海水养殖尾水人工湿地处理系统及其脱氮过程研究进展和展望

利用人工湿地处理海水养殖尾水具有很大的应用前景,其中,脱氮是人工湿地的主要任务之一。基质上栽培的植物和附着的微生物参与的氮循环是人工湿地生物脱氮的主要路径,植物和多种氮代谢菌群在人工湿地内部相互协同与制约,构成了一个复杂的氮代谢网络。海水养殖尾水的高盐度和低碳氮比(C/N)又决定了此类人工湿地独特的处理环境和生物脱氮机制。同时,人工湿地的供氧模式、水力负荷(HRT)、水力停留时间(HLR)等水力条件参数对脱氮效能也有很大影响,对这些指标进行调控和优化,可以提高湿地的整体脱氮性能。本文从海水人工湿地的构建、基质的选取、耐盐植物的筛选、氮循环相关微生物以及运行参数调控四个方面,对近年来海水养殖尾水人工湿地生物脱氮方面的研究进展进行了综述和展望,以期为深入理解海水人工湿地脱氮机制和优化运行方式提供参考。     

海水人工湿地氮降解动力学模拟及其影响因素分析

为研究复合垂直流人工湿地系统净化海水养殖尾水过程中氮的降解规律,利用一级动力学模型,模拟了总溶解性氮(TDN)、溶解性有机氮(DON)和3种溶解性无机氮(DIN)在人工湿地系统中的降解特征,并通过变形梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了氮降解与系统中微生物的群落结构和组成的关系。结果显示:海水养殖尾水中各形态氮的降解均符合一级动力学特征(R~2≥0.70),去除速率依次为DINTDNDON,去除速率常数分别为0.10 h~(-1),0.09 h~(-1)和0.03 h~(-1);DIN各组分中,去除速率依次为NH~+_4-NNO~-_2-NNO~-_3-N,去除速率常数分别为0.15 h~(-1),0.11 h~(-1)和0.09 h~(-1)。基质层以及植物根部与脱氮相关的细菌组成丰富,说明在氮去除过程中微生物发挥着至关重要的作用。其中,主要的优势菌门为变形菌门(34.46%)、蓝细菌门(12.78%)、放线菌门(10.55%)、绿弯菌门(10.46%)和拟杆菌门(7.78%)。研究结果可为揭示海水人工湿地的除氮机理提供参考。     

工厂化养殖大菱鲆饵料贡献率研究及营养评价

应用稳定同位素技术检测了在辽宁省兴城市龙运井盐水工厂化养殖的体质量(168.10±12.52)g和(553.40±43.16)g的1、2龄大菱鲆肝脏、肌肉、鳃和几种投喂冰鲜鱼和配合饲料中的碳、氮稳定同位素比值,采用IsoSource线性混合模型分析了鱼饵料的贡献率;还检测了大菱鲆肌肉组织氨基酸含量,用氨基酸评分和化学评分评价了营养价值。研究结果显示,1龄和2龄大菱鲆饵料的δ~(15) N值分别为9.34‰~12.00‰和9.56‰~12.00‰;δ~(13) C值为-21.34‰~-20.37‰和-21.27‰~-19.83‰。1龄和2龄鱼各组织的δ~(15) N值和δ~(13) C值依次为:肌肉鳃肝脏。3种饵料对1龄鱼的贡献率依次为:玉筋鱼(42.4%)方氏云鳚(40.5%)配合饲料(17.1%);4种饵料对2龄鱼的贡献率依次为:鳀鱼(41.0%)玉筋鱼(30.6%)方氏云鳚(17.5%)配合饲料(10.9%)。氨基酸营养价值评定结果表明,2龄鱼的蛋白营养价值高于1龄鱼。上述研究结果可为工厂化养殖大菱鲆不同生长阶段的饵料投喂策略提供参考。     

基于稳定同位素的草鱼推水养殖系统食物网的研究

推水养殖系统是集循环养殖、高效集污、生物净化及自动控制等技术为一体的生产方式。但该系统营养物质归趋尚未明晰,造成饵料资源浪费和养殖调控失策。该研究以草鱼(Ctenopharyngodon idellus)推水养殖系统为实验组,以普通池塘养殖系统为对照组,利用稳定同位素[碳(δ13C)、氮(δ15N)]技术研究两种养殖系统生物食物组成和系统食物网结构。结果表明,草鱼推水养殖系统各生物组分δ13C介于(-25.76±0.23)‰^-22.26±0.20‰,普通池塘系统δ13C介于(-25.83±0.24)‰^-22.38±0.15‰;推水养殖系统各生物组分δ15N介于(6.73±0.08)‰^12.34±0.11‰,普通池塘系统δ15N介于(6.73±0.08)‰^12.14±0.11‰。稳定同位素混合模型分析结果显示,两组系统中草鱼饲料和底泥碎屑是消费者的主要食物来源。其中,草鱼的主要食物来源是草鱼饲料,鳙(Aristichthys nobilis)的主要食物来源是草鱼饲料、大型浮游动物,鲫(Carassius auratus)的主要食物来源是底泥碎屑,底泥碎屑的主要来源是草鱼饲料。推水养殖系统草鱼饲料对草鱼的食物组成贡献率高于普通池塘系统。因此,采用推水养殖模式,可促进养殖生物对饲料的摄食,提高饲料利用效率。     

海水人工湿地脱氮效果与系统内基质酶、微生物分析

利用人工湿地系统探讨了海水养殖外排水中不同形态氮的去除效果,分析了系统内部微生物空间分布、基质酶活性对氮去除效率的影响,深入研究了系统内部各微生物间相互作用、基质酶活性与微生物空间分布关系。选择互花米草为人工湿地植物,种植密度为64株/m2;基质填料选择细纱、高炉矿渣和珊瑚石。在3种不同工况条件下,研究人工湿地系统中氮的去除效果、微生物数量和基质酶活性。结果显示,系统对 TN、NH4-N 平均去除率分别为(25.02±12.69)%、(82.91±17.51)%;系统中不同基质层次的微生物数量和脲酶、脱氢酶活性不同,基质中、上层好氧微生物数量和脲酶、脱氢酶活性显著大于下层,系统下行池中、上层硝化细菌、亚硝化细菌显著高于下层,中、上层反硝化细菌数量明显低于下层;细菌总数与 TN(R2=0.50)和 NH4-N(R2=0.61)去除率存在一定正相关性,基质脲酶与 TN 去除率存在显著正相关性(R2=0.86)。研究结果将有助于理解海水人工湿地处理系统中氮的迁移转化机制。     

稳定同位素技术分析不同养殖方式下鳙饵料的贡献率

应用碳氮稳定同位素技术分析了不同养殖方式(A组:施肥;B组:施肥+1/2投饲;C组:施肥+投饲;D组:投饲)围隔中鳙(Aristichthys nobilis)肌肉碳氮稳定同位素变化情况,及其可能摄食饵料的贡献率。结果表明,A组鳙肌肉的δ13C和δ15N值分别为(–23.8±0.1)‰和(10.8±0.4)‰,显著高于B组、C组和D组的值(P0.05),后三者之间值没有显著差异。围隔中的食物源有浮游动物、颗粒有机物和饲料,它们的δ13C和δ15N值均低于消费者鳙的同位素值。3种食物在不同养殖方式下的贡献率不同,浮游动物是A组鳙的主要食物来源,平均贡献率为(65.6±3.2)%,饲料是另3个组鳙的主要食物来源,其中B组饲料的贡献率相对较大,达82.1%。说明投饲鳙后,鳙对饲料能够较好地吸收利用,但在池塘中同时培育天然饵料能有效提高饲料的贡献率,减少投饲量,降低残饵的污染。本研究旨为实践养殖中合理投饲鳙的管理技术提供理论依据。     

基于稳定性同位素技术分析池塘养殖中华绒螯蟹成蟹各种食物的贡献率

为确定池塘养殖中华绒螯蟹成蟹的食物来源及贡献比例,采用稳定性同位素技术,分析了池塘养殖的中华绒螯蟹成蟹肌肉、硬颗粒饲料、软颗粒饲料和池塘常见天然饵料中的碳、氮稳定性同位素特征。结果显示,中华绒螯蟹肌肉中的碳稳定性同位素(δ¹³C)为(-19.86±0.03)‰,氮稳定性同位素(δ¹⁵N)为(7.47±0.03)‰。配合饲料和池塘中天然饵料的δ¹³C值分布范围为-27.04‰～-22.87‰,δ¹⁵N值分布范围为1.46‰～7.20‰。通过食源贡献率分析,在养殖池塘中,中华绒螯蟹的第一食物来源为配合饲料,其中硬颗粒饲料占18.68%,软颗粒饲料占16.81%,其余饵料的贡献率由大到小依次为底栖生物、浮游动物、浮萍、本底中华绒螯蟹、沉积物、伊乐藻和浮游植物,贡献率分别为16.37%、12.72%、8.29%、7.91%、7.90%、5.79%和5.53%。综上,在养殖池塘中,硬颗粒饲料和软颗粒饲料为中华绒螯蟹成蟹的主要食物,两者约占总食物贡献的35.49%,底栖生物、浮游动物和水生植物等天然饵料的食物贡...     

基于稳定同位素的口虾蛄食性分析

为了探讨口虾蛄的食物组成,利用稳定同位素方法对2015年5月在汕尾红海湾海域采集的口虾蛄及其饵料生物的碳、氮稳定同位素比值(δ~(13)C和δ~(15)N值)进行分析,定量研究不同饵料生物在口虾蛄食物中的贡献比率。结果表明,口虾蛄的δ~(13)C值为–18.1‰~–16.3‰,δ~(15)N值为10.9‰~13.5‰,平均值分别为–17.1‰±0.5‰和12.7‰±0.7‰。δ~(13)C和δ~(15)N值的变化范围均较大,表明口虾蛄的食物来源较多。口虾蛄的食物主要由鱼类、虾类、贝类、蟹类和桡足类组成。其中,贝类为口虾蛄的主要食物,平均贡献率为38.6%;其次为蟹类和桡足类,平均贡献率分别为22.9%和16.0%;虾类的平均贡献率为13.6%;鱼类的平均贡献率最低,仅为8.9%。根据δ~(15)N值及营养级的计算公式得出,口虾蛄的营养级为3.01±0.22,在其5类食物中,桡足类的营养级最低,仅为1.77±0.12;其次为贝类;蟹类和虾类的营养级分别为2.78±0.21和2.89±0.16;鱼类的最高,为2.98±0.15;它们的营养级均低于口虾蛄。此外相关分析显示,口虾蛄的δ~(15)N值与其个体体质量间存在极显著的正相关关系,说明不同大小的口虾蛄营养级有所差异。     

中华鲎的食物组成及营养位置分析

通过对北部湾海域采集的中华鲎(Tachypleus tridentatus)样品及其食物网链中具有食源可能性的种类(虾类、蟹类、双壳类和鱼类)进行碳、氮稳定同位素(δ~(13)C、δ~(15)N)比值测定,采用稳定同位素混合模型(SIAR)分析北部湾中华鲎食物组成及其营养位置。结果显示,中华鲎δ~(13)C均值为(-17.11±0.03)‰,δ~(15)N均值为(12.14±0.20)‰。SIAR模型显示双壳类为中华鲎的主要食物来源,其平均贡献率为31.27%;其次为鱼类,平均贡献率为25.91%;蟹类平均贡献率占比为23.50%;虾类平均贡献率占比最低(19.32%)。营养位置分析显示中华鲎营养位置为2.02±0.06。该研究涉及的中华鲎潜在食源样本中,鱼类、虾类和蟹类的营养位置分别为2.13±0.51、2.36±0.09和2.61±0.21。营养位置分析表明中华鲎在自然生态系统食物网中处于较为弱势的地位,在已然濒危的情况下迫切需要科学的保护措施。     

不同水力负荷下人工湿地对海水养殖尾水污染物的净化特征

海水养殖尾水的达标排放是海水养殖产业面临的主要问题之一,人工湿地作为一种生态、综合水处理技术,可有效去除养殖尾水中的氮、磷等污染物,获得适宜的水力负荷条件是该技术推广和应用的前提。构建一套复合垂直流人工湿地处理系统,研究3种水力负荷条件(V1=0.50、V2=0.19、V3=0.10 m/d)对牙鲆(Paralichthys olivaceus)养殖尾水的处理效果的影响。结果显示,3种水力负荷状态下,该系统对于海水养殖尾水中主要污染物的处理效果差异显著。进水中的化学需氧量(COD)浓度相对较低时,去除率均较低(最高去除率为36.25%),水力负荷状态对COD的去除率影响不明显。水力负荷为0.50 m/d时,总氮(TN)的去除率为49.50%;在0.10 m/d时,TN去除率达到85.90%。活性磷酸盐(PO43–-P)的去除率受到水力负荷的影响较小,最低去除率为77.44%。水力负荷状态会影响系统内氮、磷的浓度变化：在不同水力负荷下,下行池中氮污染物去除率在80%以上;上行池则会在高水力负荷状态下产生硝酸盐氮(NO3–-N)或亚硝酸盐氮(NO2–-N)的累积,影响出水水质。PO43–-P的吸附转化主要发生在下行池的中上层,水力负荷越大,PO43–-P的吸附转化就越靠近系统后程。