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大薸-微生态制剂协同净化养殖池塘富营养化水体的效果



全 文 :生态与农村环境学报 2015,31 (1) :94 - 99
Journal of Ecology and Rural Environment
大薸 微生态制剂协同净化养殖池塘富营养化水体的效果
李 敏1,段登选2①,许国晶2,杜兴华2,刘 飞2 (1. 上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306;2. 山东省
淡水渔业研究院 / 山东省盐碱地渔业工程技术研究中心,山东 济南 250013)
摘要:为了研究水生植物与微生态制剂构建的强化净化体系对养殖水体的净化效果,通过将水生植物大薸(Pistia
stratiotes)与 5 个不同浓度的复合微生态制剂(1 × 104、3 × 104、5 × 104、7 × 104和 9 × 104 mL -1,微生物数量以 cfu
计)组合,研究大薸和微生态制剂对养殖池塘富营养化水体的协同净化效果。结果表明:水生植物和微生态制剂
协同作用时水质净化效果明显优于水生植物对照组;不同浓度微生态制剂与水生植物对水体中总氮(TN)、总磷
(TP)、化学需氧量(COD)、铵态氮(NH4
+ -N)、亚硝态氮(NO2
- -N)的去除效果不同;微生态制剂与大薸的协同作
用可大幅降低富营养化水体中 TP、NH4
+ -N和 NO2
- -N浓度,控制 TN和 COD浓度的升高。研究表明,水生植物 -
微生物强化系统是一种良好的富营养化养殖水体净化系统,当水生植物覆盖率为 20%时,水体中添加的适宜微生
态制剂浓度为 3 × 104 mL -1。
关键词:水生植物;微生态制剂;富营养化;协同净化
中图分类号:X52;S949 文献标志码:A 文章编号:1673 - 4831(2015)01 - 0094 - 06
DOI:10. 3772 / j. issn. 1673 - 4831. 2015. 01. 014
Effects of Pistia stratiotes-Probiotics Purifying Eutrophied Pond Water. LI Min1,DUAN Deng-xuan2,XU Guo-jing2,
DU Xing-hua2,LIU Fei2(1. College of Fisheries and Life Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;
2. Freshwater Fisheries Research Institute of Shandong Province / Saline-alkali Fishery Engineering Technology Research
Center of Shandong Province,Jinan 250013,China)
Abstract:In order to study synergic effect of hydrophyte (Pistia stratiotes)and compound microbial preparation purifying
water in aquacultural ponds,an experiment,designed to have five treatments different in concentration of microbial prepa-
ration (1 × 104,3 × 104,5 × 104,7 × 104 and 9 × 104 mL -1,number of microorganism was measured by cfu) ,was car-
ried out. Results demonstrate that the water purifying effect of the combination was significantly better than that of CK
(with hydrophyte only) ;and the effect of removing total nitrogen(TN) ,total phosphorus(TP) ,COD,ammonia nitrogen
(NH4
+ -N) ,nitrite nitrogen (NO2
- -N)varied with the concentration of microbial preparation in the combination.
Through synergic actions,the combination could not only significantly decrease TP,NH4
+ -N and NO2
- -N contents in the
eutrophied water,but also suppress increase in TN and COD contents. The findings indicate that the fortified hydrophyte-
microorganisms system is an effective in-situ biological purification system for eutrophied aquiculture water. When hydro-
phytes in a pond reach 20% in coverage,it is proper to add 3 × 104 mL -1 of compound microbial preparation.
Key words:hydrophyte;microbial preparation;eutrophication;synergic purification
收稿日期:2014 - 06 - 12
基金项目:国家海洋公益性行业科研专项(201305005) ;山东省农
业重大应用技术创新课题;山东省农业科技成果转化资金项目
① 通信作者 E-mail:duandengxuan@ 163. com
在水产养殖业发展过程中,养殖水体的水环境
调控成为养殖成功与否的关键,也是养殖生产者越
来越关注的问题。在水质调控中现代生物工程技
术、水处理技术和自动监测控制等高新技术的应用
也越来越广泛。作为一种修复和控制水体富营养
化的比较新的生态技术,生态浮床技术[1 - 2]在水质
调控中被广泛使用。然而,传统人工生物浮床系统
植物生物量和微生物数量的不足以及微生物种类
的缺乏,使其达不到很好的净化效果[3 - 4],因此增加
传统生物浮床中微生物的数量和种类成为强化浮
床系统净化能力的有效方式。研究表明,植物与微
生物或其他生物结合后能更有效地净化富营养化
水体[5 - 8]。微生态制剂是将根据微生态学原理从天
然环境中筛选出来的微生物菌体,经培养、分离、纯
化和繁殖后制成的含有大量有益菌的活菌制剂。
近年来,微生态制剂在水产养殖过程中使用得越来
越多,对微生态制剂的研究[9 - 10]也逐渐增多,但有
关水生植物与微生态制剂结合使用净化水体方面
第 1 期 李 敏等:大薸 -微生态制剂协同净化养殖池塘富营养化水体的效果 ·95·
的研究还较少,此次试验通过一定种植密度的水生
植物与不同浓度微生态制剂组合研究两者协同作
用对富营养化养殖水体的净化效果。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
试验选用的水生植物为大薸(Pistia stratiotes) ,
从济宁市浩洋生态试验基地移植,在试验水体中培
养 3 周后选取生长状况良好且均匀一致的植株用于
试验;微生态制剂:山东济宁九益生物科技有限公
司生产,含光合细菌、硝化细菌、乳酸菌群、放线菌
群和酵母菌群等多种微生物菌群,有益菌活菌(微
生物数量以 cfu计,下同)含量为 3 × 106 mL -1。
1. 2 试验设计
组合浮床由植物浮床和微生态制剂组成。供
试水箱为 PE 材质,水箱长 × 宽 × 高为 70 cm × 50
cm ×45 cm,实际用水体积为 140 L。每个水箱内放
置约 0. 2 kg大薸,植株按水箱覆盖率为 20%布置并
固定在水箱一侧;微生态制剂共设置 5 个浓度梯度,
即第 1 ~ 5 试验组,浓度分别为 1 × 104、3 × 104、5 ×
104、7 × 104 和 9 × 104 mL -1。
试验共分 7 组,每组设置 3 个重复。第 1 ~ 5 试
验组分别由植物浮床和 5 个浓度梯度的微生态制剂
组成;第 6 组为水生植物对照组,仅放有大薸浮床;
第 7 组为空白对照组,不放入水生植物和微生态制
剂。试验期间若阴天或连续阴雨天则每隔 24 h 对
各试验水箱曝气 1 次,且试验过程中不额外加水,以
便符合实际生产养殖条件。7 组均在同一环境下进
行净化试验。试验结束时用纯净水冲洗植物,再用
吸水纸吸干水称取各组植物质量。此次试验时间
为 2013 年 7 月 7 日至 23 日,共计 16 d。
1. 3 试验用水水质
试验在济宁市(山东浩洋生态科技有限公司)
进行,试验用水取自基地养殖池塘,池塘主养草鱼
(Ctenopharyngodon idellus) ,配养鲫鱼(Carassius au-
ratus)、鲢鱼(Hypophthalmichthys molitrix)和鳙鱼
(Aristichthys nobilis)等,设计产量为 15 t·hm -2。经
检测,其水质状况为 ρ(TN)= 3. 3 mg·L -1,ρ(TP)
= 1. 04 mg·L -1,ρ(NH4
+ -N)= 0. 60 mg·L -1,ρ
(NO2
- -N)= 1. 70 mg· L -1,ρ(COD)= 63 mg
·L -1。
1. 4 水质检测项目和方法
于上午 8:00 现场检测水温,采水样时使用 5 L
采水器在靠近水箱底层处采取水样,再用 50 mL 离
心管从中采集 50 mL 水样,对每个水箱采样时操作
相同。采集好的水样立即送至实验室经滤纸过滤,
过滤后在实验室内检测 TN、TP、COD、NH4
+ -N 和
NO2
- -N浓度[11]。主要检测项目及方法[12]如下:
TN浓度测定采用 K2S2O8 氧化紫外消解比色法(GB
11894—89) ,TP 浓度测定采用钼酸铵分光光度法
(GB 11893—89) ,COD测定采用 5B - 3(C)型 COD
快速测定仪(HJ /T 399—2007) ,NH4
+ -N 浓度测定
采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009) ,NO2
- -N
浓度测定采用 N -(1 -萘基)-乙二胺光度法。
去除率计算公式为去除率 =(初始污染物浓度
-第 i天污染物浓度)/初始污染物浓度 × 100%。
1. 5 数据分析
采用 Excel 2003 软件对试验数据进行统计分析
和图表制作,采用 SPSS 16. 0 软件进行 t检验。
2 结果与讨论
2. 1 不同试验组植物生长情况
试验期间水温变幅为 26. 7 ~ 28. 6 ℃。各试验
组植物初始质量均为 0. 20 kg,试验结束时第 1 ~ 5
组和水生植物对照组植物质量分别为 0. 29、0. 30、
0. 24、0. 23、0. 23 和 0. 26 kg。整个试验期间各试验
组植物质量均有所增加,表明大薸可以吸收富营养
化水体中营养物质正常生长。试验初期各水箱中
植物生长均较快,但在后期第 4 和 5 组大薸枯黄、萎
蔫现象明显,而第 1、2 和 3 组植物在整个试验过程
中长势较好。
2. 2 对 TN的去除效果
图 1 显示,试验 4 d 内各组 TN 浓度均有所降
低,从第 6 天开始水生植物对照组 TN 浓度基本稳
定,空白对照组 TN 浓度升高,各试验组 TN 浓度均
在降低。试验第 8 天各试验组 TN 浓度降低幅度很
小,到试验结束时各组 TN 浓度几乎趋于稳定。这
与张明磊等[13]研究的光合细菌对养殖池塘作用周
期为 8 ~ 10 d 及王妹等[14]的研究中复合有益菌对
养殖池塘作用周期为 10 d 左右的结果一致。试验
开始几天内空白对照组 TN 浓度降低可能是水体自
净能力的作用,即水体中浮游动植物及微生物等的
作用。由图 1 可知,试验结束时,与空白对照组相
比,水生植物对照组水体中 TN 浓度明显降低,且加
入水生植物和微生态制剂的试验组 TN 浓度与空白
对照组相比均显著降低(P < 0. 05)。
图 1 显示,试验结束时第 1 ~ 5 组和水生植物对
照组 TN去除率分别为 48. 91%、57. 73%、39. 18%、
27. 08%、16. 49%和 30. 56%,第 2 组对 TN 去除率
高于第 1 组(低浓度微生态制剂组) ,也高于第 3 ~ 5
·96· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 31 卷
组(高浓度微生态制剂组)。第 2 组对 TN的去除率
显著高于水生植物对照组(P < 0. 05) ,同时由前 3
组的 TN去除率可以看出,一定浓度的微生态制剂
与水生植物组合的去除效果强于单一水生植物。
由图 1 可知,水生植物的加入对富营养化水体中 TN
有良好的去除效果,而水生植物与微生物制剂组合
的效果更加明显。分析原因,水生植物直接吸收水
体中氮素用于自身生命活动,而在同时加入微生态
制剂后,由于微生态制剂中大量有益菌特别是硝化
菌和反硝化菌的作用,使得微生物在吸收利用水体
中氮素的同时也能将水体中的有机氮转化为植物
体能吸收的无机氮,因而水体中的氮素因微生物的
作用而被去除的效果明显,但并非微生态制剂浓度
与去除效果呈正比。由图 1 可知,加入高浓度微生
态制剂的试验组去除效果反而不如较低浓度组。
试验中 TN 的最大去除率为 57. 73%,低于张亚娟
等[6]的研究结果。原因可能是微生物,特别是硝化
细菌的转化受环境的影响,因为水生植物吸收累积
的氮仅占系统去除氮的一小部分[15],因而当微生物
环节受到限制时,系统对氮的分解吸收也受到影响。
图 1 试验期间 TN浓度和去除率的变化
Fig. 1 Changes in concentration and removal rate of TN during the experiment
2. 3 对 TP的去除效果
由图 2 可知,在整个试验期间,5 个植物和微生
态制剂组水体中 TP 浓度均有所下降。试验结束时
各试验组对 TP的去除率分别为 80. 88%、87. 12%、
69. 47%、61. 04%和 56. 14%,这 5 组 TP 浓度与试
验初始相比均显著降低(P < 0. 05)。
图 2 试验期间 TP浓度和去除率的变化
Fig. 2 Changes in concentration and removal rate of TP during the experiment
试验过程中,第 2 组对 TP的去除效果强于其他
试验组。水生植物对照组水体中 TP浓度由 2. 25 降
至 0. 41 mg·L -1,对 TP去除率为 81. 78%。试验结
束时,第 1 ~ 2 组 TP 去除率与水生植物对照组差异
不显著(P > 0. 05) ,但与第 3 ~ 5 组差异显著(P <
0. 05)。由图 2 还可知,第 1 ~ 4 组 TP去除率变化一
致,试验 10 d时 TP浓度基本趋于稳定,试验 12 d后
水生植物对照组 TP 浓度降低速率增加,可能是因
为随着试验的进行,水生植物对照组微生物在植物
根系富集,且较其他组明显,在微生物作用下植物
吸收磷的效果增强。空白对照组 TP 浓度在试验过
程中先降低后上升,这是由于水体中微生物和浮游
植物等的吸收作用,而随着试验的进行,水体中磷
的释放量超过微生物吸收量,因而之后水体中 TP
浓度较试验初始有所增加。以上分析表明,试验结束
时水生植物对照组 TP浓度极显著低于空白对照组(P
<0. 01),第 2组 TP浓度降低,明显低于水生植物对照
组,水生植物的吸收作用以及沉降作用使得水体中 TP
第 1 期 李 敏等:大薸 -微生态制剂协同净化养殖池塘富营养化水体的效果 ·97·
浓度降低,而第 2 组除水生植物作用外,微生物的固
定、吸收作用更增强了磷的去除效果。
2. 4 对 COD的去除效果
图 3 显示,第 1 ~ 5 试验组 COD 浓度随着试验
的进行呈降低趋势,至试验结束时趋于稳定,其中
第 2 组在试验初始降低程度较其他组明显。试验
12 d时各组水体中 COD浓度基本降至最低,这一变
化情况与王妹等[14]的复合有益菌池塘应用效果研
究中优化复合菌试验周期约为 10 d 时的 COD 变化
情况一致。由图 3 可知,试验结束时第 1 ~ 5 试验组
COD浓度均有所下降,水生植物对照组 COD 浓度
由 69 降至 51 mg·L -1。图 3 显示,试验结束时第
1 ~ 5 组对 COD的去除率依次为 42. 86%、56. 34%、
38. 36%、25. 35%和 13. 89%,第 1 ~ 3 组对 COD 的
去除率均显著高于水生植物对照组(31. 88%,P <
0. 05)。由上述结果可知,水生植物的加入使得水
体中 COD浓度明显降低,当同时加入一定浓度的微
生态制剂时,COD 的去除效果更加明显,试验选用
的水生植物大薸因其根系发达对有机颗粒具有较
强的截留吸附作用,加上微生物的作用特别是对溶
解性有机物的生物降解[16],使得两者协同作用时对
COD的去除效果明显,这一结果与魏瑞霞等[7]的研
究结果一致。
图 3 试验期间 COD浓度和去除率的变化
Fig. 3 Changes in concentration and removal rate of COD during the experiment
2. 5 对 NH4
+ -N和 NO2
- -N的去除效果
试验初始和结束时各试验组水体中 NH4
+ -N和
NO2
- -N浓度和去除率的变化见图 4 ~ 5。
图 4 试验期间 NH4
+ -N浓度和去除率的变化
Fig. 4 Changes in concentration and removal rate of NH4
+ -N during the experiment
试验结束时各试验组 NH4
+ -N浓度和 NO2
- -N浓
度与试验初始相比均显著降低,水生植物对照组
NH4
+ -N浓度由 0. 98 降至 0. 64 mg·L -1,试验组和水
生植物对照组 NH4
+ -N浓度较试验初始均显著降低(P
<0. 05)。由图 4可知,试验结束时各试验组对 NH4
+ -
N的去除率依次为 88. 24%、90. 59%、63. 73%、44. 64%
和 29. 79%,第 2组对 NH4
+ -N的去除率显著高于水生
植物对照组(34. 69%,P <0. 05)。
由图 5 可知,试验过程中第 1 ~ 5 试验组 NO2
- -
N浓度均有所下降。各试验组对 NO2
- -N的最大去
除率分别为 81. 54%、91. 67%、75. 00%、67. 65%和
55. 71%,水生植物对照组 NO2
- -N 浓度由 0. 75 降
至 0. 33 mg· L -1,对 NO2
- -N 的最大去除率为
56. 00%。第 2 组对 NO2
- -N的去除率显著高于第 3
~ 5 试验组和水生植物对照组(P < 0. 05)。
·98· 生 态 与 农 村 环 境 学 报 第 31 卷
图 5 试验期间 NO2
- -N浓度和去除率的变化
Fig. 5 Changes in concentration and removal rate of NO2
- -N during the experiment
在试验中试验组 NH4
+ -N 浓度先增加后降低,
NH4
+ -N浓度出现先增加的原因可能由于试验组中
植物刚移入新的水体,植物根系供氧能力不足,同
时水体中微生物及原生动物等进行呼吸作用也会
消耗水体中溶解氧,而水体中溶解氧的降低则抑制
了 NH4
+ -N向硝态氮转化,因此 NH4
+ -N 累积浓度
升高。随着试验的进行,试验组水体中 NH4
+ -N 浓
度降低是由于植物根系的供氧增加了系统溶解氧,
微生物的硝化和反硝化作用加强,使 NH4
+ -N 浓度
降低。同时,空白对照组因无植物体系供氧,加上
水体中微生物、原生动物等生命活动的消耗使得水
体中溶解氧持续减少,从而导致 NH4
+ -N 浓度持续
增加。试验结束时试验组对 NH4
+ -N 和 NO2
- -N 的
最大去除率分别为 90. 59%和 91. 67%,均明显高于
水生植物对照组,这一结果与王高学等[17]、吴伟
等[18]的研究结果一致。由以上结果可知,试验中水
生植物的加入能有效降低富营养化水体中 NH4
+ -N
和 NO2
- -N浓度,微生态制剂的加入使得水生植物
与微生物协同作用,致使净化效果更加明显。
试验中水生植物对照组对试验水体 TN、TP、
COD、NH4
+ -N 和 NO2
- -N 去除率分别为 30. 56%、
81. 78%、31. 88%、34. 69% 和 56. 00%。而牟希东
等[19]研究得到水浮莲对水产养殖排放水体中 TN、
TP、COD、NH4
+ -N 和 NO2
- -N 的最大去除率分别为
5. 80%、51. 5%、25. 9%、42. 4%和 47. 5%。可能原
因是试验用水 TN、TP、COD、NH4
+ -N 和 NO2
- -N 初
始浓度较高,且此次试验期间是少雨季节,环境条
件更适宜水生植物生长,使其对水体的净化效果
更好。
3 结论
(1)单纯水生植物浮床对较高产量的水产养殖
池塘富营养化养殖水体有良好的净化作用,水生植
物和微生态制剂协同作用的净化效果强于单纯水
生植物浮床,即两者协同作用能更好地降低水中富
营养化因子浓度。在养殖池塘中应用水生植物浮
床和微生态制剂协同净化水质调控模式,能更好地
改善和调控水质,提高水体利用率,降低生产成本。
(2)当水生植物覆盖率为 20%时,添加不同浓
度微生态制剂对富营养化养殖水体中 TN、TP、COD、
NH4
+ -N和 NO2
- -N的去除效果不同,添加浓度为 3
×104 mL -1微生态制剂所组成的水生植物 -微生物
体系对富营养水体的净化效果较好。
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作者简介:李敏(1987—) ,女,安徽阜阳人,硕士生,主要从
事生态渔业方面的研究。E-mail:liminf90@ 163. com
(责任编辑:李祥敏)
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甘居利 高 超 高俊峰 高士祥 高彦征 耿雷华 龚道新 谷孝鸿 顾向阳 管东生 郭晋平 郭守玉 郭水良
韩博平 韩晓增 郝明德 郝庆菊 何丙辉 何红波 何江涛 何品晶 胡 聃 胡海波 胡红青 胡克林 胡维平
胡正义 花修艺 华兆哲 黄家柱 黄沈发 黄 艺 黄占斌 姜广顺 蒋建国 金菊良 孔垂华 孔德洋 赖子尼
雷 梅 黎华寿 李保国 李芳柏 李锋民 李国学 李恒鹏 李辉信 李家乐 李建宏 李建华 李建龙 李剑超
李京华 李九玉 李恋卿 李取生 李如忠 李 伟 李先琨 李先宁 李秀彬 李学良 李艳霞 李阳兵 李一平
李玉娥 李 元 李振高 李 周 连 宾 廖柏寒 林启美 林文雄 刘 峰 刘 刚 刘红玉 刘建立 刘景双
刘可星 刘黎明 刘 敏 刘其根 刘庆生 刘树庆 刘西平 刘新会 刘云国 刘云慧 刘 芸 刘增文 刘征涛
刘忠翰 刘 庄 卢宝荣 鲁春霞 陆宏芳 陆贻通 吕家珑 吕锡武 吕一河 栾天罡 罗 鹏 马克平 马 琨
马 鸣 马陶武 闵 航 闵庆文 缪启龙 倪余文 欧维新 潘剑君 潘开文 彭绪亚 濮励杰 钱 谊 钦 佩
秦伯强 邱江平 任 海 任洪强 任志远 汝少国 沈 标 沈国清 沈建忠 沈润平 沈新强 沈有信 施汉昌
施积炎 施卫明 石利利 司友斌 宋 静 宋新章 宋志文 孙 成 孙红英 覃志豪 汤 锋 唐森铭 滕 应
图力古尔 汪群慧 王备新 王朝晖 王传胜 王国庆 王国祥 王家骥 王建国 王建武 王健民 王敬国 王凯荣
王丽卿 王连军 王让会 王圣瑞 王 涛 王体健 王小治 王晓燕 王学军 王 岩 王 燕 王毅勇 王玉秋
王正银 王子健 王遵尧 卫 伟 魏树和 吴东辉 吴丰昌 吴宏海 吴加伦 吴 伟 吴伟祥 吴银宝 武淑霞
席北斗 席运官 肖培青 谢高地 谢 旻 谢小立 熊邦喜 熊正琴 徐明岗 徐仁扣 徐绍辉 徐晓斌 徐亚同
徐阳春 许木启 许宜平 薛达元 严 雪 阎百兴 颜长珍 颜晓元 杨 坤 杨林章 杨柳燕 杨 山 杨 扬
叶 春 依艳丽 殷浩文 尹大强 由文辉 于法稳 余树全 於丙军 俞 慎 俞元春 虞云龙 袁旭音 曾希柏
占新华 张安录 张德强 张风娟 张继权 张金屯 张俊飚 张庆费 张全发 张仁健 张卫建 张无敌 张小林
张毅敏 张饮江 张运林 张增强 张增祥 张振华 章明奎 赵福庚 赵哈林 赵华清 赵 平 赵世杰 郑文钦
郑元润 郑 正 周建斌 周军英 周 琪 周 青 周生路 周曙东 周卫军 周泽江 朱安宁 朱 波 朱端卫
朱广伟 朱文泉 宗良纲 邹发生 邹红菲
本刊编辑部
2015 年 1 月 18 日