝化細菌凈化效果的影響，結果表明：裝載硝化毛球、鋪設底沙和只投加硝化細菌制劑的三個實驗組對養殖水體水質具有一定的凈化效果，氨氮、亞硝氮等指標均低于空白組。其中裝載硝化毛球的實驗組氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌可在短時間大量生長繁殖，形成優勢，使養殖池氨氮、亞硝酸鹽濃度維持在較低水平；鋪設底沙的實驗組對硝化細菌凈化水質效果影響不大。裝載硝化毛球的實驗組，水質最清澈，無異味，養殖池底部無殘渣碎屑，青蝦生長狀況良好，增重最多。

關鍵詞：硝化細菌；硝化毛球；底沙；氨氮；亞硝酸鹽

進入二十一世紀以來，我國水產養殖業迅猛發展，養殖廢水也越來越引起人們的重視。養殖過程中的污染主要來自于養殖生物自身的殘骸、排泄物累積和投喂的飼料過剩及殺菌劑、抗生素等藥物的濫用和過度使用。這種污染造成養殖水體中的氮、磷等營養鹽含量過高，造成富營養化現象。輕則會造成水環境中微生物系統失衡，水產品產量大量減少，重則會污染周邊水域環境，導致魚蝦等養殖對象體內藥物的積累，危害人類健康[1]。其中氨氮和亞硝酸鹽是養殖水體中最常見的氮污染物，成為了養殖過程中的主要去除目標[2]。利用微生物吸收、代謝作用去除養殖水體的有機物和氮污染物的生物法應用最多，在生物處理過程中，有機物在氨化細菌作用下轉化為氨氮，氨氮在硝化細菌作用下轉化為硝酸鹽，硝酸鹽在反硝化細菌作用下最終轉化為氮氣釋放到大氣中，達到凈化水質的作用。

近年來硝化細菌制劑已經廣泛應用于水族箱等觀賞水生生物的養殖中，在國內外水產養殖業也取得了不錯的進展[3-7]。但由于硝化細菌屬于化能自養型好氧細菌，生長繁殖速度慢，易受外界環境因子的影響，并且在水環境中其數量遠低于異養菌種，競爭中處于劣勢。因此，在養殖水體處理系統中，通過投加硝化細菌制劑增加硝化細菌數量和提高硝化速率對生物脫氮具有重要的意義。但養殖過程中，排污和正常的換水往往造成硝化細菌大量流失，沒能達到理想的去除效果。目前溫少鵬[8]等人研究自制硝化細菌制劑對水族箱水質的凈化效果，試驗結果表明：硝化細菌制劑對水族箱水質具有明顯的凈化效果。本實驗為了進一步探尋不同載體濾料對硝化細菌脫氮效果的影響，模擬工廠化養殖模式建立一種設備簡單、控制自動化、性能穩定的凈化養殖水體裝置，設置三個實驗組，分別裝載硝化毛球并投加硝化細菌制劑、鋪設底沙并投加硝化細菌制劑和僅投加硝化細菌制劑，同時設置一個空白對照組（不投加菌劑）。研究整個養殖期間，不同養殖系統對氨氮、亞硝酸鹽的降解效果，分析硝化毛球和底沙對硝化細菌脫氮效果和青蝦生長狀況的影響。

1材料與方法

1.1水產動物

青蝦（Macrobranchium nipponense），學名日本沼蝦，購自青島海泊河早市。實驗所用均為蝦體青綠色、行動敏捷、生長狀況良好的青蝦，平均體重2.68±0.3 g，平均體長5.5±0.2 cm。

1.2實驗器材

UVmini-1200紫外分光光度計；超靜音增氧氣泵；智能溫控器；pH分析儀；溶解氧測定儀；自制玻璃缸，體積36.75 L（35 cm×35 cm×30 cm）。

硝化毛球，白色纖維球狀，具有很大的比表面積和孔隙率，物理化學性能穩定、經久耐用。選用硝化毛球作為實驗濾料是因為其作為硝化細菌附著的載體，不易堵塞，能將養殖水體中殘留物質累積產生的氨氮、亞硝酸鹽快速轉化為硝酸鹽。

底沙，由菲律賓沙和珊瑚沙組合的白沙，細沙粒徑1～3 mm。

1.3菌劑

實驗室自制硝化細菌（3.68×107 CFU/mL），為氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌混合培養物。

1.4實驗裝置

本實驗模擬工廠化養殖模式的養殖池，建立一種設備簡單、控制自動化的凈化養殖水體裝置。該裝置主要由養殖池和監測系統兩部分組成，其中養殖池是由自制玻璃缸構成，有效水體體積27 L；增氧氣泵通過曝氣頭維持養殖水體中的溶解氧；監測系統由溫控器、溶解氧儀、pH計組成。

硝化毛球凈化養殖水體裝置由養殖池、增氧氣泵、載體反應器及監測系統組成，其中養殖池主體為玻璃缸，載體反應器由繩子網和硝化毛球構成，固定在養殖池上部的四角，同時水面沒過其上部，使硝化毛球懸浮在水中。實驗裝置如圖1所示。

1-增氧氣泵 2-溫控器 3-pH分析儀

4-溶解氧儀 5-載體反應器 6-養殖池

底沙凈化養殖水體裝置是在養殖池底部均勻攤鋪3～5 cm底沙，其它部分相同。

1.5實驗方法

實驗設置硝化細菌+硝化毛球組、硝化細菌+底沙組、硝化細菌組和空白組，每個養殖池有效水體體積27 L，控制水體環境為溫度25 ℃、pH 7.5、溶解氧6 mg/L，分別放養青蝦15只。養殖期間，開始時硝化細菌+硝化毛球組、硝化細菌+底沙組、硝化細菌組各添加5 mL菌劑，空白組則不添加，以后每隔3 d按此劑量添加菌劑。每天定時向養殖池投加餌料，上午8：00投喂1/3，下午17：00投喂2/3。本實驗采用“零換水”的養殖模式，定期向養殖池內添加水量至設計有效水體體積。實驗為期一個月，每天測定氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度、溫度、pH值、溶解氧等指標，實驗開始和結束時測定青蝦體重和體長。

1.6分析方法

氨氮濃度采用納氏試劑分光光度計法測定，亞硝酸鹽濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定，具體測定方法參見文獻[9]。溫度由智能溫控器測定，pH由pH分析儀測定，溶解氧由溶解氧測定儀測定。

青蝦生長狀況用特定生長率表示，具體計算方法見公式（1）。

特定生長率（%，d-1）=100×[（lnWt-lnW0）]/t（1）

式中Wt——實驗結束后各組青蝦平均體重，g；

W0——實驗開始時各組青蝦平均體重，g；

t——實驗時間。

2實驗結果

2.1硝化毛球及底沙對硝化細菌降解氨氮的影響

硝化毛球及底沙對養殖水體氨氮濃度變化的影響如圖2。

實驗過程中，硝化細菌+硝化毛球組、硝化細菌組和空白組氨氮濃度均呈先上升后下降的趨勢，但三組氨氮濃度變化存在明顯的差異。空白組氨氮濃度第1～16 d持續增加，在第16 d達到峰值（23.57 mg/L），之后開始降低，到第26 d下降到14.23 mg/L，并在此濃度上下浮動。硝化細菌組氨氮濃度第1～8 d持續增加，在第9 d達到峰值（16.24 mg/L），之后開始降低，到第16 d下降到0.7 mg/L并保持穩定。硝化細菌+硝化毛球組氨氮濃度第1～4 d持續增加，在第4 d達到峰值（5.86 mg/L），之后開始降低，在第6 d下降到0.6 mg/L并保持穩定。三組氨氮濃度變化相比，硝化細菌+硝化毛球組氨氮濃度峰值持續的時間最短，且峰值最低，上升和下降所用時間均最少，最終穩定濃度也最低。這說明硝化細菌+硝化毛球組降解氨氮的效果最好，硝化毛球對硝化細菌的去除效率具有明顯的促進作用。

硝化細菌+底沙組、硝化細菌組和空白組氨氮濃度均呈向上升后下降的趨勢，其中硝化細菌+底沙組和硝化細菌組變化差異不大。硝化細菌+底沙組氨氮濃度第1～8 d持續增加，在第8 d達到峰值（13.56 mg/L），之后開始降低，到第18 d下降到0.7 mg/L。硝化細菌+底沙組與硝化細菌相比，氨氮濃度上升和下降所用時間相差不大，最終穩定濃度相同，但峰值較低。與硝化細菌+硝化毛球組相比，上升和下降時間均較長，且峰值較高。這說明底沙對硝化細菌降解氨氮影響不大，效果不明顯。

2.2硝化毛球及底沙對硝化細菌降解亞硝酸鹽的影響

硝化毛球及底沙對養殖水體亞硝酸鹽濃度變化的影響如圖3。

實驗過程中，硝化細菌組和硝化細菌+硝化毛球組亞硝酸鹽濃度均呈先上升后下降的趨勢，而空白組則一直保持上升趨勢，三組變化趨勢存在明顯差異。空白組亞硝酸鹽濃度在整個養殖期間持續上升，在第28 d達到峰值（22.05 mg/L）。硝化細菌組前5 d亞硝酸鹽濃度較低，第6～11 d持續上升，此時氨氧化細菌開始起作用，在第11 d達到峰值（19.21 mg/L），之后開始降低，并在第30 d下降到0.5 mg/L。硝化細菌+硝化毛球組第1～10 d亞硝酸鹽濃度持續上升，表明硝化毛球能夠是氨氧化細菌快速附著生長繁殖，數量增加，起到作用。第10 d達到峰值（27.69 mg/L），之后在第12 d開始降低，在第21 d下降到0.2 mg/L，表明此階段亞硝酸鹽氧化細菌數量增加，開始起作用。整個養殖期間，硝化細菌+硝化毛球組亞硝酸鹽濃度上升和下降所用的時間都最少，且最終穩定濃度最低，說明硝化毛球對硝化細菌降解亞硝酸鹽也有明顯的促進作用。

硝化細菌+底沙組和硝化細菌組亞硝酸鹽濃度均呈向上升后下降的趨勢，兩者變化趨勢差異不大，而空白組持續上升。硝化細菌+底沙組和硝化細菌組前5 d亞硝酸鹽濃度均較低，之后開始持續上升，前者在第12 d達到峰值（16.75 mg/L），隨后開始下降，最終穩定濃度和硝化細菌組相差不大。與硝化細菌+硝化毛球組相比，亞硝酸鹽濃度達到峰值較小，但峰值前后上升和下降的時間均較長，且最終穩定濃度較大。這說明底沙對硝化細菌降解亞硝酸鹽影響不大，效果不明顯。

2.3硝化毛球和底沙對青蝦生長的影響

實驗結束時三個不同處理組的青蝦體長差異不明顯，各組青蝦平均體長均為6～7 cm。三組青蝦平均體重差異比較明顯，其中空白組青蝦平均體重2.97 g，硝化細菌組平均蝦重3.56 g，硝化細菌+硝化毛球組平均蝦重3.94 g。四組青蝦特定生長率計算方法見公式（1），結果如圖4所示。

由圖可見，硝化細菌+硝化毛球組青蝦特定生長率最高，蝦重增加最多，硝化細菌+底沙組次之，硝化細菌組較低于硝化細菌+底沙組，蝦重增加較少，空白組最少。

3討論

從本實驗可以看出，四組養殖池內氨氮濃度均呈先上升后下降的趨勢，而亞硝酸鹽濃度變化不同，三個實驗組先上升后下降，空白組則一直上升。這是由于無論是否添加硝化細菌制劑，當養殖池內氨氮濃度積累到一定程度，硝化細菌中的氨氧化細菌形成優勢，將氨氮轉化為亞硝氮。隨著亞硝酸鹽濃度的增加，實驗組中的亞硝酸氧化細菌開始起作用，將亞硝氮轉化為硝氮，由于亞硝酸氧化細菌相較于氨氧化細菌形成優勢菌種的過程更加緩慢，空白組就會出現持續上升的現象，這與溫少鵬等[9]研究自制硝化細菌制劑對水族箱水質的凈化效果實驗結果相同。

從使用兩種不同濾料硝化毛球和底沙看出，兩組對氨氮、亞硝酸鹽降解效果不同。當溫度、pH、溶解氧等外界實驗條件一樣時，我們目的是使硝化細菌在適宜的條件下快速地生長繁殖。就硝化細菌的特性而言，屬于附著生長型細菌，所以選擇合適的載體濾料尤為重要。底沙作為水族箱常用的載體，美觀大方，性質穩定，具有一定的生物凈化作用。但底沙是由大量細小的顆粒攤鋪在水族箱底部，密度較大，只有表層部分受到水流的沖刷接收到氧氣，隨著養殖周期的增加，殘餌、糞便會沉積在底沙表面，導致水循環崩潰，硝化系統失效。同時底沙表面積有限，也限制了硝化細菌的生長。所以硝化細菌+底沙組和硝化細菌組對氨氮、亞硝酸鹽的降解效果相差不大。在實驗過程中，裝載有硝化毛球的養殖池底部非常干凈，很少有碎屑和殘渣，這是由于硝化毛球具有空隙可變的纖維絲，有很好的物理過濾作用，且不易堵塞。同時硝化毛球作為濾材具有很大的比表面積，能夠為硝化細菌提供附著生長的場所，氨氧化細菌可以大量繁殖，將氨氮轉化為亞硝酸鹽，降低了氨氮濃度的峰值，使養殖池氨氮濃度保持在較低水平。隨著亞硝酸鹽濃度的升高，為亞硝酸氧化細菌提供氮源，形成優勢，將亞硝酸鹽快速轉化為硝酸鹽，完成整個硝化過程。由于氨氮、亞硝酸鹽濃度均保持在較低水平，對青蝦毒害作用小，生長狀況最好，增重最多。

4結論及建議

本實驗模擬工廠化養殖模式建立一種凈化養殖水體裝置，研究硝化毛球和底沙對硝化細菌凈化養殖水體效果的影響，得出以下結論：

（1）三組實驗組對養殖水體水質具有明顯的凈化效果，氨氮、亞硝氮等指標均低于空白組。

（2）裝載硝化毛球的實驗組氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化細菌可在較短時間大量生長繁殖，形成優勢，使養殖池氨氮、亞硝酸鹽濃度保持在較低水平；攤鋪底沙的實驗組對硝化細菌凈化水質效果影響不大。

（3）裝載硝化毛球并投加硝化細菌的實驗組，水質最清澈，無異味，養殖池底部無殘渣碎屑，青蝦生長狀況良好，增重最多。

通過實驗結論提出幾點建議：

（1）選擇合適的載體濾料，應具有高比表面積和大孔隙率，物理化學性能穩定且對微生物和養殖動物無毒害，生物滯留量大、價格低廉等優點。

（2）載體濾料選擇合適的布置方式，其大小和數量符合水體凈化的需要，懸浮于水體中，便于拆卸、整合，滿足微生物特性和養殖動物要求。

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（收稿日期：2016-10-18）