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大型海藻孔石莼在工廠化海水養(yǎng)殖中的生物修復(fù)及其應(yīng)用前景

2012-02-07 03:55呂冬偉李興佐
海洋科學(xué) 2012年12期
關(guān)鍵詞:工廠化氨氮水體

呂冬偉, 劉 峰, 李興佐

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺研究院 海洋學(xué)院, 264670)

海水養(yǎng)殖業(yè)是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)產(chǎn)業(yè)群的重要組成部分。在大力發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的宏觀指導(dǎo)下, 海水養(yǎng)殖業(yè)特別是工廠化海水養(yǎng)殖業(yè)得以快速發(fā)展。近幾年, 除了較早發(fā)展的室內(nèi)鮑魚養(yǎng)殖外, 我國許多海水養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖規(guī)模都有所擴(kuò)大, 如真鯛、牙鲆、美國紅魚、大西洋鮭等。在以低碳養(yǎng)殖(低能耗、低排放、低污染)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的政策指引下, 一種對環(huán)境友好、對生物無害、可高值化利用的養(yǎng)殖模式——?;?生態(tài)型)和陸基(集約型)兩大類型的工廠化養(yǎng)殖模式成為養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的方向。大型藻類由于生長速度快, 海水凈化能力強(qiáng), 用其在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中替代化學(xué)和微生物方法凈化水質(zhì), 維持養(yǎng)殖生態(tài)平衡, 取得了良好的效果。

孔石莼(Ulva pertusa)又名海白萊、海菠菜等, 屬大型海洋經(jīng)濟(jì)藻類, 因其適溫范圍寬, 適鹽范圍廣,在我國各沿海地區(qū)都有豐富的資源??资痪哂猩L快、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于生態(tài)養(yǎng)殖以及養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控的研究。另外, 孔石莼本身營養(yǎng)豐富, 可以發(fā)展成為一種經(jīng)濟(jì)作物, 提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益, 具有良好的綜合開發(fā)和應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)闡述孔石莼在工廠化海水養(yǎng)殖中的生物修復(fù)作用以及應(yīng)用前景。

1 養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)

工廠化養(yǎng)殖池養(yǎng)殖動物種類少, 以目標(biāo)養(yǎng)殖動物為主。養(yǎng)殖廢水中的污染物主要來自于外部投餌殘留和養(yǎng)殖生物的新陳代謝產(chǎn)物。在海水魚類養(yǎng)殖中, 投喂飼料中大約 72%的 N和 70%的 P不被魚利用[1], 這些營養(yǎng)元素均以固態(tài)養(yǎng)殖廢物(糞便和殘餌)和溶解態(tài)養(yǎng)殖廢物(排泄物和分解物)進(jìn)入水體,對養(yǎng)殖水環(huán)境造成一定的污染, 其中氨態(tài)氮的含量最受到重視。

2 養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控

2.1 吸收N、P等營養(yǎng)物質(zhì)

許多大型海藻在生長過程中, 能夠大量吸收海水中溶解態(tài)的N、P生源要素, 可以利用其作為養(yǎng)殖環(huán)境中對 N、P等污染物的有效生物吸收器[2-4]。在多種速生大型海藻中, 孔石莼對營養(yǎng)鹽N、P尤其是氨氮的吸收更勝一籌。如Liu等[5]在比較研究了綠藻Ulva pertusa, 紅藻Gelidium amansii和褐藻Sargassum enerve三種大型海藻對N的吸收時(shí)發(fā)現(xiàn),綠藻孔石莼的生長速度和對氨氮的吸收速率要快于其他兩種藻類。何潔等[6]也對包括孔石莼在內(nèi)的三種大型海藻對N、P的吸收動力學(xué)研究表明, 孔石莼對硝酸態(tài)氮的吸收不占優(yōu)勢, 但是對氨氮和磷酸鹽的去除率優(yōu)于其他兩種藻類。在王萍等[7]的研究中同樣發(fā)現(xiàn)孔石莼對N、P營養(yǎng)鹽的吸收勝于繁枝蜈蚣藻。類似于此的報(bào)道還有很多[8-9]。

孔石莼對氨氮和磷酸鹽高的去除率和去除速率為利用其凈化工廠化養(yǎng)殖廢水中的N、P提供了有力保障。將孔石莼引入養(yǎng)殖池塘, 利用其高效的吸收N、P能力, 可以對池塘中氨氮和磷酸鹽的濃度進(jìn)行原位控制, 防止氨氮對養(yǎng)殖生物的危害以及富營養(yǎng)化水體排放對外部海域的污染。據(jù)王吉橋等[10]報(bào)道,在適宜的光照和水溫條件下, 1 g鮮質(zhì)量的孔石莼日降解氨氮 1.4 mg, 加上水中細(xì)菌的降解作用, 孔石莼可以有效地消除對蝦新陳代謝過程中產(chǎn)生的氨氮。劉建國[11]等應(yīng)用孔石莼吸收大菱鲆養(yǎng)殖廢水中的無機(jī)氮效果顯著, 在不同的換水量和光照條件下,孔石莼都能夠?qū)B(yǎng)殖廢水中的無機(jī)氮濃度降低至達(dá)到國家一級海水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。對于循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖, 將孔石莼引入水處理系統(tǒng), 亦能發(fā)揮調(diào)控水體營養(yǎng)鹽的作用。Wang等[12]將孔石莼應(yīng)用于海參的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng), 養(yǎng)殖水體經(jīng)重力作用進(jìn)入孔石莼生物濾池后再經(jīng)循環(huán)泵流回養(yǎng)參池, 孔石莼能夠吸收海參養(yǎng)殖水體中68%總氨態(tài)氮和26%的正磷酸鹽,有效控制了氨氮和磷酸鹽的濃度。楊鳳等[13-14]將孔石莼應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)鮑水質(zhì)的調(diào)控, 發(fā)現(xiàn)孔石莼能快速地吸收總氨氮, 使水中氨氮維持在 0.3 mg/L的幼鮑安全生長限值以下, 其對氨氮的調(diào)控能力不亞于臭氧, 甚至低于流水養(yǎng)殖中的氨氮含量。經(jīng)孔石莼凈化處理的養(yǎng)殖廢水, 無殘留, 無毒副作用, 有利于為養(yǎng)殖生物提供良好的生存環(huán)境。

2.2 調(diào)節(jié)水體溶氧及pH水平

孔石莼在光合放氧方面作用明顯。郭贛林等[15]研究發(fā)現(xiàn), 不同溫度下孔石莼光合作用產(chǎn)氧速率在20.17~25.32 mg/(g·h), 產(chǎn)氧效果顯著。在孔石莼和對蝦混養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中, 1 g鮮質(zhì)量的孔石莼日提供環(huán)境凈氧氣5.5~12.5 mg, 可以有效地為等質(zhì)量養(yǎng)殖對蝦提供代謝過程中所需的氧氣[10]。日本學(xué)者KITADAI和 KADOWAKI將孔石莼引入魚(Seriola quinqueradiata)的養(yǎng)殖水域, 研究發(fā)現(xiàn)孔石莼的最高產(chǎn)氧速率為6.39 mg/(g·h), 最少0.21 kg鮮孔石莼即可維持一條魚對氧氣的需求[16]。在孔石莼和鮑魚的循環(huán)水混養(yǎng)系統(tǒng)中, 水體的 pH水平始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)且處于較高的水平, 孔石莼明顯改善了幼鮑的養(yǎng)殖水環(huán)境, 降低了換水量[14-15]。在孔石莼與養(yǎng)殖生物混養(yǎng)系統(tǒng)中, 養(yǎng)殖生物通過呼吸作用消耗水中溶氧, 排出CO2, 降低了水環(huán)境的pH值, 而孔石莼通過光合放氧并吸收魚類產(chǎn)生的CO2, 能增加水體的pH值。通過孔石莼對水體中的碳酸體系的調(diào)節(jié), 使得水體pH不會因?yàn)轲B(yǎng)殖生物的代謝作用而發(fā)生較大波動。

同其他水生植物一樣, 夜間石莼要呼吸耗氧。不同溫度下, 孔石莼呼吸耗氧速率在 7.44~8.35 mg/(g·h)[15]。另外, 孔石莼在高營養(yǎng)鹽水體中生長速度快, 控制不好即有可能導(dǎo)致爆發(fā)性生長, 大量藻體如不能及時(shí)清除, 在水體中腐爛降解的過程會消耗大量溶解氧, 重新釋放回水體的降解物質(zhì)還會再次成為污染物質(zhì)。這不僅不能起到修復(fù)水體的作用, 反而加劇了水體的生態(tài)惡化, 更不利于養(yǎng)殖生物的健康生長。因此要使孔石莼與所養(yǎng)水生動物在一個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)處于互利的地位, 達(dá)到最佳的利用狀態(tài),必須深入開展孔石莼和養(yǎng)殖生物的生理與生態(tài)特性及不同條件下的代謝規(guī)律研究, 探索最佳的生態(tài)養(yǎng)殖模式。

3 探索復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖模式

孔石莼在維持健康的復(fù)合養(yǎng)殖系統(tǒng)方面有很重要的作用。養(yǎng)殖動物是排氨生物。水中氨氮濃度增高對養(yǎng)殖生物有強(qiáng)烈毒性, 是高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)最常遭遇的問題。故養(yǎng)殖池水中氨氮濃度必須控制于養(yǎng)殖生物可承受的濃度以下。在孔石莼與魚、蝦類共生的水體中, 通過控制孔石莼的生物量, 可有效地降低水中氨氮的濃度, 維持水體較高的溶氧量和適宜的pH值, 降低魚類發(fā)生窒息和水質(zhì)惡化的危險(xiǎn)性[10,16-18]。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中, 氨氮等水溶性有害物質(zhì)的去除技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。80年代以來, 已有利用浮游植物凈化養(yǎng)殖污水的研究報(bào)道,但因藻水分離困難, 使這種微藻凈水模式在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。大型藻類孔石莼能夠突破該限制。相對于微藻而言, 將孔石莼引入魚蝦等的綜合養(yǎng)殖中, 其數(shù)量和密度可控, 更有利于創(chuàng)造良好而穩(wěn)定的水質(zhì)。孔石莼由于對氮鹽尤其是銨鹽和磷酸鹽具有良好的吸收作用, 在循環(huán)水養(yǎng)殖的水處理中能發(fā)揮良好的水質(zhì)凈化作用。將孔石莼引入工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖, 將工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖和生態(tài)養(yǎng)殖相結(jié)合, 在水處理系統(tǒng)中利用孔石莼去除水體中的氨氮, 輔以必要的殺菌消毒, 實(shí)現(xiàn)海水循環(huán)利用。國外利用此種方式在循環(huán)水水處理系統(tǒng)中修復(fù)水質(zhì)研究較早, 并且已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用[19-20]。宋協(xié)法等[21]也做過相關(guān)研究, 發(fā)現(xiàn)孔石莼對氨氮的去除效果良好, 能夠達(dá)到養(yǎng)殖水質(zhì)要求。

但是孔石莼在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中水處理系統(tǒng)的應(yīng)用還受到多方面條件的限制, 如維持孔石莼的最佳生長狀態(tài)需要一定的光照和鹽度等外部條件, 如若滿足不了, 孔石莼的生長狀態(tài)將會受到較大影響,其對水中營養(yǎng)鹽的去除效果也會受到較大影響, 產(chǎn)生的氧氣量也會顯著減少。另外, 孔石莼本身新陳代謝過程中也會產(chǎn)生部分有機(jī)物質(zhì)釋放到水體中, 控制不好反而會增加水中有機(jī)物的含量, 不利于養(yǎng)殖水質(zhì)的管理。因此需要結(jié)合養(yǎng)殖動物的習(xí)性特征, 在不影響?zhàn)B殖生物的適宜生長環(huán)境下, 為孔石莼的生長創(chuàng)造適宜的生長條件, 達(dá)到改善養(yǎng)殖環(huán)境, 提升生態(tài)效益的目的。這種孔石莼與養(yǎng)殖生物混養(yǎng)系統(tǒng)對日益提倡環(huán)境友好養(yǎng)殖、生態(tài)養(yǎng)殖的可持續(xù)無污染海水綜合養(yǎng)殖具有重要意義。

在我國, 根據(jù)工廠化養(yǎng)殖方式的現(xiàn)狀和特點(diǎn),可探索并實(shí)施適宜的生態(tài)養(yǎng)殖模式。對于?;秃完懟土魉B(yǎng)殖, 孔石莼對養(yǎng)殖廢水中N、P營養(yǎng)鹽的吸收, 可探索養(yǎng)殖動物與孔石莼的原位混養(yǎng)技術(shù)(如養(yǎng)殖密度, 孔石莼投放密度, 孔石莼回收頻率,光照強(qiáng)度等), 降低養(yǎng)殖水體的富營養(yǎng)化程度, 減輕富營養(yǎng)化水體排放對周邊海洋造成的環(huán)境污染, 達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。對于陸基型循環(huán)水養(yǎng)殖, 可以進(jìn)一步探索孔石莼在水處理系統(tǒng)中的水質(zhì)凈化技術(shù),尋求一種新型的實(shí)用性、操作性和可控性強(qiáng)的節(jié)能環(huán)保水處理技術(shù), 解決化學(xué)處理存在的殘留問題和微生物處理出現(xiàn)的活性降低等問題帶來的不便。循環(huán)水養(yǎng)殖對水質(zhì)造成影響的主要是養(yǎng)殖動物的溶解態(tài)代謝產(chǎn)物, 糞便、殘餌等顆粒物, 以及有害微生物??梢詫⒖资坏纳镄迯?fù)功能與經(jīng)典的物理沉降以及紫外線、臭氧消毒技術(shù)結(jié)合應(yīng)用, 改善養(yǎng)殖環(huán)境的水環(huán)境質(zhì)量, 實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。除此之外, 還要進(jìn)一步改進(jìn)投餌技術(shù)、改進(jìn)餌料成分, 使所投餌料更有利于養(yǎng)殖生物的攝食, 減少顆粒留存,提高餌料利用率, 防止或減輕水質(zhì)的敗壞程度。

4 資源化利用前景

將孔石莼引入綜合性水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)管理, 可以起到調(diào)控水質(zhì)的作用, 利于改善養(yǎng)殖環(huán)境, 提升生態(tài)效益。同時(shí), 孔石莼增質(zhì)量明顯, 日均增質(zhì)量3.3%[12]。作為綜合性水產(chǎn)養(yǎng)殖的副產(chǎn)物, 孔石莼具有較高的附加值。可以對孔石莼進(jìn)行資源化利用, 助于增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。作者從以下幾方面闡述其資源化利用前景。

4.1 作為藻類食品原材料

孔石莼含有豐富的粗纖維、碳水化合物及蛋白質(zhì), 并含有少量的脂肪。從已分析出的17種氨基酸中, 有8種為人體必需氨基酸; 孔石莼含有豐富的維生素 VE和 VC, 其含量高于角叉菜[22]??资缓蠯、Na、Ca、Mg、Ni、Zn、Mo、Cu、I、F 等多種微量元素, 這些微量元素對人體的生長發(fā)育、新陳代謝和生理調(diào)節(jié)等方面有著廣泛的作用。不論是提供營養(yǎng)物質(zhì)還是預(yù)防疾病方面, 孔石莼都可作為人類良好的食物來源, 可以充分利用水質(zhì)調(diào)控副產(chǎn)物孔石莼作為原材料, 開發(fā)新的藻類食品。

4.2 作為飼料原材料

孔石莼營養(yǎng)豐富, 將其作為飼料添加劑加入飼料中對畜禽、水生動物無任何毒副作用且可改善畜禽、水生動物等的生產(chǎn)性能。孔石莼作為飼料不僅可以提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì), 促進(jìn)動物的健康, 還可以為人類提供健康安全的畜禽產(chǎn)品。以鮮孔石莼磨碎液作為餌料投喂稚參, 其生長速度和成活率高于鼠尾藻干粉和鮮海帶磨碎液的投喂效果[23]。另外, 孔石莼還是幼鮑的優(yōu)質(zhì)餌料。將水質(zhì)凈化的副產(chǎn)物孔石莼作為飼料資源加以回收利用, 變廢為寶, 既有助于降低生產(chǎn)成本, 又實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì), 一舉多得。

4.3 作為提取凈水制劑原材料

多項(xiàng)研究表明孔石莼體內(nèi)含有抑制赤潮藻繁殖的有效物質(zhì)[24-27], 可以從孔石莼體內(nèi)提取天然除藻劑, 減輕漁藥的施用對養(yǎng)殖生物的毒害和對環(huán)境的污染??资坏姆置谖锬軌蛴行Ы档椭亟饘俚纳镉行訹28-29], 可以進(jìn)一步探索分析有效成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和提取方法, 充分利用水處理系統(tǒng)中產(chǎn)出的孔石莼副產(chǎn)物提取凈水制劑, 為養(yǎng)殖環(huán)境中的重金屬污染治理開辟新徑。

5 結(jié)語

工廠化海水養(yǎng)殖具有密度高、投入高、回報(bào)高的特點(diǎn)。它可以通過人工控制環(huán)境達(dá)到消除病害、減少污染的目的, 還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式無法實(shí)現(xiàn)的高品質(zhì)養(yǎng)殖, 具有廣闊的發(fā)展前景。提高養(yǎng)殖廢水的處理效果和效率, 簡化工藝, 降低成本是養(yǎng)殖廢水處理工藝的發(fā)展方向。大型海藻孔石莼對海水養(yǎng)殖的生態(tài)意義和經(jīng)濟(jì)意義在于它能降低養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽負(fù)荷, 改良水質(zhì), 有利于養(yǎng)殖水體環(huán)境的穩(wěn)定, 提高養(yǎng)殖生物的產(chǎn)量, 同時(shí)獲得資源化產(chǎn)物。隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 以及對養(yǎng)殖生物生理活動研究的深入, 結(jié)合大型藻類生物修復(fù)功能向水處理技術(shù)的引用, 養(yǎng)殖廢水處理工藝必將會有一個(gè)很大的發(fā)展空間, 更好的為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)服務(wù)。

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