（生态学专业论文）好氧反硝化菌在养殖池塘中的初步应用.pdf

0 j d 1铡弼强嚣”鲋忡r枷0弘1，。 _ o pr ei imi nar vap pl ica tl01 10 taer oblc 一 jo de nitr it vin gb ac ter lainaquacuitt lr ep0nd g u a nw e n ju n s p ecia1t y ： ec 01og y c o11ege ：c o1lege0 flif escie n c e s u p er viso r ：p r o f e sso rw a n ga n 一1i s u b m ittedd a te ：m a y3 ，2010 摘要 好氧反硝化菌在养殖池塘中的初步应用 专业名称：生态学研究生：关文君指导教师：王安利教授 摘要 水产养殖废水污染程度虽没生活污水高，但高密度养殖水 体氨氮、亚硝氮会出现积累，限制了单位产量及养殖质量。尤 其是非循环水养殖，没有与之相配的有效水处理设施，因此本 试验将一株好氧反硝化菌( l z 3 0 ) 应用于乌鳢养殖老化池塘， 为将来好氧反硝化菌在水产养殖中应用提供理论基础。在池塘 应用试验得出以下结论： ( 1 ) 在d0 介于1 37 11 8 7 m g l 之间，l z 3 0 均表现出较强的 硝酸盐和亚硝酸盐还原能力，其d o 的阈值可能低于1 37 m g l 。 ( 2 ) 亚硝氮：表层水2 4 小时均去除8 0 左右，底层水36 小 时也均可去除8 0 左右。 ( 3 ) 硝氮：无论表层水还是底层水，硝氮的降幅与细菌的添加 量成正相关，表现为5l 3 l 1l ，葡萄糖的添加能加大降幅。 对于表层水，只加细菌，66 小时后下降率分别为39 6 、50 2 、 5 9 6 ；同时添加葡萄糖下降率分别53 4 、6 2 6 、7 3 9 ； 对于底层水，只加细菌，66 小时后下降率分别为2 9 6 、4 2 2 、 58 4 ；同时添加葡萄糖下降率分别4 7 2 、59 6 、6 2 9 。 ( 4 ) 总氮去除：无论表层水还是底层水，细菌的添加都可以引 起总氮的显著下降，且降幅与细菌添加量成正相关，葡萄糖的 添加会加大降幅。对于表层水，只添加细菌，6 6 小时后，与起 始总氮浓度比较，1l 、3 l 、5l 的细菌添加量，总氮下降率分别 为2 1 9 9 、31 2 5 、3 3 4 5 。同时添加葡萄糖，1l 、3l 、5l 摘要 的细菌添加量可导致总氮分别下降3 0 9 、39 0 、4 1 3 。对 于底层水，只添加细菌，66 小时后，与起始总氮浓度比较，1l 、 3l 、5l 的细菌添加量，总氮下降率分别为2 6 8 、33 7 、4 0 9 。 同时添加葡萄糖，1l 、3l 、5l 的细菌添加量，总氮下降率分别 为3 0 4 2 、39 4 、4 5 6 。 ( 5 ) 实验菌株l z 3 0 对氨氮去除较缓。氨氮下降幅度与添加 量成正相关，下降幅度总体表现为5l 3 l 1l 。只添加细菌， 与对照相比，66 小时后表层水氨氮下降率分别为2 3 5 、53 1 、 56 8 ；底层水氨氮下降率分别为2 0 、2 8 1 、37 7 。同时 添加细菌和葡萄糖，氨氮下降更快：与对照相比，66 小时后表 层水氨氮下降率为28 4 、52 5 、6 9 ；底层水氨氮下降率分 别为21 3 、38 8 、53 2 。 ( 6 ) 细菌的添加会促进有机物中氨氮和磷酸盐的释放，但随后 氨氮能够有效降低，磷酸盐量与释放量及藻类吸收有关，其波 动较复杂。 综合其耐氧能力与脱氮能力来看，此株好氧反硝化菌具有 很好的应用前景。 关键词：好氧反硝化菌围格系统葡萄糖溶解氧脱氮 a b s t r a c t p rellmln a r ya pp llc a tl0 n0 f a er o bic d e nl t r ifyln gb a ct erlalna qua cu l t urep o nd a b s t r a c t m a jo r ：e c 0 1 0 9 y n a m e ：g u a nw e n - ju n s u p e r v is or ：w a n ga n - 1 i e v e nt h o u g ha q u a c u lt ur ew a s t e w a t e rp o l l u t i o ni sn o ta sh i g h a st h es e w a g e ，b u ta c c u m u l a t i o no fn i t r i t ea n da m m o n i aa p p e a r s t o l i m i t t h e y i e l d s a n d q u a l i t y e s p e c i a l l y ，n o n c i r c u l a t i n g a q u a c u l t u l e ，t h e r ei s n oe f f e c t i v et r e a t m e n tf a c i l i t i e s ，s oi nt h i s e x p e r i m e n t ，a na e r o b i cd e n i t r i f i e r ( l z 3 0 0 ) w a sa p p l i e d t ot h e a g i n gp o n d s ，i tp r o v i d e d at h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u t ur e a q u a c u l t u r e t h ef o l l o w i n ga r ec o n c l u s i o n so fa p p l i c a t i o nt e s t ： ( 1 ) t h es t r a i nh a v es h o w ns t r o n ga b i l i t yo fn i t r i t ea n dn i t r a t e r e d u c t i o na n d e rd o r a n g e d f r o m 1 3 7 - 1 1 8 7 m g l ，t h e d o t h r e s h 0 1 dm a yb el o w e rt h a n1 3 7 m g l ( 2 ) i ns u r f a c ew a t e r ，8 0 n i t r i t ew a sr e m o v e di n2 4h o u r s ； i nb o t t o mw a t e r8 0 n i t r i t ec a nb er e m o v e da f t e r3 6h o u r s ( 3 ) n i t r a t er e m o v a l ：w h e t h e rs u r f a c ew a t e ro rb o t t o mw a t e r ， n i t r a t ed e c r e a s ei s p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t ht h ea m o u n to f b a c t e r i a ，a n dt h ea d d i t i o no fg l u c o s ec a ni n c r e a s et h ed e c l i n e f o rs u r f a c ew a t e r ，a d db a c t e r i a1l 、3 l 、5 l ，t h ed e c r e a s er a t e w e r e3 9 6 ，5 0 2 ，5 9 6 a f t e r6 6h o u r s ；w h i l e5 3 4 ，6 2 6 ， 7 3 9 r e s p e c t i v e l yi fa d dg l u c o s et o g e t h e r ；f o rb o t t o mw a t e r ，t h e d e c r e a s er a t ew e r e2 9 6 ，4 2 2 ，5 8 4 a f t e r6 6h o u r s ；w h i l e 4 7 2 ，5 9 6 ，6 2 9 r e s p e c t i v e l yi fa d dg l u c o s et o g e t h e r ( 4 ) t o t a ln i t r o g e nr e m o v a l ：w h e t h e rs u r f a c ew a t e ro rb o t t o m i i i a b s t r a c t w a t e r ，a d db a c t e r i ac a nc a u s e a s i g n i f i c a n td e c l i n e ，a n d t h e d e c r e a s ea m o u n tw a sp o s i t i v e l yr e l a t e dt ob a c t e r i ad o s a g e s ，t h e a d d i t i o no fg l u c o s ec a ni n c r e a s et h ed e c l i n e f o rs u r f a c ew a t e r ，a d db a c t e r i a1l 、3 l 、5 l ，t h ed e c r e a s er a t e w e r e2 1 9 9 ，31 2 5 ，3 3 4 5 ，r e s p e c t i v e l ya f t e r6 6h o u r s w h i l e 3 0 9 ，3 9 o ，4 1 3 i fa d dg l u c o s et o g e t h e r ；f o rb o t t o mw a t e r ， t h ed e e r e a s er a t ew e r e2 6 8 ，3 3 7 ，4 0 9 ；w h i l e3 0 4 2 ， 3 9 4 4 5 6 r e s p e c t i v e l yi fa d dg l u c o s et o g e t h e r ( 5 ) s t r a i n sl z 3 0 h a sar e l a t i v e l ys l o ws p e e do fa m m o n i a n i t r o g e n r e m o v a l d e c r e a s er a t ew a sp o s i t i v e l yr e l a t e dt o b a c t e r i ad o s a g e s f o rs ur f a c ew a t e r ，a d db a c t e r iall 、3l 、5l ，t h ede c r e a s er a t e w e r e 2 3 5 ，5 3 1 ，5 6 8 ，r e s p e c t i v e l y a f t e r6 6h o u r s w h i l e 2 8 4 ，5 2 5 ，6 9 i fa d dg l u c o s et o g e t h e r ；f o rb o t t o mw a t e r ， t h ed e e r e a s er a t ew e r e2 0 ，2 8 1 ，3 7 7 ；w h i l e2 1 3 ，3 8 8 ， 5 3 2 r e s p e c t i v e l yi fa d dg l u c o s et o g e t h e r ( 6 ) a d d t h eb a c t e r i aw i l lp r o m o t ei n o r g a n i cn i t r o g e na n d p h o s p h a t er e l e a s ef r o mo r g a n i c ，b u tt h e ni n o r g a n i cn i t r o g e nc a n e f f e c t i v e l yr e d u c e ，w h i l ep h o s p h a t ec o n t e n t r e l a t e dw i t ht h e r e l e a s ea m o u n ta n da b s o r p t i o na m o u n tb ya l g a e ，t h ef l u c t u a t i o n s w e r ec o m p l e x k e yw o r d s ：a e r o b i cd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a ，e n c l o s u r es y s t e m ， g l u c o s e ，d o ， d e n i t r o g e n a t i o n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 我国水产养殖现状1 1 1 1我国水产养殖的特点1 1 1 2 我国水产养殖存的主要问题3 1 2 池塘养殖生态系统4 1 2 1养殖池塘生态系统的特点4 1 2 2 养殖池塘生态系统中的氮磷循环5 1 2 3 高密度养殖池塘污染及危害8 1 3 养殖水体的水质调控1 l 1 3 1物理处理法1 l 1 3 2 化学处理法1 2 1 3 3养殖水体生态调控1 2 1 4 参与养殖水体氮循环的细菌1 7 1 4 1细菌参与的氮素生物地化学循环1 7 1 4 2 脱氮细菌新认识1 7 1 4 3 脱氮过程与相应细菌1 7 1 4 4 养殖池塘脱氮过程的不协调1 9 1 5 好氧反硝化细菌研究进展2 0 1 5 1好氧反硝化的发现2 0 1 5 2 好氧反硝化细菌的来源2 0 1 5 3 好氧反硝化的作用过程2 3 1 5 4 好氧反硝化作用相关酶2 4 1 5 5 影响好氧反硝化作用的因素2 6 1 5 6 好氧反硝菌的应用2 8 1 6 本论文的立题依据与研究内容及意义2 9 第二章材料与方法3 0 2 1 试验池塘情况3 0 2 2 试验所试菌株3 0 2 3 现场实验设计3 1 2 4 理化指标测定方法3 2 2 4 1 氨氮3 2 2 4 2 亚硝酸盐氮3 2 v 目录 2 4 3 硝酸盐氮3 3 2 4 4 总氮3 3 2 4 5 磷酸盐3 4 2 5 荧光定量分析方法3 5 2 5 1 实验试剂及仪器“3 5 2 5 2 实验方法步骤3 5 2 5 3 数据处理方法4 l 第三章结果与分析：4 2 3 1 池塘围格水体温度，d 0 ，p h 的动念变化4 2 3 2 池塘围格水体亚硝氮的变化结果4 5 3 3 池塘围格水体亚硝氮的变化分析4 9 3 4 池塘围格水体氨氮的变化的结果5 0 3 5 池塘围格水体氨氮的变化分析5 4 3 4 池塘围格水体硝氮的变化的结果与分析5 5 3 5 池塘围格水体磷酸盐的变化的结果与分析5 7 3 6 池塘围格水体总氮的变化的结果5 9 3 7 池塘围格水体总氮变化分析6 3 3 8 池塘围格水体n i r s 基因的变化结果6 4 第四章讨论6 8 4 1 关于实验池塘围格溶解氧变化6 8 4 2 关于实验池塘围格p h 变化6 9 4 3 关于实验池塘围格亚硝酸氮的变化6 9 4 4 关于试验池塘围格磷酸盐磷与氨氮的变化7 1 4 5 关于试验池塘处理围格总氮的损失7 1 4 6 关于试验池塘处理围格好氧反硝化菌数量变化7 2 第五章结论与展望7 3 5 1 结论7 3 5 2 展望7 4 参考文献7 5 致谢8 4 v i 第一章绪论 第一章绪论 1 1我国水产养殖现状 以水域为依托，水产业利用水生生物自身的生长，获取水产食物( 国家自然 科学基会委员会，1 9 9 7 ) 。水产业对提高人民生活水平、增加就业岗位、促进社 会经济快速发展具有十分重要的作用。我国人口众多、人均资源水平较低，据统 计，目前我国耕地的人均占有量不及世界平均水平的1 3 ，因而水产业作为我国 粮食的一个重要来源，在国民经济中具有举足轻重的作用。下面就目前我国水产 养殖的特点及存在的问题加以概述。 1 1 1我国水产养殖的特点 ( 1 )水产品总量、养殖比例稳步上升，捕捞比例趋于稳定 1 9 7 9 年的水产养殖总产量仅为1 2 3 力吨，至2 0 0 9 年己达到5 1 2 0 力吨。水 产养殖产量在全国渔业总产量中所占比例从1 9 7 9 年的2 9 增加到2 0 0 9 年的 7 1 。据国家统计局和农业部报道，2 0 0 6 年全国水产品总产量为4 5 8 3 6 力吨， 其中海水养殖产量1 2 6 4 2 万吨，淡水养殖产量1 8 5 3 6 力吨，海洋捕捞产量1 2 4 5 5 万吨，淡水捕捞产量2 2 0 4 万吨；养捕比为6 8 ：3 2 ；2 0 0 7 年全国水产品总产量为 4 7 4 7 5 万吨，同比增长3 5 8 ；其中海水养殖产量1 3 0 7 3 万吨，淡水养殖产量1 9 7 1 万吨，淡水捕捞产量2 2 5 6 万吨，海洋捕捞产量1 2 4 3 5 万吨，同比分别增长3 4 2 、 6 3 3 、2 3 9 和降低0 1 5 ；养捕比为6 9 ：3 1 ；2 0 0 8 年全国水产品总产量为4 8 9 6 万吨，其中养殖产量已达到7 0 ，养捕比为7 0 ：3 0 ；至2 0 0 9 年我国水产品总产量 为5 1 2 0 0 万吨，比0 8 年同比增长4 6 ，其中养殖产量为3 6 3 5 万吨，相比0 8 年 增长6 5 ，捕捞量为1 4 8 5 万吨，相比0 8 年增长0 1 ，养捕比为7 1 ：2 9 。所以 说，水产养殖取代了捕捞渔业，成为中国主要的渔业活动。 ( 2 )养殖面积逐步扩大 2 0 0 6 年全国水产养殖面积为5 5 2 5 4 6 万公顷，其中海水养殖面积1 2 7 1 7 6 万 公顷，淡水养殖面积4 2 5 3 7 0 万公顷；2 0 0 7 年全国水产养殖面积为5 6 3 3 2 1 万公 顷，同比增长1 9 5 。其中海水养殖面积1 3 3 1 2 6 万公顷，淡水养殖面积4 3 0 1 9 5 万公顷；2 0 0 8 年全国水产养殖面积为6 5 4 9 9 万公顷，同比增长1 6 2 7 ，其中海 水养殖面积1 5 7 8 9 万公顷，淡水养殖面积4 7 9 1 万公顷。据农业部报道，中国海 水可养面积4 3 8 万公顷，内陆可养水面为2 7 3 4 万公顷，养殖面积扩大尚有大量 的增幅空间。随着养殖技术和工程技术水平的不断提高，可养面积还可以扩大。 华南师范人学硕十学位论文 另外，中国还有大量宜渔稻田，稻田养鱼也有很大发展余地。 ( 3 )养殖区域化发展迅速 目前我国水产养殖区域化发展迅速，形成了三大优势养殖养殖区域( 带) ： 黄渤海水产品优势养殖带，涉及山东、辽宁、河北、天津4 省( 市) ，包括6 2 个县( 市、区) ，主要优势品种为对虾、贝类、河蟹、海藻等。东南沿海水产品 优势养殖带涉及浙江、福建、广东、广西、海南5 省( 区) ，包括1 2 1 个县( 市、 区) 主要优势品种有鳗鲡、对虾、贝类、大黄鱼、罗非鱼、海藻等。长江流域水 产品优势养殖区涉及江苏、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川7 省( 市) ， 包括1 0 2 个县( 市、区) ，主要优势品种为河蟹、斑点叉尾鲴、鳗鲡、海藻。 ( 4 )养殖品种多样化 建国以来，我国先后从国外引进了上百种水产养殖新品种，丰富了我国的水 产种类资源( 胡晓龙，2 0 0 6 ) 。如德国镜鲤、白鲫、革胡子鲶、蟾胡子鲶、卡 特拉鱼、虹鳟、红鲍、绿鲍、罗非鱼、俄罗鳄、太平洋牡蛎、海湾扇贝、巨藻、 异枝麒麟菜、褐首鲶、沟鲶、尖吻鲈、加州鲈鱼、淡水白鲳、南美白对虾、英国 大菱鲆、美国红鱼、美国条纹鲈、同本红鳍东方等。且绝大多数己形成了产业并 产生了较大的社会和经济效益，为发展我国的水产养殖事业作出了重要贡献。 ( 5 ) 水产品进出口贸易在困境中稳步发展 我国加入w t o 后，随着关税的降低、市场的丌放，水产品进出口贸易进入 了高速增长阶段，形成了以国内自产水产品出口为主、来进料加工相结合的水产 品国际贸易格局，水产品进口也快速上升，渔业国际化程度明显提高。2 0 0 1 年 2 0 0 7 年，我国水产品进口量增加了4 9 7 0 ，进口额增加了1 5 1 0 6 ，出口量增 加了5 6 8 9 ，出口额增加了1 3 2 4 6 ，从2 0 0 2 年丌始，我国水产品出口贸易连 续7 年位居世界第一，约占世界水产品贸易总额的1 0 ，成为世界水产品贸易的 “领头羊”。我国与世界各主要国家和地区的水产品贸易日益活跃，向1 5 0 多个国 家( 地区) 出口水产品，但水产品进出口市场结构不够合理，市场比较狭窄。2 0 0 4 年起我国农产品贸易由顺差转为逆差，水产品的贸易顺差却继续增加，但近些年 发生的一系列水产品安全事件制约着我国的水产品的出口贸易。 ( 6 ) 渔业发展方式处于转型期 我国从1 9 7 8 年改革开放之初，经过了“养捕之争”后，中央对渔业要求“重点 发展养殖”。1 9 8 5 年“中央5 号文件”正式提出渔业要“以养为主”。1 9 8 6 年渔业 法将“以养为主”以法律的形式确定下来。由此，中国渔业经历了由“捕捞为主” 到“以养为主”发展方式的第一次重大转变。2 0 多年过去了，仅局限在“以养为主” 已经不能完全表达我们现阶段水产养殖和渔业发展方式转变的要求。必须转变现 2 第一章绪论 有的养殖发展方式，推进“健康养殖”。传统水产养殖模式的高消耗、高污染，使 得水产养殖须转向以低消耗、低排放、高效率为基本特征的可持续发展的循环型 的水产养殖模式( 王安利，廖绍安，2 0 0 6 ) 。2 0 0 9 年中央一号文件再次明确提 出“加快发展畜牧水产，规模化标准化健康养殖”。 1 1 2 我国水产养殖存的主要问题 经过近3 0 年的快速发展，我国水产养殖业发展态势总体良好，但也存在一 些突出问题，主要集中在资源浪费、环境污染严重，养殖病害增多，水产品高药 残等方面( 王安利，廖绍安，2 0 0 8 ) 。 ( 1 )水产养殖对资源和环境影响同益严重。 绝大部分属于“资源浪费型”和“环境污染型”的生产。突出表现在部分区域过 度丌发和超容量养殖导致水域富营养化，大量排放养殖废弃物，影响了周边水域 的生态环境。另外，有些水产动物配合饲料中蛋白含量偏高，大部分未同化为养 殖动物的生物量，以残饵形式进入水体，增加水体的n 、p 负荷，造成养殖水环 境污染。 ( 2 )水产养殖病害增多 随着养殖规模的扩大、集约化程度的提高，而养殖管理的技术水平没有相应 提升，导致水产养殖病害频繁发生，不得不大量使用药物，因此形成了“药物依 赖型”的养殖方式。1 9 9 3 年的对虾爆发性流行病和1 9 9 8 年的扇贝大面积死亡均 使我国水产养殖业遭受了严重损失。近年来，养殖病害呈加重之势，突发性、不 明原因的病害种类增多，大面积死鱼现象时有发生，特别是对虾、甲鱼、河蟹、 鳗鲡等名优水产养殖品种病害更为严重。 ( 3 )水产品药残问题突出。 有病就用药，防病也用药，现在养殖生产中使用各种抗生素、激素和高残留 化学药物等已不是个别现象，且用药不规范、不科学，导致水产品药物残留问题 成为国内外关注的焦点问题。近几年发生的氯霉素、甲醛、恩诺沙星和最近发生 的孔雀石绿残留事件，使水产品的生产、出口、消费都不同程度地受到负面影响 和冲击，暴露出养殖水产品的安全隐患。 小结：就目前我国水产养殖发展形势来看，发展方向明确，但挑战与风险并 存。从重产量到更重质量的渔业方式的转变，不仅是对人类的健康负责，也是对 环境负责。而“健康养殖”，“生态养殖”发展的瓶颈关键在于养殖技术的改进、水 质调控技术的革新，保证整个养殖生产过程低能耗、安全、高效、无污染。 3 华南师范人学硕+ 学位论文 1 2 池塘养殖生态系统 2 0 世纪8 0 年代以来，我国池塘养殖高速发展。其产量占淡水渔业总产量的 3 4 左右，但现行的池塘养殖模式盲目追求产量和经济效益，以高密度养殖为主； 水、电、饲料、肥料、药品等的高消耗、高投入来换取高产出，导致池塘水体污 染严重，生态环境恶化，可持续发展面临严峻挑战( 张德隆等，2 0 0 4 ) 。为此， 农业部提出：我国当前渔业科技工作的重点之一，是“渔业水域生态环境保护和 生念养殖”，生态养殖将成为我国池塘渔业前进的主要方向。 1 2 1 养殖池塘生态系统的特点 池塘养殖生态系是封闭或半封闭的养殖生态系统，属于人工或半人工生态系 统( 何志辉，2 0 0 0 ) 。其生态系统结构比自然海洋、湖泊生态系统要简单得多，边 界较明确，生物组成比较简单、生物多样性降低、生物之间的种间竞争强度低， 养殖的动、植物在生物群落中占绝对优势，生物之问的自我调节和人工调节并存。 天气或季节的变化和人工的调控措施能在短时间内引起池塘生态系的大幅度改 变。因此，养殖池塘生态系统的变化是自然演化和人为干预的共同结果，具有以 下一些特点： ( 1 ) 结构简单 养殖池塘生态系统的结构，是根据养殖动物的需要，在一定程度上人为造成 的。与自然生态系统相比，部分生物因子被人为地强化了，而另一部分因子( 养 殖动物的敌害和竞争者) 则被人为地削弱。在养殖池塘生态系统中，生物种类组 成简单，养殖生物在群落中占绝对优势，成为最高级的消费者，没有形成复杂的 食物网，食物链很短。 ( 2 ) 人工饵料是养殖动物主要能量来源 养殖动物所需要的能量的主要来源并不是养殖池塘生态系统内藻类等浮游 植物固定的太阳能，而是由大量的人工投饵来提供，但是养殖池塘生态系统中的 藻类大量繁殖会严重影响养殖动物的生长，若大量生长的是饵料藻类，则可为养 殖动物提供良好的天然饵料，若大量生长的是微囊藻等有害藻类，则会严重影响 养殖动物的生长。 ( 3 ) 物质循环不通畅 养殖池塘是一个非常简单的生态系统，包括养殖动物和自然存在微小浮游植 物、浮游动物和微生物等，生物链简单，极易导致其各种物质循环受阻( 李庆彪， 李美芝，王宝廷，1 9 9 5 ) 。同时，人工饵料中的有机质部分溶解、悬浮于水中， 更大部分残饵沉积于池底，微生物不能正常分解，导致物质循环不畅通。 4 第一章绪论 ( 4 ) 养殖池塘的自净能力差 养殖池塘生态系统中的自净能力很差( 柯清水，1 9 9 9 ) 。这主要是因为在养 殖生态系统中，没有形成复杂的食物网，食物链很短，如果其中的某一环被破坏， 没有别的转化途径，整个系统就可能崩溃。养殖池塘生态环境缺乏吞噬型底栖动 物。大量有机物只能靠土著微生物分解，而养殖池塘生态环境中的土著微生物的 分解能力又很有限，如果投入的外源物质( 如饲料或消毒剂) 过多，生态循环途 径受阻，平衡被破坏，就会造成池塘中有害物质累积。 ( 5 ) 生念平衡具有高产性和脆弱性 水产养殖业总是设法提高养殖容量，获取最大产量，因此其生态平衡是建立 在高产的基础上。由于生态系统的结构过于简单，稳定性差，对外来的干扰自我 调节能力小，故其生态平衡又是脆弱的。脆弱的生态平衡系统却能高产，其原因 在于，人对生态平衡的调节起着重要的作用。当人的调节作用有效时，则生态平 衡表现为高产性；当人的凋节作用无效时，则生念平衡表现出脆弱性。( 林小涛 等，2 0 0 9 ) ( 6 ) 生念平衡要靠人工调节 自然生态系统结构复杂，对外来干扰的自我调节能力强，其生态平衡是靠生 态系统的自我调节完成的。但养殖池塘生念系统不同，其系统中养殖动物的敌害， 和竞争物种被减少到最低限度，种间斗争变得相当缓和，养殖池塘生态系统的结 构简单，这就决定了人工调节部分地代替生态系统自我调节的必然性( 张显久， 2 0 0 3 ) 。同时人工调节又是池塘养殖生态系统高产的前提，这也决定了人工调节 的必然性。各种因子对生态平衡的影响有规律性，也有偶然性，这又决定了人工 调节的经常性和复杂性。 1 2 2 养殖池塘生态系统中的氮磷循环 氮、磷是生物体所必需的大量元素，也是养殖水体限制初级生产力的营养元 素。在池塘养殖中，人们为了追求高产、高效，往往投入大量的富含氮、磷营养 物质的饵料和肥料，结果导致鱼虾病害频频发生，业已成为影响我国水产养殖生 物存活率和产量的瓶颈。每生产1 吨虾可使得水体增加0 2 吨氮元素和0 0 5 吨磷 元素( 刘波，刘文斌，2 0 0 3 ) ，当养殖池塘无机氮磷含量大大超过浮游植物细胞 生长需求时，会导致水华爆发、病害猖撅、养殖效益下降，这种养殖废水的排放， 还可造成环境的二次污染。在以投饵为主的养殖模式下，残饵、粪便、氮、磷等 富营养因子排入水体，使养殖水体b o d ( 生物耗氧量) 与c o d ( 化学需氧量) 严重超 标。 5 华南师范人学硕十学位论文 1 2 2 1 养殖池塘的氮循环 在养殖池塘水体中，氮有3 至+ 5 九种不同化学价态，在生物及非生物因素 的共同作用下，氮以无机氮和有机氮两种形式存在。无机氮有溶解n 2 、n h 4 + - n 、 n 0 2 - - n 和n 0 3 - n 等，有机氮主要包括蛋白质、氨基酸和腐殖酸等。养殖水体中 氮的循环过程如图1 - 1 所示： 图1 - 1 水中氮的生物化学循环示意幽( 孙晓红，2 0 0 2 ) f i g 1 - 1 t h eb i o c h e m i c a lc i r c u l a t i o no fn i r t r o g e ni nw a t e r 饲料中蛋白质含量相对较大，水产动物摄食饲料后，蛋白质分解为氨基酸而 被吸收，经同化作用重新合成新的蛋白质转化为水产动物身体的一部份，形成产 量。动物自身蛋白质亦能通过异化作用再次分解成氨基酸，由蛋白质变成氨 ( n h 3 ) ，随排泄物进入养殖池塘生态系统。氨在池塘生态系统中存在二种方式： 分子态氨( n h 3 ) 和离子态铵( n h 4 + ) 。前者有毒，后者无毒，受水中各种因素 的影响，二者互相转化。氨态氮( 即氨氮n h 3 ) 继续在水中生态循环，一部份被 藻类所利用，促进藻类生长繁殖；大部份被异养型硝化细菌转化成亚硝酸盐 ( n 0 2 ) ，再经亚硝化细菌转化成硝酸盐( n 0 3 - ) ，硝酸盐( n 0 3 - ) 经反硝化细菌 再进一步转化成游离氮( n 2 ) ，逸出水体进入大气。 由上可知：进入池塘生态系统的有机氮，经生物同化作用，被固定在生物体 内，形成产量；经生物异化作用，在池塘生态系统中产生了氨( n h 3 ) 或铵( n h 4 + ) ， 亚硝酸盐( n 0 2 ) ，硝酸盐( n 0 3 ) 及氮气( n 2 ) 。氨和亚硝酸盐毒性很大，对 水产动物有强烈毒害作用，必须通过水质管理来控制其浓度，否则后患无穷。 6 第一章绪论 1 2 2 2 养殖池塘中的磷循环 在人工池塘养殖生态系统中，磷的循环过程如图1 2 所示： 养殖池塘水体磷的输入主要以肥料和饵料为主，其在磷的输入中所占比例很 高，通常占磷总输入的5 0 以上。齐振雄等( 1 9 9 8 ) 报道对虾养殖池中投放肥料、 饵料，分别占磷总输入的6 5 1 6 9 9 和3 0 o 3 4 7 。此外，生物的残骸及代 谢废物、沉积物经异养细菌作用导致的磷释放，都会增加水体的磷含量。 养殖池塘水体磷的输出，除了养殖池塘中生物吸收利用、养殖水产动物收获 和随换水流失之外，主要是由化学沉淀与吸附沉淀积累于沉积物中( 约占磷的总 消耗的5 0 8 0 ) 。池塘养殖生态系统中磷输出的主要形式为底质沉积，其输出 量可占总输出量中的5 0 以上，其次为收获后的养殖水产动物，其比例可以占 2 0 左右。d a n i e l 等( 1 9 8 9 ) 对养殖池塘水体磷的收支研究报道，底质沉积的磷占 总磷输出的5 3 2 8 ，收获后养殖生物的磷输出占4 1 8 ，换排水磷输出占4 9 2 。 j i 凝 簟赶 磷 移 影 图1 - 2 养殖池塘中磷的循环过程( 陈佳荣，1 9 9 6 ) f i g 1 2 t h ec i r c u l a t i o no fp h o s p h o r u si nc u l t u r ep o n d 7 死 r “ 爱链 骜 o i 物 排 泄 乡 解 华南师范人学硕十学位论文 1 2 3 高密度养殖池塘污染及危害 在生物地球化学作用下，养殖环境中过多的有机氮会转化无机氮( 氨氮、亚 硝酸盐、硝酸盐等) ，氨氮和亚硝酸盐对水产养殖动物有强烈的毒害作用，浓度 较高时会降低养殖动物的生长速率、抗病害能力甚至导致死亡，相对来说鱼类对 硝酸盐的耐受力较大，但硝酸盐与磷酸盐过多，可引起富营养化以及与此相关的 藻类水华，造成严重的环境问题，而且硝酸盐在环境中溶解氧不足时又会快速转 化为亚硝酸盐。关于磷是否对养殖生物直接产生毒性，至今还没有明确的报道， 但高质量分数的磷会导致水体的富营养化。高密度水产养殖系统的水质控制问题 通常是它们运行的薄弱环节。下面就养殖水体n 、p 污染，特别是有害氮的危害 加以概述。 1 2 3 1n 、p 污染导致养殖水体的富营养化 进入水体的氮磷营养元素将大大加速水体富营养化的进程，恶化水体质量， 不仅造成经济上的重大损失，而且危害人类健康，影响深远。其危害主要表现在： ( 1 ) 藻类过度繁殖，导致水体产生霉味和臭味；藻类的死亡分解，也会散发浓 烈恶心的腥臭。( 2 ) 降低水体的透明度，蚊虫大量滋生。深层水体难以进行光合 作用，加之藻类死亡腐烂分解一部分溶解氧，水中的溶解氧浓度将大大降低，使 得深层水体需氧生物难以存活。( 3 ) 富营养化水体含有大量的藻类，其中许多藻 类能够分泌、释放有毒有害物质。不少蓝藻有毒，不适合作鱼的饵料，尤其是其 中的微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属和颤藻属是淡水中有潜在危害的藻类。它们 可产生脂多糖毒素，有的还可产生毒性更强的肝毒素( 如微囊藻毒素) 和神经毒 素( 如类毒素、石房哈毒素) ，对养殖的水生动物有直接的毒害作用( 刘勇，2 0 0 4 ) ( 4 ) 破坏水体生态平衡，影响水生生物的稳定性和多样性。( 5 ) 藻类过度繁殖 将降低水体的溶解氧，影响鱼类生存；贫营养水体对某些需氧高的鱼类有利；但 富营养水体将导致鱼的种群结构变化。( 6 ) 影响水质，增加水质调控成本与水处 理的技术难度。 1 2 3 2 有害氮对养殖动物造成危害 1 2 3 2 1 氨氮 ( 1 )养殖水体中氨氮的来源 氨氮来源途径，主要是细菌的氨化作用，各种水产养殖系统中，以饲料或营 养元素的形式投入到养殖水体中的氮分别只有2 5 左右被鱼同化，鱼吸收氮以后 的排泄物和没有被消耗的饲料被微生物降解矿化形成氨氮。氨氮的去除主要有两 8 第一章绪论 种途径，细菌的氨氧化作用( 包括氨氧化菌及氨氧化古细菌) 变为亚硝酸盐，或 n h 3 在水体过饱和后从水体逸出。 ( 2 )氨氮对养殖动物的危害物 水体中的氨主要以n h 4 + 和非离子化n h 3 两种形式存在。( 1 ) 当养殖水体偏 酸性时，氨主要以n h 4 + - n 的形式存在，其毒性表现在鱼的亚致死量和免疫活性 受迫，具体症状是鱼极度活跃或抽搐，失去平衡，无生气或昏迷。( 2 ) 当养殖 水p h 较高，则以n h 3 形式存在，其毒性更强，而且水体溶氧愈低，氨毒性也就 愈烈。氨( n h 3 ) 首先是侵袭鳃表皮，破坏鳃表皮组织，即使是低浓度的氨，长期 接触也会损害鳃组织，出现鳃小片弯曲、粘连或融合现象( 乔顺风，2 0 0 6 ) ；氨 通过鳃进入水生生物体内时，会直接增加水生生物氨氮排泄的负担，氨氮在血液 中的浓度升高，血液p h 随之相应上升，水生生物体内的多种酶活性受到抑制； 分子氨将血液中血红蛋白分子的f e 2 + 氧化成为f e 3 + ，降低血液的携氧能力，使呼 吸机能下降，导致氧气和废物交换不畅而窒息。此外，还可导致鱼类等水生动物 的神经系统、肝肾系统遭受破坏，引起体表及内脏充血、肌肉增生及出现肿瘤， 严重的发生肝昏迷以致死亡( 姜金忠，王玉群，2 0 0 6 ) 。 c o l t 等( 1 9 7 8 ) 研究证实，n h 3 浓度为0 0 5 1 0 m g l 内对鲶鱼的生长抑制与浓 度成正线性关系，并计算出对鲶鱼的半数抑制生长浓度为0 5 m g l 。s z u m s k i 等 ( 1 9 8 2 ) 研究还发现n h 3 的毒性与p h 值、温度、碱度以及鱼鳃表面n h 3 浓度密 切相关，当p h 值、温度升高时氨铵之间平衡向n h 3 方向转移，因而氨氮表现出 毒性增大。目前普遍认为总氨的含量超过0 5 m g l 时，对鱼有毒害作用，而且鱼 类不能长时间生活在总氨含量超过0 5 m g l 的水体中，而分子氨允许的最高浓度 仅为每升0 1 m g n l ( 张进凤等，2 0 0 9 ) 。我国渔业水质标准要求非离子氨浓度 8 m g l c n 为7 9 时，m l s s 较低的情况下，经过5 小时曝气除氮率为4 5 3 9 6 。 并且还发现除氮率随c n 的提高而增高。赵宗升等( 2 0 0 2 ) 对普通活性污泥的好 氧反硝化工艺研究表明，处理高浓度氨氮渗滤液，总氮去除率可达1 0 以上。 ( 2 ) 降解有机污染物 聚乙烯醇( p v a ) 曾被认为是一种无法生物降解的合成纤维。s u z u k i 等( 1 9 7 3 ) 从含有p v a 的土壤中分离出1 株好氧反硝化假单胞菌o 3 ，然后将其利用到含 有p v a 的废水处理中并有效地降解了p v a 。产碱菌p 5 ( s e u n g 等，2 0 0 1 ) 能在 好氧条件下以苯酚为有机碳源进行反硝化作用，同时有效地去除苯酚和硝酸盐 氮。特定环境中，好氧反硝化菌能够去除有毒或难降解污染物的潜能( 王薇等， 2 0 0 7 ) 。 第一章绪论 1 6 本论文的立题依据与研究内容及意义 立题依据 在水产养殖中，传统上常采用直接投入活性污泥，后又利用固定化光合细菌 来进行脱氮处理。人们曾利用硝化细菌除高浓度无机氮，但是硝化作用的终产物 是硝酸盐，长期使用会导致硝酸盐的大量累积，遇到阴雨天气硝酸盐又会转化为 亚硝酸盐，对水产养殖动物不利。水产养殖动物大多需要较高的溶解氧，由于在 鱼虾池塘养殖过程中必须经常开动增氧机充氧来保证水中的溶解氧含量，厌氧反 硝化细菌的脱氮作用不能得到充分发挥。因此，我们将注意力转移到好氧反硝化 菌，因为其可以在有氧条件下进行反硝化，将硝酸盐和亚硝酸盐转化成气态氮， 且可将氨在好氧条件下直接转化成气态产物。目自订好氧反硝化细菌在养殖水体中 的应用鲜有报道。 研究内容 ( 1 ) 将已筛选出的好氧反硝化细菌l z 3 0 应用到高密度养殖池塘中去，检 验其在养殖环境中反硝化的脱氮能力。 ( 2 ) 同时检测d o 、p h 、温度以及水质参数，了解加菌后的水质改善情况， 以及细菌的添加量多少适宜，为进一步的实际应用提供理论基础。 ( 3 ) 用荧光定量的分子生物学方法对各层水体好氧反硝化菌的数量进行定 量测定，以期了解加入好氧反硝化菌后，其数量变化以及其分布。 研究意义 本实验拟通过好氧反硝化细菌在养殖环境中的应用，来了解在实际复杂的养 殖环境中的脱氮效果。从而为非循环水养殖池塘环境中生物脱氮技术的研究和发 展提供理论依据。同时，本研究的结果对提高非循环水养殖池塘环境管理水平， 达到少换水、少用药、保护环境、降低能耗、降低养殖风险及保障水产品质量安 全等目的，具有重要的经济、社会意义。 华南师范人学硕十学位论文 第二章材料与方法 2 1 试验池塘情况 现场试验于2 0 0 9 年8 月2 5 日8