背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對池塘底泥釋放營養鹽的凈化效果

陳修報, 劉洪波, 蘇彥平, 戈賢平, 楊 健

(中國水產科學研究院淡水漁業研究中心 中國水產科學研究院長江中下游漁業生態環境評價和資源養護重點實驗室, 江蘇 無錫 214081)

據《2016中國漁業統計年鑒》資料, 我國淡水池塘養殖面積 2.7×106hm2, 占淡水養殖總面積的43.94%。可是面臨著嚴峻的營養鹽污染, 《2015年中國漁業生態環境狀況公報》指出, 我國內陸漁業水域總氮和總磷的超標面積分別高達94.3%和26%。其中, 底泥作為內源性營養鹽的供給源, 向水體中釋放了大量的硝酸鹽、磷酸鹽等[1-3]。研究表明, 養殖池塘底泥中N和P主要以NH4+-N、PO43–形式釋放到水體中, 日釋放速率分別可高達 200 mg/(m2·d)和 25 mg/(m2·d)[1-2]。因此, 迫切需要對底泥釋放至水體中的營養鹽進行有效凈化。

背角無齒蚌(Anodonta woodiana)在養殖池塘中廣泛分布[4], 具有育珠、藥用和食用等功能[5], 而且通過濾水和生物沉降等作用能夠有效凈化水體中營養鹽, 對 TN[6]、NO3–-N[6]和 TP[7]的去除率分別可達到 24.1%、42.6%和 40.5%。然而, 前人的研究主要是基于單純的水體[6-8], 對于養殖池塘底泥這一特殊的營養鹽“貯存庫”(沉積了大量的殘餌和魚類糞便等代謝廢物[9])釋放營養鹽的凈化效果尚不清楚。因此, 本研究以代表性大宗淡水魚——團頭魴(Megalobrama amblycephala)養殖池塘的底泥為對象, 探索其營養鹽的釋放特征, 并評價背角無齒蚌對釋放水體的理化指標(pH、DO、總固溶物、濁度、Chl-a)和營養鹽(TN、NH4+-N、NO3–-N、NO2–-N、TP、PO43–)的凈化規律, 以期為漁業生態環境的保護和修復, 以及魚、蚌混養的生態養殖模式開發提供支撐。

1　材料與方法

1.1　微型生態系統的建立

在實驗室內模擬養殖池塘環境建立微型生態系統。按照底泥厚度與水深之比為3∶28[10], 向 12個規格為 100 cm × 45 cm × 50 cm(長×寬×高)的玻璃缸中鋪上3.5 cm厚的底泥(取自中國水產科學研究院淡水漁業研究中心團頭魴養殖池塘0~10 cm的表層泥,質量約25 kg), 然后加入33 cm深的曝氣自來水(150 L)。將底泥充分攪動, 靜置72 h后, 實驗組分別放入2、4和6只人工繁育的背角無齒蚌[5](殼長10.2 cm±0.4 cm,殼寬4.2 cm±0.3 cm, 殼高6.3 cm±0.3 cm, 帶殼濕重130 g±19 g, n=36; 平均值±標準差, 下同), 用聚乙烯網籠吊養于微型生態系統的中央位置, 養殖密度分別約為13、27和40個/m3。對照組不放蚌, 僅懸掛聚乙烯網籠, 以保證吊養設施對系統的影響均等。對照組和不同養殖密度的實驗組均設置 3個重復, 實驗過程中不充氧、不投喂餌料。實驗為期30 d, 自然光照, 水溫為19~22℃, 期間沒有發生蚌死亡。

1.2　樣品采集與分析

針對底泥向水體中釋放營養鹽, 對微型生態系統水體的理化指標和營養鹽每10 d測定一次。用pH計(HI98120型, HANNA)、溶氧儀(SevenGo proTM型,METTLER TOLEDO)、電導率儀(SevenGoTM 型,METTLER TOLEDO)和濁度計(TN-100 Protable型,EUTECH)現場測定水體的pH、DO、總固溶物和濁度。

用虹吸管采集微型生態系統的中層水, 依據《水和廢水監測分析方法》測定水體Chl-a含量; 應用水質分析儀(DR6000型, HACH), 以過硫酸鹽消解法測定TN和TP, 水楊酸鹽法測定NH4+-N, 二甲基苯酚法測定 NO3–-N, 重氮化方法測定 NO2–-N, 抗壞血酸法測定PO43–含量。

1.3　去除率的計算

鑒于微型生態系統中的水質指標變化受到自然沉降和背角無齒蚌作用的共同影響, 應用去除率(removal efficiency, ER)[11]分析背角無齒蚌對底泥釋放營養鹽的凈化效果:

式中: CB是指對照組的指標含量, CT指處理組的指標含量。ER>0表示蚌能夠對水質起到凈化作用; ER<0表示增加了水體中相應指標的含量。

1.4　統計分析

應用SPSS 22.0統計軟件的one-way ANOVA比較不同組別理化指標和營養鹽的變化, 用 two-way ANOVA分析凈化效果與養殖密度和處理時間的關系, 這兩種分析方法均對數據進行自然對數轉換以滿足正態分布[12], P<0.05表示差異水平顯著。此外,應用 Design-Expert 8.0統計軟件的響應曲面法(response surface)對各響應值進行優化[6]。

2　結果

2.1　對理化指標的影響

由表 1可見, 背角無齒蚌對 pH、DO和總固溶物的影響總體不明顯。pH僅在30 d的6只蚌組低于對照組(P<0.05); DO在20、30 d的6只蚌組低于對照組(P<0.05); 總固溶物在處理10 d時略高于對照組(P<0.05), 而在30 d時略低于對照組(P<0.05)。然而,能夠顯著降低濁度和Chl-a含量。濁度在10 d和20 d的所有處理組均顯著低于對照組(P<0.05); Chl-a在10 d和20 d的所有處理組以及30 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05)。背角無齒蚌對濁度和Chl-a的最大去除率分別出現在20 d的4只蚌組和10 d的6只蚌組, 高達79.2%和83.4%。

表1　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對理化指標的影響Tab. 1 Influence of Anodonta woodiana on physicochemical parameters

2.2　對營養鹽的影響

2.2.1營養鹽含量的變化

不同組別的營養鹽含量變化見表2。對照組TN和NH4+-N表現為降低趨勢, NO3–-N呈現先升高后降低趨勢, 而 NO2–-N、TP和 PO43–總體保持不變。處理組TN、NO3–-N和NO2–-N總體呈現出升高的趨勢。TN在20 d的2、6只蚌組和30 d的2只蚌組顯著高于對照組(P<0.05); NO3–-N在10 d的2只蚌組、20 d的2和6只蚌組以及30 d的所有處理組均顯著高于對照組(P<0.05); NO2–-N在10 d的所有處理組和20 d的6只蚌組顯著高于對照組(P<0.05)。然而, 能夠顯著降低NH4+-N、TP和PO43–的含量。NH4+-N在20 d的2、4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05); TP在20 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05); PO43–在20 d的4只蚌組顯著低于對照組(P<0.05)。背角無齒蚌對NH4+-N、TP和PO43–的最大去除率均出現在20 d的4只蚌組, 分別高達90.9%、55.6%和52.9%。

表2　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對營養鹽含量(單位: mg/L)的影響Tab. 2 Influence of Anodonta woodiana treatment on nutrient concentrations (unit: mg/L)

2.2.2響應面優化分析

應用曲面響應法對上述有明顯凈化效果的營養鹽分析, 結果顯示背角無齒蚌對 TP和 PO43–的去除率可進一步提升。蚌的養殖密度(d)和處理時間(t)與TP和PO43–去除率(ER)之間的響應曲面見圖1。模型P<0.01, 表明所建立的回歸模型極顯著。d、t和 ER之間的實際回歸方程為

ER–TP= –285.80710 + 83.31452d + 16.65190t –

0.70710dt – 8.42742d2– 0.30560t2(R2= 0.8511)ER–PO43–= –192.15747 + 58.70690d + 11.99620t +

0.15088dt – 8.44895d2– 0.26496t2(R2= 0.9770)

對TP和PO43–分別優化, 得出d和t的最優組合分別為 3.99只蚌(27 個/m3)和 22.63 d、3.69只蚌(25個/m3)和23.69 d, 在此最優組合條件下, 去除率可進一步提升至68.9%和58.1%。

2.3　影響凈化效果的因子分析

營養鹽含量受到背角無齒蚌的養殖密度和處理時間的影響(表 3)。其中, TN、NO3–-N、NO2–-N、TP和 PO43–的凈化效果與養殖密度顯著相關(P<0.05),而 TN、NH4+-N、NO2–-N和PO43–的凈化效果與處理時間顯著相關(P<0.05), NH4+-N、NO3–-N 和 NO2–-N的凈化效果與養殖密度和處理時間的交互作用顯著相關(P<0.05)。

3　討論與結論

背角無齒蚌對富營養化水環境的適應能力較強[7],且濾水功能強大[13]。根據殼長和水溫估算[13], 本研究中背角無齒蚌的濾水率約為 0.6 L/(個·h), 養殖密度分別為13、27和40個/m3, 即微型生態系統的水分別在5、2.5和1.5 d左右可被過濾一遍。因此, 水質指標的變化除了受到自然沉降的影響之外, 蚌的高強度濾水起到重要作用。本研究中所有的微型生態系統均處于相同的環境中, 并經歷著相同的時間段, 水體理化指標和營養鹽含量表現出的差異應歸 因于蚌養殖密度和處理時間的不同。

圖1　不同養殖密度和處理時間的背角無齒蚌(Anodonta woodiana)對TP(a)和PO43–(b)去除率的響應曲面Fig. 1 The response surface of the effect of Anodonta woodiana with different density and treatment time on removal efficiency of TP (a) and PO43–(b)

表3　背角無齒蚌(Anodonta woodiana)的處理時間和養殖密度對營養鹽含量的影響Tab. 3 The effect of treat time and culture density of Anodonta woodiana on nutrient concentrations

3.1　背角無齒蚌對理化指標的影響

背角無齒蚌屬于底棲動物, 耗氧率較低, 僅有

0.5 mg/(g·h)左右[14]。因此, 對微生態系統中的 DO 影響不明顯。養殖水體pH主要受到生物的呼吸作用和光合作用影響。本研究顯示背角無齒蚌對pH影響不明顯, 這與陳修報等[6]和 Kim 等[7]的研究結果一致,

而不同于敬小軍等[15]認為背角無齒蚌的呼吸作用導致水體pH降低, 這可能是由于后者的養殖密度太高(160 個/m3)的緣故。此外, 不同組別的總固溶物含量變化亦不太明顯, 表明背角無齒蚌的濾水作用不會加劇底泥向水體中釋放可溶性有機質。值得注意的是,背角無齒蚌能夠顯著降低濁度和 Chl-a含量(表 1),對它們的去除率可分別達到79.2%和83.4%。這與前人研究結果相吻合, 魏小飛等[16]發現背角無齒蚌能夠快速降低再懸浮水體中總懸浮質和 Chl-a的含量,處理2 d對它們的去除率就可達到61%和64%左右;李萍等[17]應用背角無齒蚌對含有底泥的水體進行相對長期(58 d)凈化實驗, 發現其對 Chl-a的平均去除率為39.3%。提示背角無齒蚌能夠有效提高養殖水體的透明度和防控以Chl-a為代表的富營養化。

3.2　背角無齒蚌對營養鹽的凈化效果

底泥是大宗淡水魚類養殖池塘等水生生態系統的重要組成部分, 它可以吸附水體的營養鹽, 降低上覆水體的污染程度[1-2,18]。同時, 如果環境條件發生改變(如DO變化、魚類攪動), 底泥中的營養鹽又會釋放到水體中, 造成二次污染[1-2,18]。一般認為 N的釋放機理是底泥表層的有機氮在異養微生物作用下發生降解、礦化生成 NH4+-N, 被黏土礦物吸附而形成交換態NH4+-N積存于間隙水中, 然后通過擴散作用釋放到上覆水中, 在有氧狀態下釋放 NO3–-N,厭氧狀態下釋放 NH4+-N[1,19]。P釋放則與底泥表層的有機質的礦化分解相關[2]。對照組中TN和NH4+-N表現出降低趨勢, 而 NO3–-N呈現出短暫的升高, 這可能與池塘底泥對TN和NH4+-N的再次吸附, 以及在有氧條件下交換態的NH4+-N轉換為NO3–-N有關。

背角無齒蚌通過攝食細菌、藻類、浮游動物和底泥[20], 吸收和利用了水環境中大量的N和P等生源要素, 從而有效降低水體中的營養鹽[6]。本研究顯示背角無齒蚌對NH4+-N的去除率可達到90.9%, 高于銅銹環棱螺(Bellamya aeruginosa)和背角無齒蚌混養對 NH4+-N的凈化效果(25.6%)[21]。背角無齒蚌對TP的去除率可達到 55.6%, 不同于魏小飛等[16]研究顯示的無法明顯去除 TP, 這可能與其處理時間較短(7 d)有關。背角無齒蚌對TP的去除率高于銅銹環棱螺和背角無齒蚌混養對其 26.1%的去除率, 但低于蘆葦濕地對TP的凈化效果(87.1%)[22]。此外, 本研究中背角無齒蚌對 PO43–也表現出較高的去除率(52.9%),這不同于其對單純水體中 PO43–未表現出明顯凈化效果[6], 這可能是由于后者 PO43–含量相對較低(0.046~0.169 mg/L)造成的。研究表明水生生物如挺水植物對N、P的去除率就與水體中N、P含量成正相關[23]。在吸收營養鹽的同時, 貝類也會通過呼吸作用和排泄作用排出一定量的N和P[14,24]。例如, 背角無齒蚌對NH4+-N的排泄率約為5.5 mg/(kg·h)[14]。而且淡水貝類對 N的排出率遠高于 P, 如斑馬貽貝(Dreissena polymorpha)排出的N∶P比約20∶1, 這可能是本研究中TN、NO3–-N和NO2–-N含量升高的原因。

貝類被認為是凈化水環境營養鹽的較為理想的物種[25-26]。Petersen等[25]研究表明養殖生物量是影響貝類去除營養鹽(N和P)的主要因素。而背角無齒蚌對營養鹽的凈化效果受到養殖密度和處理時間的共同影響(表 3), 從而通過優化養殖密度和處理時間的配比能夠將 TP和 PO43–的去除率進一步提升至68.9%和58.1%。這將對利用背角無齒蚌開展魚、蚌混養的生態養殖模式以及養殖池塘底泥富營養化的防控提供借鑒作用。

綜上所述, 背角無齒蚌具有防控、修復養殖池塘底泥富營養化的潛力。對于底泥釋放營養鹽的水環境, 背角無齒蚌能夠顯著降低濁度, 并有效去除Chl-a、NH4+-N、TP和 PO43–, 對它們的去除率分別可達到79.2%、83.4%、90.9%、55.6%和52.9%。同時, 背角無齒蚌對營養鹽的凈化效果與養殖密度和處理時間密切相關。當養殖密度和處理時間分別優化為27個/m3和22.63 d、25個和23.69 d時, 對TP和PO43–的去除率有望進一步提升至68.9%和58.1%。

參考文獻:

[1] 周勁風, 溫琰茂, 李耀初. 養殖池塘底泥-水界面營養鹽擴散的室內模擬研究: I氮的擴散[J]. 農業環境科學學報, 2006, 25(3): 786-791.Zhou Jinfeng, Wen Yanmao, Li Yaochu. Nutrients diffusion at the water-sediment interface of farming ponds by indoor simulation experiment: I Diffusion of nitrogenous compounds [J]. Journal of Agro-Environment Scienc, 2006, 25(3): 786-791.

[2] 周勁風, 溫琰茂, 李耀初. 養殖池塘底泥-水界面營養鹽擴散的室內模擬研究: Ⅱ磷的擴散[J]. 農業環境科學學報, 2006, 25(3): 792-796.Zhou Jinfeng, Wen Yanmao, Li Yaochu. Nutrients diffusion at the water-sediment interface of farming ponds by indoor simulation experiment: ⅡDiffusion of phosphorous compounds [J]. Journal of Agro-Environment Scienc, 2006, 25(3): 792-796.

[3] 夏新建, 許忠能, 林小濤, 等. 不同池塘養殖模式的環境氮磷負荷及其水質特征[J]. 海洋科學, 2012,36(5): 87-92.Xia Xinjian, Xu Zhong-neng, Lin Xiao-tao, et al. Environmental nitrogen and phosphorus loading and water quality of three culture methods in ponds [J]. Marine Sciences, 2012, 36(5): 87-92.

[4] Spyra A, J?draszewska N, Strzelec M, et al. Further expansion of the invasive mussel Sinanodonta woodiana (Lea, 1834) in Poland - establishment of a new locality and population features[J]. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems, 2016, 417: 41.

[5] Chen X B, Liu H B, Su Y P, et al. Morphological development and growth of the freshwater mussel Ano-donta woodiana from early juvenile to adult [J]. Invertebrate Reproduction and Development, 2015, 59(3):131-140.

[6] 陳修報, 蘇彥平, 劉洪波, 等. 背角無齒蚌對養魚水體的凈化效果[J]. 環境工程學報, 2015, 9(4): 1757-1762.Chen Xiubao, Su Yanping, Liu Hongbo, et al. Purification capacity of Anodonta woodiana on fishpond water[J].Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015,9(4): 1757-1762.

[7] Kim B H, Lee J H, Hwang S J. Inter- and intra-specific differences in filtering activities between two unionids,Anodonta woodiana and Unio douglasiae, in ambient eutrophic lake waters[J]. Ecological Engineering, 2011,37: 1957-1967.

[8] 丁濤, 李林, 彭亮, 等. 背角無齒蚌攝食率及對水中葉綠素 a清除能力的研究[J]. 水生生物學報, 2010,34(4): 779-786.Ding Tao, Li Lin, Peng Liang, et al. Studies on elimination of chlorophyll-a and ingestion rate in eutrophic water by Anodonta woodiana elliptica[J]. Acta Hydrobiologica Sinica, 2010, 34 (4): 779-786.

[9] 孟順龍, 吳偉, 胡庚東, 等. 底棲動物螺螄對池塘底泥及水質的原位修復效果研究[J]. 環境污染與防治,2011, 33(6): 44-47.Meng Shunlong, Wu Wei, Hu Gengdong, et al. Preliminary study on the restoration effect of snail on the sediment and water of ponds[J]. Environmental Pollution and Control, 2011, 33(6): 44-47.

[10] Hu G J, Zhou M, Hou H Bo, et al. An ecological floating-bed made from dredged lake sludge for purification of eutrophic water[J]. Ecological Engineering, 2010, 36:1448-1458.

[11] Li X, Song H, Li W, et al. An integrated ecological floating-bed employing plant, freshwater clam and biofilm carrier for purification of eutrophic water[J].Ecological Engineering, 2010, 36: 382-390.

[12] Razzaghmanesh M, Beecham S, Kazemi F. Impact of green roofs on stormwater quality in a South Australian urban environment [J]. Science of the Total Environment, 2014, 470-471: 651-659.

[13] 徐鋼春, 顧若波, 聞海波, 等. 溫度、pH對圓背角無齒蚌濾水率的影響[J]. 水生生物學報, 2007, 31(4):600-603.Xu Gangchun, Gu Ruobo, Wen Haibo, et al. Influence of water temperature and pH on filtration rate of Anodonta woodiana pacifica[J]. Acta Hydrobiologica Sinica,2007, 31(4): 600-603.

[14] 溫曉蔓, 孫陸宇, 禹娜, 等. 溫度和鹽度對背角無齒蚌(Anodonta woodiana)代謝的影響[J]. 復旦學報(自然科學版), 2011, 50(5): 632-639.Wen Xiaoman, Sun Luyu, Yu Na, et al. Effect of temperature and salinity on metabolism of Anodonta woodiana[J]. Journal of Fudan University (Natural Science),2011, 50(5): 632-639.

[15] 敬小軍, 閔寬洪, 姜海洲, 等. 背角無齒蚌凈化精養池塘水質試驗[J]. 南方農業學報, 2011, 42(4): 450-452.Jing Xiaojun, Min Kuanhong, Jiang Haizhou, et al.Experiment on water purification of intensive culturing fishpond using Anodonta woodiana[J]. Journal of Southern Agriculture, 2011, 42(4): 450-452.

[16] 魏小飛, 關保華, 劉正文. 背角無齒蚌對水體凈化作用的研究[J]. 生態科學, 2016, 35(1): 56-60.Wei Xiaofei, Guan Baohua, Liu Zhengwen. Research on water purification of Anodonta woodiana[J]. Ecological Science, 2016, 35(1): 56-60.

[17] 李萍, 張修峰, 莫樹青. 背角無齒蚌(Anodonta woodiana)、苦草( Vallisneria natans)及其共存對水質的影響[J]. 生態學雜志, 2016, 35(6): 1589-1594.Li Ping, Zhang Xiufeng, Mo Shuqing. Effects of mussel(Anodonta woodiana), submerged macrophyte (Vallisneria natans) and their coexistence on water quality[J].Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(6): 1589-1594.

[18] 鄒樂, 嚴少華, 王巖, 等. 水葫蘆凈化富營養化水體效果及對底泥養分釋放的影響[J]. 江蘇農業學報,2012, 28(6): 1318-1324.Zou Le, Yan Shaohua, Wang Yan, et al. Effect of water hyacinth on purification of eutrophic water and nutrients release from sediment[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2012, 28(6): 1318-1324.

[19] Moore P A, Reddy K R, Graetz D A. Nutrient transformations in sediments as influenced by oxygen supply[J]. Journal of Environmental Quality, 1992, 21:387-393.

[20] Christian A D, Smith B N, Berg D J, et al. Trophic position and potential food sources of 2 species of unionid bivalves (Mollusca: Unionidae) in 2 small Ohio streams[J]. Journal of the North American Benthological Society, 2004, 23: 101-113.

[21] 李雪娟, 和樹莊, 李軍, 等. 螺、蚌對污水處理廠再生水環境的改善穩定作用[J]. 環境工程學報, 2012,6(10): 3485-3492.Li Xuejuan, He Shuzhuang, Li Jun, et al. Role of snails and mussels in improving and stabilizing reclaimed water environment of sewage treatment plants [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2012, 6(10):3485-3492.

[22] 歐維新, 楊桂山, 高建華. 蘇北鹽城海岸帶蘆葦濕地對營養物質的凈化作用初步研究[J]. 海洋科學, 2012,10(6): 3485-3492.OU Weixin, Yang Guishan, Gao Jianhua. Preliminary study on purification function of reed wetland for nutrients in coastal zone of Yancheng [J]. Marine Sciences,2012, 10(6): 3485-3492.

[23] 陳曉希, 白曉華. 洱海濕地植物不同組合配置對氮磷的去除效果研究[J]. 環境科學導刊, 2017, 36(3):46-52.Chen Xiaoxi, Bai Xiaohua. Removal effects of nitrogen and phosphorus on wetland plant assemblages in Erhai Lake [J]. Environmental Science Survey, 2017, 36(3):46-52.

[24] Arnott D L, Vanni M J. Nitrogen and phosphorus recycling by the zebra mussel (Dreissena polymorpha) in the western basin of Lake Erie [J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1996, 53: 646-659.

[25] Petersen J K, Hasler B, Timmermann K, et al. Mussels as a tool for mitigation of nutrients in the marine environment[J]. Marine Pollution Bulletin, 2014, 82: 137-143.

[26] 沈輝, 萬夕和, 何培民. 富營養化灘涂生物修復研究進展[J]. 海洋科學, 2016, 40(10): 160-169.Shen Hui, Wan Xihe, He Peimin. Review of research on bioremediation in the eutrophication of intertidal flats[J].Marine Sciences, 2016, 40(10): 160-169.