（环境工程专业论文）硝化细菌理化性质及应用基础研究.pdf

c l 嬲s i f i e di i l d e x ：x 12 2 u d c ： 川| l i | i 川| i i i i i l | i j 川川i | | | | 舢 y 18 0 2 9 8 3 d i s s e r t a t i o nf o rm em a s t e rd e 黟e ei i le n g i i l e e r i n g s t u d y o nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e i t i e sa n d b a s i c a p p l i c a t i o no f n i t r i f y i n gb a c t e r i a c a n d i d a t e ： s u p e r 、r i s o r ： z h o u m g p r o z h i w e n a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df o r ： m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 够： e n v i r o 衄e n a le n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： d e c e m b e r2 0 0 9 u n i v e r s i 锣： q i n g d a ot e c h l l o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 硝化细菌理化性质及应用基础研究 l ；l 目录 摘要i 第1 章绪论_ l 1 1 课题来源1 1 2 前言1 1 3 水产养殖业的主要污染物2 1 4 氨氮3 1 4 1 氨氮的成因3 1 4 2 氨氮对水产养殖生物的危害5 1 4 3 氨氮的消除途径_ 7 1 5 亚硝酸盐氮8 1 5 1 亚硝酸盐氮的成因8 1 5 2 亚硝酸盐氮对水产养殖生物的危害8 、 1 5 3 亚硝酸盐氮的消除途径1 0 1 6 硝化细菌1 1 1 6 1 硝化细菌种类1 1 1 6 2 硝化细菌作用机理1 4 1 6 3 环境因子对硝化细菌的影响1 5 1 6 4 硝化细菌在水产养殖中的研究与应用现状1 7 1 6 5 硝化细菌在海水观赏鱼饲养中的研究与应用现状1 9 1 7 微生态制剂。2 0 1 7 1 光合细菌2 0 1 7 3 枯草芽孢杆菌。2 1 1 7 4e m 菌。2 2 1 7 5 微生态制剂研究面临的问题2 2 1 7 6 微生态制剂的研发方向2 3 1 8 本课题研究的目的、意义及主要内容2 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 8 1 目的及意义2 3 1 8 2 主要内容2 4 第2 章硝化细菌制剂理化性质研究2 5 2 1 前言2 5 2 2 材料与方法2 5 2 2 1 实验材料2 5 2 2 2 淡水和海水硝化细菌制剂m l s s 、m l v s s 测定。2 6 2 2 3 淡水和海水硝化细菌制剂粒径分布、z e t a 电位测定2 6 2 2 4 淡水和海水硝化细菌制剂t k n 、蛋白质含量测定。2 6 2 3 结果与讨论2 6 2 3 1 淡水和海水硝化细菌制剂m l s s 、m l ，v s s 比较2 6 2 3 2 淡水和海水硝化细菌制剂粒径分布、z e t a 电位2 7 2 3 3 淡水和海水硝化细菌制剂n 、蛋白质含量3 0 2 4 结1 沦3 0 第3 章低温对硝化细菌制剂活性的影响3l 3 1 前言：3 1 3 2 材料与方法31 3 2 1 实验材料31 3 2 2 实验方法31 3 2 3 分析方法3 2 3 3 结果与讨论：3 2 3 4 结论3 7 第4 章硝化细菌对海参养殖系统水质的净化效果3 8 4 1 前言3 8 4 2 材料与方法3 9 4 2 1 实验材料3 9 4 2 2 实验方法3 9 4 2 3 分析方法3 9 4 3 结果与讨论4 0 4 3 1 硝化细菌对水族箱海参养殖系统氨氮影响4 0 i l 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 3 2 硝化细菌对水族箱海参养殖系统亚硝酸盐氮影响4 1 4 3 3 硝化细菌对水族箱海参养殖系统硝酸盐氮影响4 2 4 3 4 投加硝化细菌对养殖系统硝化功能建立的影响4 3 4 3 5 硝化细菌对海参生长情况的影响4 4 4 3 6 讨论4 4 4 4 结论4 5 第5 章硝化细菌对海水水族箱硝化功能建立的影响4 7 5 1 前言4 7 5 2 材料与方法4 7 5 2 1 实验材料4 7 5 2 2 实验方法4 8 5 2 3 分析方法4 8 5 3 结果与讨论。4 8 5 3 1 水族箱中氨氮的变化4 8 5 3 2 水族箱中亚硝酸盐氮的变化4 9 5 3 3 水族箱中硝酸盐氮的变化4 9 5 3 4 讨论5 0 5 4 结论5 2 第6 章结论与建议5 3 6 1 结论5 3 6 2 建议5 3 参考文献一5 4 攻读硕士期间科研成果5 9 致谢i 。6 0 i l l 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 氨和亚硝酸盐是水族箱和养殖系统中的主要污染物。目前，主要采用生物法 去除。在去除过程中，硝化细菌( 氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌) 起着至关重 要的作用，氨氧化细菌可以将氨转化为毒性较小的亚硝酸盐，然后由亚硝酸盐氧 化细菌将亚硝酸盐转化为无毒的硝酸盐。 由于硝化细菌具有严格自养、生长缓慢、对环境因子变化敏感等特性，使其 在与异养菌的竞争中处于劣势，极易被系统淘汰，造成水族箱和养殖系统中硝化 菌群十分贫乏。因此，硝化细菌制剂的研制开发具有十分重要的意义。 本课题对自制海水和淡水硝化细菌制剂的理化性质、海水硝化细菌对海参养 殖系统的水质净化效果以及对海水水族箱硝化功能建立过程的影响等方面进行研 究。通过研究得到如下结论： 1 分别测定淡水和海水硝化细菌制剂的m l s s 、m l v s s 、粒径分布、z e t a 电位、 i in 和蛋白质含量等理化指标，发现二者在理化性质上存在明显差异。 i 2 对低温保存后的硝化细菌制剂活性进行测定，结果表明，经低温保存后， 制剂活性均有一定程度下降，活性下降的程度随着低温保存时间的增长而加强。 与海水制剂相比，低温保存对于淡水制剂活性的抑制作用更强。 3 对海参养殖系统净化效果进行研究，经过5 1 天的实验，投加制剂的实验 组水质明显好于未加制剂的对照组，海参成活率也较高，结果表明，硝化细菌制 剂对于海参养殖系统具有较好的净化效果和较高的安全性。 4 对海水水族箱硝化功能的建立作用进行研究，经过4 3 天的实验，投加制 剂的实验组硝化功能建立时间为1 5 d ，对照组则为4 3 d ，结果表明，加入硝化细菌 制剂可以明显缩短海水水族箱硝化功能建立的时间。 关键词：氨氮；硝化细菌；海参；海水水族箱；硝化功能 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a m m o i l i 如i l i t 血ea r et h em a i nc o n l - 舢i n a t i o n i i l l em a r i n ea q 嘶啪a i l d a q m 吼l l t u r es y s t e m s b i o l o g i c a lm e t h o d sa r em o s t l yu s e di nt l l e r e m o v a lp m c e s s n 埘匆i n gb a c t e r i a ( a m m o i l i a o x i d 娩i r 唱b a c t e r i 钆n i 仃i t e - o x i d 泣i n gb a c t e r i a ) ，w m c hc a l l c o n v e nt l l e 觚皿o i l i at on i t r i t ea 1 1 di l i t r a c e ，p l a yac m c i a lr o l e h o w e v e r ，d u et 0t h ec h 锄c t 鲥s t i c so fl o wg r o w 吐1s p e e d ，s t r i c t l yc h e m i l i t h o n d p l l i c a n ds e n s i t i v et oe i i r o m n e n t 址，t l l es t a b l en i t r i 匆i i 坞s y s t e mn e e dal o n gt i m et ob eb u l i t s om ed e v e l o p m e mo fi l i t r i 黟i n ga g e n t si sm e a i l i n g 觚 i i lt l l i sp 印e r ，n l ep h y s i c a la n dc h e m i c 以p r o p e n i e so fi l i t r i 蜘gb a c t e r i aa g e n t w e r es t u d i e d t h ee 丘e c to ft h ea g e n tt ow a t e rp u r i f i c a t i o nw a sd e t e r m i n e di 1 1 h o l o t h u r i a i lb r e e d i n gs y s t e ma 1 1 dm ee s t 乏l b l i s h n e n to fi l i t r i f i c a t i o n 缸n c t i o n 、a s d e t e m i n e di nm a r i n ea q u a u r i u i n t h er e s u h so ft h ei n v e s t i g a t i o nw e r e 部f 0 1 1 0 w s ： 1 1 1 l em 1 s s ，m 1 v s s ，s i z ed i s t r i b u t i o n ，z e t ap o t e n t i a j ，n na l l dp m t e i l lc o n t e n to f m a r i n ei l i t r o b a c t e r i aa n dl i i 】 1 i l e t i ci l i 仃o b a c t e r i aw e r ed e t e m i n e dr e s p e c t i v e l y 2 t h ea c t i v i 够o fi l i t r o b a c t e r i aa g e ma 缸e rl o w - t e m p e r a _ c u r ep r e s e r v a t i o nw a s d e t e 肌i n e d t h er e s u l t ss h o w e dm a tt l l ea c t i v i 够d e c r e a s e da f t e rl o w t e m p 咖e p r e s e r v a t i o n c o m p a r e dt ot l l e l i i i m e t i ci l i 仃o b a c t e r i aa g e n t ，也ei n l l i b i t i o nt om 撕n e i l i t r o b a c t e r i aw a u sm o r es t r o n g e r 3 n l ee 虢c to f 协ea g e n tt 0w a t e rp 血f i c a t i o nw m c hw a sd e t e 吼i n e di n h o l o t h 面锄b r e e d i n gs y s t e mw 嬲s t l l d i e d t h er e s u l t ss h o 、v e dt 1 1 a tm e咖 p u r i f i c a t i o no fe x p e r i m e n t a l 伊o u p sw h i c hw e r ea d d e db ym ea g e n t w a sb e t t e rt l l a i lt h e c o i i 虹1 0 l 印u p s ，t h es u r v i v a lr a t eo fe ) ( p l e d m e n t a lg r o u p sw a s1 0 w e rt h a l lm ec o n 蜘d l 黟o u p s n l ee x p e r i m e n tl 础d f o r5 1 d 4 t h ee s t a _ b l i s h m e n to fm t r i f i c a t i o nf u n c t i o nw m c hw a sd e t e m i n e di nm a r i n e a q 硼r i 啪w a ss t u m e d t h ec o n s t m c t i o nt i m eo fi l i t r i 母i n g 如n c t i o ni i le x p e r i m e n t a l g r o u pw a sl5 d ，w 蛐em et h e o fc o n 订o lg r o u pw a s4 3 d a d d i n ga g e n tc o u ld o b v i o u s l y s h o n e n 恤t i m ew h c h 也en i t r i 对堍f u n c t i o n 、糯b u l i d 1 1 1 e 占x p e r i m e n tl a s t e df o ： 3 i i 。量坠坠望兰兰堡兰型塑垒二一 k e yw o r d s ：锄m o n i ai l i 仃o g e n ；l l i t r i 矽i n gb a c t 嘶a ；h o l o m u r i a l l ；m a r i n ea q 谢u i l l ； n i t r i f i c a t i o n 矗m c t i o n i l i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本研究为建设部资助项目“应用生态水处理技术净化海水养殖废水研究” ( 0 4 2 0 6 0 ) 的部分内容。 1 2 前言 近年来，随着人们对海产品需求的日益增加，单纯依靠海洋捕捞己远远不能 满足市场需求，因此，海水养殖业得到了前所未有的迅猛发展。然而传统的粗放 型经营、资源依赖型水产养殖方式却无法赶上时代的步伐，由此导致的生态失衡、 环境恶化、资源萎缩等状况已十分严重，给我们敲响了警钟，值得我们高度重视。 在我国，水产养殖业近年也来取得了很大的成就，养殖品种已由一般品种向 名特优品种过渡，大大丰富了人民的餐桌饮食，提升了人民的营养水平。但是我 们的水产养殖仍是以静水、不排污的池塘养殖方式为主，大多为高密度单一品种 养殖。这是传统方式切断了自然生态体系的食物链循环，养殖对象的残剩饲料、 排泄物、死亡残体等大量有机物失去了被其它生物利用的机会。而这些未被利用 的有机物在异养菌的作用下，能够生成氨、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质，氨在 亚硝化细菌或光合细菌作用下转化成亚硝酸盐，亚硝酸盐和胺类物质结合，形成 具有强烈致癌作用的亚硝胺。氨和亚硝酸盐的长期蓄积，会使鱼、虾等的抗病力 降低，易招致各种病原菌的侵袭，这通常被视为鱼、虾的致病根源。因此，如何 去除这些有害物质成为养殖水处理最关注的问题之一l l j 。 硝化细菌叫i t r i 研n gb a c t 嘶a ) 是一大类在自然界氮素循环中十分重要的菌群， 它们能够通过硝化作用把氨盐转化为亚硝酸盐，再进一步把亚硝酸盐转化为硝酸 盐。但是硝化细菌的生长缓慢，在实验室中，纯培养的亚硝酸菌代时为8 1 0 h ， 硝酸菌代时为1 2 2 0 h ，在自然水体中则更要慢得多，单纯依靠海水养殖体系的自 净能力远不能达到养殖废水处理的要求，因此，在养殖过程中，人们常常通过投 加富集培养的硝化细菌等微生态制剂来实现对养殖水体的净化【2 】。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 水产养殖业的主要污染物 为了追求经济利益，养殖户往往采用高密度的养殖方式，但是这种养殖方式 如果放任发展，势必引发养殖水体的生态破坏，导致养殖动物疾病的频频发生， 最终不仅仅得不到相应的经济利益，还会对环境造成不可逆转的破坏。虽然水产 养殖系统排放废物的种类和数量随着养殖系统的形式和养殖动物的种类不同而变 化，但是概括来讲，水产养殖自身污染的类型，主要有以下几种： ( 1 ) 营养物污染 水产养殖大多采用投饲外源性饵料，高密度养殖势必采用过量投饵。大量残 饵、渔用肥料、养殖动物粪便等排泄物和生物残骸等所含的营养物质，如氮、磷 以及悬浮物和耗氧有机物等是主要污染物。同时这些营养物可能成为水体富营养 化的污染源，导致养殖水体自净能力严重下降。此外，海水养殖区大多位于风平 浪静的泻湖或港湾，水体交换条件差，极易产生营养物的积累性污染。 ( 2 ) 药物污染 为了防治养殖水体生态破坏以及养殖动物疾病频发，水产养殖中经常使用杀 菌剂、杀寄生虫剂等防治水产动物疾病；使用杀藻剂、除草剂等控制水生植物生 长：使用杀虫剂、杀螺剂等消除敌害生物，此外还使用麻醉剂、激素、疫苗和消 毒剂等药物来防治疾病。有时甚至人药鱼( 虾) 用，并且用药剂量越来越大，药物 毒性越来越强，加上由于养殖户知识水平低劣引发的不规范用药，不仅对养殖生 态系统造成了极大的危害，而且这些药物残留通过食物链的传递作用最终在人体 中大量积累，对于人民健康是极大的安全隐患。 ( 3 ) 底泥富集污染 养殖区底泥中碳、氮和磷等的含量明显高于周围水体底泥中的含量，而且底 泥中经常有残饵富集，例如对虾的残饵、粪便沉积在池底形成有机污染，深度可 达3 0 - 4 0 c m ，并随池龄增加而增加。老化池塘中，残饵、粪便、死亡动植物尸体 以及药物等有毒化学物质在底泥中富集更为严重。底泥中的微生物参与反硝化和 反硫化反应，产生n h 3 和h 2 s 等物质，恶化水产动物的生存环境。 就集约化养殖水体而言，氨、亚硝酸盐污染已成为制约水产养殖环境的主要 胁迫因子，以下分别对这两种污染物的成因，危害及消除途径进行阐述。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 氨氮 1 4 1 氨氮的存在形式与成因 氨是含氮有机物分解的第一产物，就集约化养殖水体而言，氨污染已成为制 约水产养殖环境的主要胁迫因子【3 】。氨在水中主要是以离子铵洲h 4 + ) 和非离子氨 q m 3 ) 两种形式存在，二者的总和称为总氨氮( 雕州) 。n h 3 易溶于水，在水中生 成分子复合物n h 3 h 2 0 ，并有一部分解离成n h 4 + ，形成如下化学平衡： n h 3 七h pbn h ，h p9n h ：+ o h 一 这个平衡受p h 值与温度的影响。当p h 值和温度升高时，n h 3 的比例增加； 相反，当p h 值和温度降低时，n h 3 的比例降低【4 1 。表1 1 为在不同的p h 和温度 下，n h 3 所占总氨氮的比例情况。 表1 1 不同的p h 值和温度下n h 3 所占总氨氮的比例 1 b 1 - 1t h ep r o p o n i o no f n h 3a td i f r e r e n tp ha n dt e m p e 咖r e 由于n h 3 的比例受p h 值的影响，二氧化碳( c 0 2 ) 是水中p h 的主要影响因素， 因此水体中二氧化碳( c 0 2 ) 的含量也间接影响着水体中n h 3 的含量，它们的关系 呈负相关。此外，相同条件下，海水和淡水中n h 3 所占的比例也有所不同。表1 2 是在温度2 5 、压力1 0 1 3 2 5 k p a 、不同p h 值条件下的淡水和海水中n h 3 占总氨 氮的比例u i a ( ) 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 2 淡水和海水中的u l a ( ) ( 2 5 ，1 0 1 3 2 5 k p a ) t a b 1 - 2u i a ( ) i n 舶s h w a t e ra n ds e a w a t e “2 5 ，101 3 2 5 k p a ) p h 值 6 0 6 5 7 07 58 08 59 0 9 5 淡 o 0 5 7 0 18 0o 5 7 01 7 7 0 5 3 8 0 15 3 0 3 6 0 0 6 4 3 0 u i a水 海 o 0 3 5 o 1 1 0 0 3 5 01 1 1 03 4 0 01 0 1 0 02 6 2 0 05 2 9 0 水 在自然状态下，水体中的氨是由于含氮有机物氧化不完全时腐化分解产生， 或由反硝化细菌还原硝酸盐产生。此外，大部分的含氮代谢产物是以n h 3 的形式 从鱼类鳃部与体腔内排出。g m i l u l l e n 等【5 】总结归纳：由鳃部排出的n h 3 与n + 占到了鱼自身总氮排放量的6 0 9 0 ，通过鳃排出的尿素占溶解性氮排放量的 9 2 7 。而在水箱系统中，微生物分解残饵与粪便等有机物产生的n h 3 只占总含 氮废物的3 4 - 4 2 。以下是氨氮产生的几种具体途径： ( 1 ) 含氮物质的转化 细菌分解作用的初步产物是氨和氨盐，然后被氧化成亚硝酸盐，再进一步氧 化成植物生长所需要的硝酸盐。当水体缺氧时，反硝化细菌可以把硝酸盐还原为 亚硝酸盐，再还原为游离氮气。在交换性较差的水体中，氨浓度较高，并可成为 无机氮的主要形式。 。 但) 水生动物的代谢 甲壳类每天分泌的氨氮量约为1 m g 体重。蚤状幼体每天每克干重可分泌 5 1 岭氨氮。在一般情况下，浮游动物每日每平方米水面可排泄6 7 5 - 3 5 2 m g 的氮 ( 以每平方米水面浮游动物生物量排氮总量7 5 m g 计) 。每当水体中浮游动物大量 繁殖时，浮游植物受到抑制数量极少，总氨量会居高不下，光合作用也受到限制， 溶氧减少，进而造成浮游动物的大量死亡，腐烂分解，导致氨的重复积累。另外 水生浮游植物，特别是一些固氮植物，其代谢产物和衰老藻类细胞的自溶及分解， 使有机氮以n h 3 - n 的形式释放到水体中。 ( 3 ) 残饵等有机物质的转化 养殖水体中由于投放过量的饲料，造成有机物质的积累，生活污水和综合养 殖中畜禽污水及废弃料的引入也是有机物质的主要来源。氮素物质的过剩导致了 水体循环系统中分解环节受抑制，造成硝化反应不完全，从而产生氨、亚硝酸盐、 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 硫化氢、甲烷等有毒产物。 1 4 2 氨氮对水产养殖生物的危害 非离子氨( n h 3 ) 与离子铵( n 吖) 在水中可以相互转化，但它们是性质不同的两 类物质。水合氨州h 3 h 2 0 ) 能通过生物表面渗入体内，渗入的数量决定于水与生物 体液p h 值的差异。任何一边液体的p h 值发生变化时，生物表面两边的未电离 n h 3 的浓度就会发生变化。n h 3 总是从p h 值高的一边渗入到p h 值低的一边。如 n h 3 从组织液中排出这是正常的生理排泄现象，相反，若鱼类等生物长期生活在 含n h 3 量较高的水体中，不利于体内氮废物的排泄，再若n h 3 从水体渗入组织液 内，就会形成血氨中毒。n 】瞰+ 不能渗过生物膜，因此它对生物无明显的毒害。以 前关于氨的毒性，常以总氨氮( n h 3 + n h 4 + ) 的浓度表示，然而在p h 值等水质条 件不同时，即使总氨氮量一样，毒性也可能相差很大。用n h 3 浓度表示毒性，就 更为确切。通常认为，养殖水体中n 时允许的最高浓度为不超过每升5 毫克氮 ( 5 m g n l ) ，而n h 3 允许的最高浓度仅为每升0 1 毫克氮( o 1 m g n l ) 。 ( 1 ) 鱼类 n h 3 h 2 0 通过生物体表渗入体内，能降低其血液的载氧能力，使呼吸机能下 降。n h 3 h 2 0 主要是侵袭粘膜，特别是鱼鳃表皮和肠粘膜，其次是神经系统，使 鱼类等水生动物的肝肾系统遭受破坏，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。n + 带有电荷，不易透过鱼体体表，一般无毒。 正常水体中，n h 3 含量不高，但即使是低浓度的n h 3 ，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【6 1 。据报道，n h 3 对鱼类和无脊椎动物的毒性 是n h 4 + 的5 0 倍【7 】。 研究表明【8 1 ，鳜鱼血清碱性磷酸酶( m ) 活性和n h 3 浓度呈抛物线变化关 系，鲫鱼血清溶菌酶( l s z ) 活性随n h 3 浓度递增而下降。保持鲫鱼a k p 和l s z 活力的n h 3 浓度临界值为0 7 0 m g l ( 7 2 h ) 、0 5 6 m g l ( 9 6 h ) ，而保持鳜鱼妯 活力的n h 3 临界浓度为0 1 4 3 m g l ( 9 6 h ) 。n h 3 对鲢、鳙鱼苗2 4 小时半致死浓 度分别是1 1 0 6 m g l 和o 5 5 9 m g l ，随着鱼体的生长，n h 3 的致死浓度也逐渐增 大。 我国渔业水质标准中规定养殖水体中n h 3 浓度不高于0 0 2 m g ，l ，对鱼类生 长、繁殖等生命活动不会产生影响。当n h 3 浓度介于0 0 2 0 2 m g l 时，仍被认为 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 在鱼类可忍受的安全范围内，一般也不会导致鱼类发病。在肥水鱼塘，n h 3 总量 正常范围被认为是o 0 5 0 1 5 m g l ，超过o 3 m g l 时就构成污染，超过0 5 m g l 时 对鱼类的毒性较大，在高温及高密度条件下极易导致鱼类中毒、发病，甚至大批 死亡。 ( 2 ) 对虾 高浓度氨氮会降低对虾血液的输氧能力，因氧气和废物交换不畅而引发窒息， 甚至死亡。在低浓度情况下也会降低对虾的生长速度和抗病方，引起白斑病等虾 病的暴发。氨氮含量过高还能影响对虾的摄食量，因此应尽量降低氨氮的含量， 控制氨氮浓度在0 5 m g l 以下。 孙国铭等【9 】研究提出，总氨氮和n h 3 对凡纳滨对虾的安全浓度分别为 2 6 6 7 m g l 和0 2 0 1 m g l 。彭自然等【1 0 1 指出，随着氨氮浓度与中毒时间的增加，试 验虾校正死亡率逐渐增高，总氨氮浓度为1 5 9 m g l 与1 2 6 m g l 时，受试虾分别 经7 2 h 与9 6 h 全部死亡。 ( 3 ) 海参 在刺参育苗过程中，尤其是在喂养稚参期投放大量人工饵料，易导致海水中 总氨氮浓度升高，总氨氮浓度和p h 值发生很大变化，从而使未解离的氨氮增加。 氨氮对刺参浮游幼体的影响【1 l 】见表1 3 。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 n h 3 - n 浓度为2 1 8 4 m g l 时，3 d 内幼体全部死亡：浓度为1 2 4 8 m l 时，1 0 d 内幼体全部死亡；浓度为o 2 1 8 o 7 0 0 m g l 时，个体发育很小，且与对照组相比， 存活率较低；浓度为0 0 7 0 1 2 5 m g l 时，第1 0 d 镜检，发现很多幼体出现畸形， 且存活率较低，仅达6 0 左右。由此可粗略推出，n h 3 - n 对刺参耳状幼体的影响 浓度为o 0 7 m g l 。 1 4 3 氨氮的消除途径 ( 1 ) 硝化和反硝化 氨氮被氨氧化细菌氧化成亚硝酸盐氮，再被亚硝酸盐氧化细菌氧化成硝酸盐 氮的过程，被称为硝化作用。硝化作用需要消耗氧气，当水中溶氧浓度低于 1 2 m g l 时硝化作用速度明显降低。在水中溶氧缺乏的情况下，反硝化细菌能将 硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮、羟胺或氮气，当形成的气态氮作为代谢物释放并、 系统中流失的过程，被称为反硝化作用。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 藻类和植物的吸收 因为藻类和水生植物能利用n h 4 + 合成氨基酸，所以藻类对氨氮的吸收是池塘 中氨氮去除的主要方法之一，冬天藻类的减少和死亡会使水中的氨氮含量明显上 升。 ( 3 ) 挥发及底泥吸收 在池塘中高氨氮浓度、高p h 值、采取增氧措施、风浪搅动水流等情况下， 都会有利于氨氮的挥发。底泥土壤中的阴离子可以结合m 瞰+ ，在拉网或发生类似 的引起底部搅动的操作时，池底沉积物会暂时悬浮在水中，n 吖就会被释放出来。 ( 4 ) 矿化及回到生物体内 所谓矿化：即部分氨氮以有机物的形式存在于池底土壤中。这些有机物质被 分解后又回到水中，分解速度依赖于温度、p h 、溶氧以及有机物质的数量和质量。 当水中氨氮浓度高时，n h 3 能通过鳃进入水生生物体内。 1 5 亚硝酸盐氮 1 5 1 亚硝酸盐氮的成因 水体中的氨氮( n h 3 - n ) 不是无限积累和固定不变的，在n h 3 n 不断产生的 同时，也在不断地排除。其主要的排除机制是首先通过亚硝化作用转化为亚硝酸 盐氮( n 0 2 - n ) ，其次，产生的n 0 2 - n 通过硝化作用转化为对动物无害并能被 植物吸收利用的硝酸盐氮( n 0 3 _ - n ) 。其反应如下所示： n h 、锖n o ；bn o ； n 0 2 - - n 是氨氮排除过程的中间产物，对养殖鱼虾也有一定的毒性，其含量过 高会影响鱼虾摄食并易诱发各种鱼虾疾病。n 0 2 。- n 向n 0 3 。- n 的转化过程受水体 溶解氧的影响较大，在溶解氧不足时，n 0 2 n 被还原成n h 3 - n 和氧化亚氮( n 2 0 ) ； 在溶解氧充足时，n 0 2 。- n 才能够在硝化作用下转化为n 0 3 。n 。因此，保持水体 充足的溶解氧有利于n 0 2 。- n 向n 0 3 。n 的转化，有利于养殖水体的净化和水中植 物的生长。 1 5 2 亚硝酸盐氮对水产养殖生物的危害 与n h 3 - n 相比，虽然n 0 2 n 对水生动物的毒性要低得多，但当集约 二养赡 池中n h 3 - n 浓度过高并超过了安全浓度时，生物自身的生理调节不能补偿因高铁 青岛理工大学工学硕士学位论文 o 血红蛋白的含量升高而引起生物体组织缺氧，也可能引起水生动物发生n 0 2 - n 中毒，也可以说，n 0 2 。埘的存在会大大增强n h 3 - n 的毒性。n 0 2 - n 的毒性与水 体一些理化因子关系密切，研究表明，n 0 2 。- n 的毒性随着水的硬度和盐度的升高 而降低【5 1 。由于海水中有极高的硬度和盐度，因此，同样浓度的n 0 2 。n ，在海水 中的毒性远小于在淡水中的毒性。此外，p h 和温度对n 0 2 n 的毒性影响较小。 ( 1 ) 鱼类 亚硝酸盐氮( n 0 2 。- n ) 能与鱼类体内血红素结合成高铁血红素，使鱼体血液 中含二价铁的血红蛋白变成含三价铁的高铁血红蛋白，而高铁血红蛋白不能运载 氧气，使血液携带氧气的机能受到影响，造成组织缺氧，致使体质下降，为病原 的入侵创造了条件。一般而言，当n 0 2 。- n 浓度在安全浓度以下时，鱼类可以通 过自身的生理调节来补偿因高铁血红蛋白升高而引起的载氧能力不足问题，但若 超过安全浓度时，鱼类的生理调节无法补偿缺氧问题，因此造成n 0 2 。- n 中毒。 研究表明，当鳗鱼发生n 0 2 7 - n 中毒时，其症状为鳃丝充血、肿胀、褐色或 暗红色粘液增多、食欲减退、体表无光泽、皮肤粗糙、胸鳍微发红。严重时，池 水呈褐色，泡沫较多，病鳗游动无力，往往于傍晚前聚集于水中央，浮于水面呈 缺氧状。经解剖发现，内脏往往表现为肝、胆囊肿大。魏泰莉【1 2 】等以彭泽鲫为试 验材料，测定n 0 2 。- n 对血红蛋白的毒性影响，结果表明，鲫血液中的高铁血红 蛋白随n 0 2 - n 浓度的增加呈指数递增关系，4 8 h 和9 6 h 毒性影响的临界值分别为 1 8 m g l 和0 8 m g l 。陈瑞明f 1 3 】测定了n 0 2 - n 对1 0 1 2 日龄的鳜鱼苗的毒性，结 果为：n 0 2 - n 对于鳜鱼苗的2 4 h 、4 8 h 、9 6 h 半致死浓度和安全浓度分别为 1 4 1 2 5 1 0 4 、8 4 1 4 1 0 _ 4 、5 0 1 2 l o - 4 、5 0 l 1 0 - 4 。 ( 2 ) 对虾 。 甲壳类动物血液中的血蓝蛋白，其辅基是含铜的化合物，水体中的n 0 2 。n 进入虾类的血淋巴后，促使氧合血蓝蛋白转化为脱氧血蓝蛋白，导致血淋巴对氧 的亲和性降低，从而降低了机体的输氧能力，因此对机体产生毒害作用。n 0 2 n 中毒后，对虾血液的携氧能力减弱，因此，虾体比较容易呈现缺氧症状，长时间 沉在池底后死亡，也就是大家通常所称的“死底症”。尤其在脱壳时，大批虾由于 缺氧而造成脱壳不遂而死亡。n o ：。- n 中毒的对虾外表症状有黑鳃、黄鳃、肝胰脏 模糊不清晰，解剖后通过显微镜观察，发现鳃丝肿胀充水，甚至糜烂粘有污物， 肠道充血发炎，肝胰脏有空泡甚至糜烂。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 投放微生态制剂 向池塘内投放补充微生态制剂，如硝化细菌，能提高n 0 2 - n 转化为n 0 3 - n 的速度，为养殖创造良好的生态环境。 1 6 硝化细菌 在渔业资源和可捕捞资源有限的情况下，人们必然要在水产养殖上寻求渔业 的可持续发展，如提高养殖密度以增加单位水体产量。但是养殖密度的增加，对 养殖系统及排放废水的附近水域都会产生负面影响。由于鱼类排泄物和残饵直接 进入水体，导致水体氨氮浓度升高，这己成为制约鱼类生长、造成水体富营养化 的主要环境因素之一【1 7 1 。氨氮和亚硝酸盐氮是水产养殖的水体中化合态氮的两种 存在形式，对动物均有较大的毒性。因此，能否将氨氮和亚硝酸盐氮控制在较低 水平已成为渔业生产发展成败的关键【1 8 】。长期以来，人们尝试采用加注新水、曝 气、投加漂白粉、臭氧氧化、使用斜发沸石进行离子交换等方法以期达到目的， 但这些方法有很大的局限性，脱氮效果并不理想【1 9 ，2 0 1 。随着研究的深入，生物修 复技术开始慢慢引起人们的关注。生物修复技术是利用自然环境中生息的微生物 或特定的微生物在人为促进工程化条件下，分解污染物从而修复受污染环境的一 种技术。因此，在氮循环水质净化过程中扮演着重要角色的硝化细菌，在水产养 殖中的重要性也开始引起广泛的注意。以下分别对硝化细菌的种类、脱氮机理、 环境因子对其影响以及在水产养殖、海水观赏鱼饲养中的应用现状分别进行介绍。 1 6 1 硝化细菌种类 硝化细菌( f 印抄魄 6 口m ，切) 是一大类在自然界氮素循环中十分重要的菌群， 它们能够通过硝化作用把氨氮转化为亚硝酸盐氮，再进一步把亚硝酸盐氮转化为 硝酸盐氮。硝化细菌是历史上最早发现的表现为化能无机自养型的微生物。在伯 杰氏细菌鉴定手册( b e r g e y sm a i l u a lo f d e t e n i l i n a t i o nb a c t 丽o l o g y ) 第8 版中将硝 化细菌统归于硝化杆菌科7 个属：硝化杆菌属( j 加6 口c 纪r ) 、硝化刺菌属 ( f 加印f ”口) 、硝化球菌属( j 加c c 淞) 、亚硝化单胞菌属( l 订傩d ，z d ，娜t ) 、 亚硝化螺茵属( m 护d 印打) 、亚硝化球菌属( f 眺峪d c o c c 螂) 和亚硝化叶菌属 ( f 护d s o 胁6 姗) ，共1 4 种。在伯杰氏细菌鉴定手册第9 版中收录了除上述_ 属 外还有另外2 属，硝化螺菌属( j 驴d 印f ，口) 和亚硝化弧茵属( f ”梆d 1 ，f 6 尸扔j ， 青岛理工大学工学硕士学位论文 共2 0 种【l 】o 这些微生物广泛分布于土壤、湖泊底泥、海洋底泥等环境中。以下为 相关硝化细菌菌属的形态结构特征表( 见表1 - 4 和表1 - 5 ) 。 表1 4 氨氧化细菌的种属特征 1 铀1 4c h a r a c t e r i s t i c so fa m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i ag e n e r a 表1 5 亚硝酸盐氧化菌种属特征 1 a b 1 5c h 孤a c t e r i s t i c so fn i t r i t e - o x i d i z i n gb a c t e r i ag e n e r a 硝化杆菌属硝化球菌属 硝化刺菌属 硝化螺菌属 特征 州i 打o b t e n心i t r o c o c c 目q 哳挣d s p i n 由 i l r o s p i r a l 所有自养型氨氧化细菌( 也称亚硝酸细菌、亚硝化细菌) 都是革兰氏染色阴 性细菌，自养生长时，以氨为唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混合营养生长时， 可同化有机物质。适合大多数氨氧化细菌的生长条件是：温度2 5 3 0 ，p h 7 二一8 0 氨浓度2 1 0 m m o l l 。 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 亚硝酸盐氧化细菌( 也称硝酸细菌、硝化细菌) 是革兰氏染色阴性细菌。自 养生长时，以亚硝酸盐为唯一能源，以c 0 2 为唯一碳源；混合生长时，可同化有 机物质。适合大多数亚硝酸盐氧化细菌生长的条件为：温度2 5 3 0 ，p h 7 5 8 0