微生物菌劑凈化魚塘養殖污水的研究進展

景學武,喬之怡,柏 靜,許葉偉,張玟萱

(天津農學院,天津 300384)

1 水體污染物

氨氮是水產養殖水體中最主要的污染物,它能夠在生物體內直接轉化成氨氮結合態的無機氮,從而降低水體中的氨氮濃度。其降解過程受到環境條件和生物種類等多種因素的影響[1-2]。亞硝酸鹽氮是存在于養殖水體中的無機氮化合物,主要來自逐步積累的養殖動物的糞便和殘餌以及沉積的生物殘骸。亞硝酸鹽氮含量的升高會破壞水體的微生態平衡。因此,如何以硝化細菌為代表的微生物對水產養殖業廢水進行強化治理從而減少二次污染是目前微生物領域亟待解決的問題[2]。總有機碳是有機物分解和礦化過程中所釋放出的碳,其降解主要受底物濃度和代謝速率的影響。池塘養殖污水中有機物被微生物降解后,會釋放出氮氣或二氧化碳。通過生物膜過濾作用將TOC從水體中去除,并吸附其他污染物[3]。過多的氮磷及其他過量營養物質排入水體中,加劇了水體的富營養化,在適宜的溫度和pH值下,水體中的藻類迅速繁殖,會導致藍藻水華暴發,進而加速水質惡化,因此富營養化水體的治理是當前待解決的水體生態環境問題[4]。

2 污染物凈化機制

3 常用的水體凈化方法

3.1 化學方法

化學方法一般是通過向水體中添加化學藥劑以達到降低水體中的有毒物質含量的目的。目前常見的化學方法主要包括向養殖水體中添加無機肥、活性炭、投加化學藥物等方式。向養殖水體中投加無機肥是最常用的方法。向養殖水體中添加活性炭可以降低養殖水體中氨氮含量,但需要注意活性炭和氨氮之間的協同作用。通過向養殖水體中投加活性炭和無機肥來處理水產養殖污水是一種較為安全有效的方式,但是存在投資成本高、成本回收慢等缺點[9-10]。

3.2 物理方法

物理方法主要是根據吸附和過濾的原理去除水體中污染物,這類方法無需任何化學添加劑,對于養殖水體中的污染物具有極好的去除效果。吸附法主要包括物理吸附法、化學吸附法和電化學吸附法等。其中物理吸附法主要包括活性炭吸附和纖維材料吸附等方式[11-13]。在實踐應用中,一般來說,對于以養殖池塘為主體的傳統水產養殖業,可通過物理方法進行污水處理;對于以工廠化水池為主體的現代水產養殖業,可通過化學方法進行污水處理。

對于傳統養殖水體和現代水產養殖水體,采用化學方法和物理方法進行處理時,需要采用不同的化學試劑進行混合處理,以充分發揮各自的優勢來達到更好的凈化效果。

3.3 生物法

利用微生物來降解水體中的污染物,這是一種利用生物手段對污染水體進行修復的技術,也是目前水產養殖過程中最為普遍采用的方法。微生物對污染物的降解是通過與水體中有機物進行反應實現的,該方法能夠有效提高有機物的降解效率。但微生物菌劑處理效果受養殖環境影響較大,同時受溫度、養殖品種、投喂飼料種類以及養殖水體環境等因素影響較大[14]。因此,為了保持微生物菌劑的長期穩定凈化效果,必須對養殖水質進行綜合調控。通過培育高產、高活力以及耐酸堿性強的微生物菌群,提高微生物菌劑處理效果。在養殖過程中需控制好營養水平和投喂飼料種類,降低水質中氨氮和亞硝酸鹽含量[15]。

此外,可以通過向養殖水體中添加一些具有吸附性能的物質,以此來提高微生物菌劑對有機物和氨氮的吸附量,從而有效提高其凈化效果。任華峰等[16]在研究微生物菌劑對養殖池水體中氨氮吸附效果時發現,當接種微生物菌劑后魚塘水體中氨氮含量明顯降低,且水體中有機質含量也明顯下降,說明在水體中接種具有吸附功能的微生物可以有效降低養殖廢水中有機污染物含量。

綜上所述,微生物菌劑處理水產養殖污水在現階段應用十分廣泛,該方法能夠有效修復生態環境。但由于受到菌株作用機制和水質環境等因素影響,實際應用效果存在較大差異。在今后研究中可以通過與化學方法、物理方法相結合來提高微生物菌劑對水質的改善效果,同時建立完善的評價體系,綜合考慮水質環境變化以及各種因素對微生物菌劑作用效果的影響。此外需加強對于微生物菌劑作用機理研究以及其與養殖生物之間交互作用機理研究,為提高微生物菌劑凈化水質效果提供科學依據。

4 微生物菌劑種類

當水體污染達到一定程度時,土著微生物基本無法維持水體生態平衡,氮、磷以及其他營養物質大量富集,在適宜的外界環境條件下引起藍藻水華暴發。因此,需要通過投加微生物菌劑提高功能微生物生物量和多樣性,進而能夠最大程度提高功能微生物去污能力。

目前國內外對微生物菌劑的研究主要集中在復合微生物菌劑上,復合微生物菌劑中的各種有益微生物在其凈化過程中發揮了重要作用。不同種類的微生物能夠有效地凈化水體,如芽孢桿菌可以有效地降解池塘養殖水中的氨氮等有害物[17];枯草芽孢桿菌可以有效地降解水體中亞硝酸鹽等有害物質[18];光合細菌和好氧型芽孢桿菌具有降解有機物和氮的功能;枯草芽孢桿菌和光合細菌的復合菌在最佳濃度配比下對淡水養殖水體中化學需氧量CODMn去除率達44.98%,可有效增加溶解氧[19]。我國已有多家公司生產應用于魚塘養殖污水凈化處理的微生物菌劑。其中,以好氧型芽孢桿菌為主,且公司均擁有自己的專利技術。另外,復合微生物菌劑也已經獲得了國家發明專利,其具有高效、優質、多功能等特點。富麗靜等[20]對復合微生物菌劑在魚塘中進行了試驗研究,結果表明,復合微生物菌劑在魚塘中的凈化效果顯著,對氨氮有較好的去除效果;與化學消毒劑相比,復合微生物菌劑可有效去除水體中亞硝酸鹽及氨氮,降低了水體中的氨氮和亞硝酸鹽含量。陳翠雪等[21]對復合微生物菌劑在水產養殖污水凈化處理中的效果進行了研究,結果表明使用復合微生物菌劑可以改善魚塘水質情況,凈化污水,且復合微生物菌劑對水中有害物質及養殖污染物都有較好的去除效果。

5 影響魚塘污水凈化效果的主要因素

水體環境條件對微生物菌劑凈化效果的影響:一是水體環境理化條件,如水溫、鹽度、 pH值、溶解氧以及氨氮濃度等,這些理化指標直接影響著微生物的生長和代謝活動[22];二是水體中氮、磷等營養物質濃度,越高,水體中微生物的生物量也就越高[23];三是養殖用水的質量和類型,養殖用水的質量對水質影響很大,如pH值、氨氮等影響著微生物的活性。微生物自身因素對其凈化效果的影響:一是微生物菌劑中的有益細菌具有較強的生長繁殖能力和代謝活動能力,可以有效地降解水質中污染物質;二是不同種類的微生物對環境中氮、磷等營養物質有不同程度的降解能力;三是微生物菌劑中含有大量的蛋白質、酶類以及多種微量元素,可以促進微生物生長和繁殖,提高其凈化效果[24-25]。此外,外部因素對魚塘養殖污水凈化效果影響也很大。一是養殖池塘中投喂飼料時,由于飼料本身含有較多雜質,會產生氨氮和有機物質;二是放養密度過大、水溫過高或者陰雨天氣會導致水體缺氧,從而導致水質惡化。

5.1 飼料投喂

在一定范圍內,投喂量與魚塘養殖污水的凈化效果呈正相關。由于魚塘養殖污水中的氨氮是有機氮,而微生物菌劑中含有大量蛋白質,因此通過投喂量來調節魚塘養殖污水凈化效果對微生物菌劑的推廣應用有一定的限制。任華峰等[16]通過試驗表明,微生物菌劑具有降解氨氮和有機氮的能力。試驗結果表明,使用微生物菌劑后,氨氮下降73%,亞硝態氮下降39%。嚴正凜等[26]在魚塘中投喂自制微生態制劑后,采用微生物制劑、增加碳、氮比、氧氣等技術,可以穩定池塘內的 pH值,防止“倒藻”的發生,從而達到對魚塘內物質、能量的良好轉化、有效使用的目的,使魚塘內的非離子氨含量小于0.02 mg/L,無機氮含量小于0.5 mg/L。以上結果表明,使用微生物菌劑能有效地改善養殖水質環境。

5.2 養殖水質調控

6 微生物菌劑的應用前景

微生物菌劑對水產養殖污水的處理效果受多種因素的影響,包括養殖水體水質、微生物菌種種類、菌種本身特性等。目前,國內微生物菌劑主要用于處理生活污水或養殖廢水。由于我國水產養殖技術水平較低、生態環境保護意識薄弱等原因,導致水產養殖污染問題日益嚴峻。水產養殖污水中含有大量有機物,特別是水產養殖業在快速發展的同時,大量的污染物被排放到環境中,對水體造成嚴重污染。由于水產養殖業對水資源的需求量較大、污水處理率低以及生態環境問題的日益嚴重,使得微生物菌劑在水產養殖業污水處理中發揮越來越重要的作用。有研究表明,在水產養殖污水處理方面,微生物菌劑具有成本低、凈化效果好以及綠色環保等特點,對環境和人類健康都有積極影響。此外,隨著人們環境保護意識的不斷增強,生物絮凝劑、微生物殺蟲劑等生物制劑的廣泛應用必將促進微生物菌劑在我國水產養殖業污水處理中發揮更大作用。

當前仍然有待探尋高效的功能多樣性的新型微生物菌劑,從分子水平明確其凈化富營養化水體的作用機理,探索微生物群落的演替和進化過程中優勢種與污染物的關系。此外,組合生物法在凈化富營養化水體中被廣泛應用,但是自然水體環境復雜,外界影響因素多變,今后我們需要著重探究最優的生物法組合方式,需考慮到來自流域、氣候和水文等多方面的影響因素,為有效控制被污染水質提供科學的建議。