氨氮污染对水产养殖的危害及处理技术研究进展

蔡继晗，沈奇宇，郑向勇，李 凯，吕永林，陈 强

(1.温州市渔业技术推广站，温州市渔业环境监测站，浙江温州 325003；2.温州大学生命与环境科学学院，浙江温州 325035；3.温州市海洋与渔业执法支队，浙江温州 325003)

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，由于工业污染排放、种植业面源污染排放、畜禽业养殖污水排放、水产养殖污水排放、生活污水排放等引起的水体氨氮污染有加重的趋势，不仅会引起水体中藻类及其它微生物大量繁殖，形成富营养化污染，严重时会引起水中溶解氧的大量消耗，导致水生动物大量死亡，造成生态破坏和一定程度的经济损失。水体中存在的氨氮对养殖的水产品具有一定的毒性，影响了水产品的品质，限制了水产养殖的可持续发展，特别是随着高密度工厂化养殖技术的推广，氨氮污染治理的需求日益突出。因此，氨氮污染对水产品的影响以及相应污染的治理对策的研究，成为目前人们研究关注的热点。

1 氨氮污染对水产养殖的危害

氨氮对水生生物的危害主要是指非离子氨的危害，非离子氨进入水生生物体内后，对酶水解反应和膜稳定性产生明显影响，表现出呼吸困难、不摄食、抵抗力下降、惊厥、昏迷等现象，影响水生生物的生理、生化指标与生长状况，严重时可导致养殖生物大批死亡，造成经济损失。氨氮对水生生物的危害机理目前还不是很清楚[1]，一般比较认同的解释是认为高浓度的氨氮会取代生物体内的钾离子，影响神经，引起N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体结合活性明显降低，导致中枢神经系统中流入过量的钙离子并引起细胞死亡[2]。

关于氨氮对水产品毒性危害的研究国内外有大量的文献报道，但大部分集中于氨氮的急性毒性研究，近3年来的国内一些典型的研究报告如下：叶继丹等[3]研究了氨氮对牙鲆Paralichthys olivaceus幼鱼肝中超氧化物歧化酶活性及脂质过氧化物含量的影响，发现牙鲆肝组织中超氧化物歧化酶活性随暴露浓度的增加及时间的延长而升高，表现为明显的诱导效应，而氨氮对牙鲆肝组织中脂质过氧化物含量变化没有明显的影响；方军等[4]研究了氨氮对毛蚶Scapharca subcrenata稚贝生长与存活的影响，发现毛蚶稚贝对氨氮具有较高的耐受性，在24、48、72、96 h的半致死浓度分别为96.33、74.16、43.63、20.36 mg/L，安全浓度为2.04 mg/L，且氨氮浓度越高存活率越低；李建等[5]研究了氨氮对日本对虾Penaeus japonicus幼体的毒性影响，发现氨氮对日本对虾幼体的毒性作用显著，随着浓度的增加，各期幼体的死亡率明显升高，氨氮对日本对虾蚤状幼体、糠虾幼体和仔虾的安全浓度分别为：0.295、0.724、1.072 mg/L；杜浩等[6]研究了总氨氮对中华鲟Acipenser sineusis稚鱼的急性毒性，发现非离子氨对中华鲟稚鱼的24、48、72 h和96 h的LC50及95%可信区间分别为 0.67(0.64 ～1.07)、0.52(0.44 ～0.67)、0.43(0.40 ～0.54)mg/L和 0.39(0.30 ～0.45)mg/L；此外，曲克明等[7]，李波等[8]，王娟等[9]分别研究了不同溶解氧水平条件下，氨氮分别对大菱鲆Scophthalmus maximus、黄颡鱼Pelteobagrus fulvidraco和中国对虾Fenneropenaeus chinensis的急性毒性；胡贤德等[10]，吕富等[11]则分别研究了不同盐度水平条件氨氮对斑节对虾Penaeus monoclon和双齿围沙蚕Perinereis aibuhitensis的毒性；魏天柱等[12]则研究了非离子氨氮对鲤鱼种的毒性；王琨等[13]研究了分子氨对鲤Cyprinus carpio幼鱼血清SOD和MDA的影响，发现分子氨浓度达0.137 mg/L时，SOD活性的下降并趋于稳定，当分子氨浓度达0.411 mg/L时，MDA含量显著上升，试验结果表明，分子氨直接影响鲤幼鱼体内的脂质过氧化水平，且这种氧化损伤的程度与浓度密切相关。

近几年国外关于氨氮对水产养殖的研究报道有：REDDY-LOPATA[14]等研究了氨氮对南非鲍鱼Haliotis midae的急性毒性及其生长的影响，结果发现鲍鱼对氨氮的耐受性随着体重的增加而增强，且长期暴露于亚致死量氨氮浓度下的鲍鱼幼苗其生长率比起未接触氨氮的鲍鱼幼苗减少了约58.7%；WEE等[15]通过将南非的一种鲇鱼Clarias gariepinus暴露于半致死量的氨氮浓度下一段时候后，解剖分析鲇鱼大脑中氨氮和谷氨酸盐的含量，以寻求鲇鱼对氨氮急性中毒致死的机理，研究结果发现，鲇鱼大脑中谷氨酸盐的合成与累积不是鲇鱼氨氮中毒引起的主要死因，主要原因是由于鲇鱼大脑中氨氮浓度的累积所引起；MIRANDA-FILHO[16]等以每24 h换水的方式将一种虾Farfantepenaeus pauleusis在0.016 ～0.287 mg/L氨氮浓度条件下养殖75 d，结果发现氨氮显著抑制了虾的生长，并且使虾体内的油脂含量降低而碳水化合物增加；IP[17]等通过通过解剖分析大脑中的氨氮与谷氨酸盐的含量来研究氨氮对甲鱼的急性毒性及甲鱼的解毒机理，结果发现甲鱼Pelodiscus sinensis对氨氮具有较高的耐受性，氨氮对甲鱼的毒性可能是由于N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体结合活性的降低引起而不是由于谷氨酸盐的累积，甲鱼对氨氮的解毒主要依靠将氨氮排泄出体外得到实现；WICKS等[18]研究了喂食和禁食条件下氨氮对鲑鱼Oncorhynchus mykiss的毒性特点，结果表明，在24 h内，喂食增强了鲑鱼对氨氮的耐受性而禁食加剧了氨氮对鲑鱼的毒性。

2 氨氮污染的现状

氨氮的污染来源除了由于外界工业、农业、生活排污等外界排入养殖水体造成污染之外，人工养殖的过程中由于饲料的投喂和鱼类的排泄等，其本身会对养殖水体造成污染。

目前我国水产养殖业面临的氨氮污染有加重的趋势，根据国家海洋局2008年的环境质量公报提供的数据[19]，我国2008年约88.4%的入海排污口超标排放污染物，其中氨氮是主要的超标污染物之一，而目前设置在渔业资源利用和养护区的排污口占入海排污口总数的40.6%，其中有95.3%超标排放；2008年排入海洋的氨氮总量为17万t，排入渔业资源利用和养护区的约占67.3%；2008年实施监测的排污口邻近海域中，高达73%的排污口邻近海域水质不能满足海洋功能区要求，67%的排污口邻近海域水质为Ⅳ类和劣于Ⅳ类，27%的排污口邻近海域水质为Ⅲ类，近30%的排污口邻近海域沉积物质量不能满足海洋功能区要求，15%的排污口邻近海域沉积物质量为Ⅲ类和劣于Ⅲ类，海域生态环境质量评价结果显示，近40%的排污口邻近海域生态环境质量处于差和极差状态，77亿t污水排入渔业资源利用和养护区，携带了大量营养盐和有毒有害物质，使区内水体富营养化趋势加剧，生物质量降低。

而根据国家环保部2007年的水环境质量公报所提供的数据[20]，我国2007年地表水污染依然严重，其中7大水系总体为中度污染，而氨氮在大部分水系中是主要的污染指标；28个国控重点湖(库)中，Ⅴ类的5个，占17.9%，劣Ⅴ类的11个，占39.3%，主要污染指标为包括氨氮在内的总氮和总磷；2007年，影响全国近岸海域水质的主要污染因子依然是无机氮和活性磷酸盐，个别海域石油类、化学需氧量、溶解氧、pH、铅、铜和非离子氨超标；2007年，我国海洋天然重要渔业水域监测面积为1 609万hm2，结果表明，无机氮、活性磷酸盐、石油类、化学需氧量、汞和铜超标面积占所监测面积的比例分别为74.4%、66.9%、40.4%、17.4%、3.4%和3.2%。

3 氨氮污染治理技术研究进展

氨氮污染水体的处理技术主要有生物法、化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、折点氯化法、湿式氧化法、吹脱及汽提法、电化学法等，目前已经应用于水产养殖氨氮治理中的技术根据报道如下：

3.1 生物处理技术

氮气生物处理技术是指利用微生物(以细菌为主)将水体中的氨氮转化成为亚硝酸盐氮、硝酸盐氮或氮气的一种方法，这是目前在水产养殖氨氮治理中应用最多的一种技术，相关的研究也比较多。

国内关于水产养殖氨氮生物处理技术的研究，较有代表性的一些研究如下：杨绍斌[21]采用厌氧光照富集法，筛选培养了复合光合细菌，将其投放到鱼塘水中，结果表明按2%投放复合光合细菌对鱼塘水净化效果最佳，其中对氨氮的去除率88.89%；侯颖等[22]从养鱼池水中分离筛选到1株高效氨氮降解菌，当氨氮初始质量浓度为50 mg/L时，该菌株在24 h内的氨氮降解率>95%，并具有硝酸还原和亚硝酸还原能力；高海英等[23]则从对虾养殖水体中分离筛选出对氨氮具有较高降解能力的耐盐芽孢杆菌菌株，在模拟淡水和海水条件下，当氨氮初始浓度为20 mg/L时，3 d对氨氮降解率分别达到55.18%和52.00%；吴伟等[24]则研究了应用诺卡氏菌降解养殖水体中氨氮的特性，发现降解菌在30℃，pH 7.2及氨氮初始浓度0 ～30 mg/L范围内保持高活性，最大降解速率达3.5 mg/(L·h)，当底物浓度大于50 mg/L时，平均降解速率线性下降，当接种量(菌悬液/反应液)为20 mL/100 mL时氨氮的降解是高效与经济的；李卓佳等[25]采用以芽孢杆菌属菌株为主导的复合制剂，在养殖斑节对虾的池塘中进行了3个月的试验，结果表明，试验组与对照组相比，氨氮、亚硝酸盐氮、硫化氢降低了5%以上，溶解氧增加了30% ～100%，同时有效地抑制了致病菌如弧菌的滋生，改善了池塘菌群结构，斑节对虾的成活率和产量分别提高了50.3%和87.9%；陈中祥等[26]则了研究对处理低温环境下工厂化养殖水体氨氮的生物滤池中微生物的特性，实验表明经过低温环境的驯化和诱导，在12℃的低温条件下，微生物处理仍然是工厂化养殖水体中氨氮的有效处理手段，实验验证了在冷水鱼工厂化低温养殖中使用生物滤池处理氨氮的可行性；战培荣等[27]研究了利用流化床技术去除养鱼循环水中的氨氮，发现当载鱼量为25±2 kg/m3时，流化床生物滤器进水氨氮浓度为1.3 mg/L，出水中氨氮浓度为0.20 mg/L，鱼类生长正常，氨氮去除率为 80%～95%；李谷等[28]研究了固定化微生物去除养殖水体中的氨氮，通过两种不同方法对养鳖污水的初步降解实验表明，固定化小球对混凝前后养殖污水氨氮的去除率分别为76.5%和80.7%，而悬浮硝化活性污泥为57.6%和70.2%，这一方面说明养殖水体自身的生态环境状况对硝化细菌的影响较大，另一方面说明固定化法对养殖污水氨氮的去除效率稳定而且高。

国外关于水产养殖的氨氮去除技术开展的比较早，如NG等[29]于1996年研究了利用生物流化床技术处理水产养殖废水中的氨氮以用于循环使用，结果表明在进水氨氮水力负荷从0.201 ～0.397 g/(m2·d)的条件下，氨氮的最大去除率可以达到82%，出水氨氮的浓度为0.05 mg/L；DAVIDSON等[30]则研究了以沙子作为载体的流化床去除养殖水体中氨氮的研究，结果发现对氨氮的去除率可以达到86%－88%，出水的氨氮值为0.11±0.04 mg/L；LYSSENKO等[31，32]研究了水力负荷变化的冲击(如鱼苗量的变化、鱼池的冲洗等引起的变化)对生物滤池处理养殖水体中氨氮的性能的影响，结果表明，盐度的增加能降低氨氮的去除率，而温度升高或氨氮浓度的增高有利于氨氮的去除，pH的变化则影响不大；MALONE等[33]则对生物滤池处理水产养殖废水的动力学方面做了相应的研究，并对比了利用线性模型和Monod模型进行拟合的效果，结果表明线性模型更为准确。

除了上述报道之外，利用生物技术处理水产养殖废水中氨氮的报道还有很多，基本是利用直接投加微生物制剂到养殖塘中或者利用生物反应器循环净化养殖水这两种模式，研究已经达到实际工程应用的阶段，但在处理效果、处理成本、推广适用性等方面的研究还有待于深入。

3.2 生态处理技术

所谓氨氮的生态处理技术，是指人工建立自然生态系统，模拟其净化污水的能力，除了利用细菌、放线菌等处理氨氮之外，还引入藻类、植物、动物以及媒体介质等，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解等来实现对污水的净化，常见的有氧化塘、人工湿地、土壤法等，目前该类技术目前已逐渐应用于水产养殖废水的治理中。如TILLEY等[34]利用占地面积为7.7 hm2的人工湿地来处理8.1 hm2高密度对虾养殖塘的出水，处理量为每天13 600 m3废水，研究结果表明，在循环运行期间，该系统能维持养殖水体中较低的总氮和硝酸盐浓度；COSTA-PIERCE等[35]利用人工湿地将三级处理城市污水再理后用于水产养殖，结果表明，出水氨氮浓度小于0.4 mg/L，连续8个月的试验结束后，鱼的生物量从养殖初期的0.16 ～0.21 kg/m3增加到收获期的1.50 ～2.00 kg/m3；LIN等[36]为设计了一套表面流和潜流串联的人工湿地系统处理养殖废水以用于循环利用，运行结果表明，氮的去除在系统建成30 d后即出现明显效果，在连续7个月的运行过程中，氨氮的去除率达到86% ～98%，总无机氮的去除率达到95% ～98%，出水中氨氮浓度小于0.3 mg/L，亚硝酸盐浓度小于0.01 mg/L，完全满足养殖用水的要求；PORRELLO等[37]则对一个处理水产养殖废水的氧化塘出水水质做了2年的监测，结果表明，在监测期间出水中非离子氨的浓度范围为0.16 ～5.06 μM，年平均值为1.12±1.21 μM，表明氧化塘能降低养殖废水中的氨氮，减少排入水体富营养化现象；张根芳等[38]则利用将珍珠蚌与鱼混养来净化水质，发现混养后在网绳、网袋(夹)、泡沫浮子和蚌壳上迅速附着丝状藻类、原生动物、腔肠动物、多孔动物和苔藓动物等多种附着生物，在水体表层20 ～40 cm间形成新的生物群落，同时水体藻类种类、门类增加，呈现一定的多样性趋势，在5-9月富营养的发展期，水体营养盐可以得到消耗，能使N和P含量分别下降67.3%和73.2%，富营养化得到了明显控制，同时还能收获珍珠、蚌肉和贝壳等产品，做到“以水养水”、“以水治水”之目的。

生态处理技术用于养殖水的氨氮净化目前已经得到一些应用，而且越来越引起人们的关注，但目前还应该就生态处理系统的构建模式、物种搭配、机理研究、新型材料开发等方面进一步展开研究。

3.3 湿式氧化技术

湿式氧化是指利用臭氧、双氧水等强氧化剂，在超临界、光催化、投加催化剂等条件下，对水体中的氨氮进行氧化的一种方法。目前湿式氧化用于水产养殖的研究并不多，刘永等[39]利用臭氧发生器和催化反应设备，把加入5 mg/L NaBr的养殖水体与臭氧充分混合，在Br-的催化作用下，使臭氧与氨氮产生氧化反应，产生氮气，达到去除氨氮的目的，实验在一个9.2 m3水体、养殖密度为10 kg/m3的封闭循环式冷水鱼养殖系统中，以虹鳟为实验动物,在192 h的换水周期内，每24 h采水样1次，研究表明，在Br-的催化作用下臭氧可有效氧化降解养殖水体的氨氮，降解效率可达50.11%，比臭氧直接氧化法高24.31%。

3.4 电化学技术

电化学方法是指利用析氯电极在电流的作用下，利用水中存在的氯离子生成的二氧化氯氧化氨氮或直接利用电极氧化氨氮的一种方法。电化学技术用于水产养殖水体中氨氮的处理目前研究并不多见，LIN等[40]研究了电化学技术处理养殖水体中氨氮时电极材料、电导率、电流密度等对去除效果的影响，结果表明电化学技术能够有效去除水体中的氨氮。

3.5 膜分离技术

膜分离技术是指利用膜的选择透过性对水体中的氨氮进行处理的一种技术，该技术用于养殖水的处理研究并不多见，成晓云等[41]研究了膜式氧合器3种不同解吸方式，即O2对流法、真空抽取法和酸吸收法去除水产养殖水体中氨氮的影响因素，结果发现，初始浓度为25 mg/L的溶液经氧合器处理1 h后，用酸吸收时氨氮去除率为17.12%，真空抽吸时为12.32%，而O2吹扫时为2.07%。

4 结论及展望

随着社会的发展和人们生活水平的提高，水体氨氮的污染的问题可能越来越严重，同时人们对水产养殖产品品质的要求也会越来越高，因此，开展水产养殖氨氮污染的危害以及相应治理措施的研究具有非常重要的现实意义。

关于水产养殖氨氮污染的危害研究方面，对比国内外的文献我们可以发现，国内对氨氮对水产养殖危害的研究主要集中在氨氮对水产品的急性毒性研究方面，而对氨氮引起水产品中毒的机理方面和氨氮污染的长期效应方面研究不够深入，国外的最新研究虽然对氨氮对水产品的中毒机理以及长期暴露的生长形态等方面有所深入，但是关于氨氮污染对水产养殖环境的改变、水产品受氨氮污染而导致的亚健康生长对产品品质的影响、氨氮对水产品危害的微观毒理研究等等，目前还有待于深入开展。

关于水产养殖水体氨氮污染的控制技术研究方面，目前已得到应用和研究的热点在于生物处理技术和生态处理技术，虽然微生物处理技术具有见效快、操作方便等优点，但在开放水系，直接投加微生物制剂容易对生态造成影响，而且微生物制剂在开放体系中很容易失效，生物反应器虽然能够有效处理水产养殖水中的氨氮，但处理成本、对不同地区及不同对象的适用性方面还有待于深入，此外，微生物包埋固定化技术作为一种新兴的生物处理技术，能够在一定程度上解决微生物菌种流失与生态风险等问题，在今后可能会成为研究的热点；生态处理技术具有运行成本低、安全、无需添加化学试剂、能获得一定经济价值的产品等优点，同时生态处理技术存在占地面积较大，处理效果受气候变化影响较大等问题，但生态处理技术符合目前水产生态健康养殖的理念，有望在今后得到深入研究和广泛应用，将来有可能的研究方向可能在于处理效果的改进、物种搭配的优化、处理系统内部结构的优化等方面；至于湿式氧化技术、电化学技术、膜分离技术等，具有效果好、占地省、受外界干扰少等优点，但其处理成本较高，操作比较复杂，今后研究的热点可能在于降低费用、提高效果等；此外，利用现有的氨氮处理技术进行组合，形成成套处理技术，用于水产养殖水体氨氮的去除，也是今后可能的研究方向之一。

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