深井循环加压对养殖塘蓝藻控制及机制研究*

周 越 丛海兵，# 鄢 琪 任 翱 徐 湖 徐亚军

(1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.苏州九久福环保科技有限公司，江苏 苏州 215316)

深井循环加压对养殖塘蓝藻控制及机制研究*

周 越1丛海兵1，2#鄢 琪1任 翱1徐 湖2徐亚军2

(1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225009；2.苏州九久福环保科技有限公司，江苏 苏州 215316)

为控制养殖业中蓝藻泛滥现象，通过生产性实验研究深井循环加压对罗氏沼虾养殖塘的处理效果。结果表明：深井循环使藻类叶绿素a平均质量浓度降低60.5%，藻细胞总量降低77.8%；养殖塘水深1.60～2.00m，处理塘在水深≤1.00m时藻类净生长，>1.00m则净衰亡；深井循环加压法只能控制微囊藻(Microcystissp.)生长。该法控制蓝藻繁殖的机制是，蓝藻细胞内的气囊在深井底部受到水压作用而破裂，失去气囊浮力的蓝藻回到养殖塘后不能悬浮于水面生长，而是下沉到水底，从而减少了藻细胞总量，有效降低繁殖基数。

罗氏沼虾养殖塘 深井循环加压 蓝藻

江苏省高邮市拥有全国最大罗氏沼虾养殖塘。每年罗氏沼虾养殖旺季，过量饲料及虾排泄物给蓝藻的快速生长繁殖提供了充足营养，蓝藻迅速成为养殖塘的优势藻种，由于蓝藻细胞内存在可以提供浮力的气囊[1-2]，在水面大量繁殖形成数厘米厚的蓝藻浆[3]，太阳暴晒后腐烂发臭，消耗水体溶解氧，释放藻毒素[4-6]，严重影响罗氏沼虾养殖，威胁食品安全。

目前，养殖塘控藻法有化学杀藻和生物制剂抑藻。化学杀藻剂如硫酸铜、次氯酸钠、二氧化氯等，投药同时需采用延长增氧机工作时间、加强夜间巡逻等措施防止死藻在池底发酵产生有害物。投药后藻类短时间集中死亡，但随着药性挥发，新的藻类快速繁殖。药法控藻耗费大量人力、财力，不能从源头解决问题，且污染水体，破坏原有的生态平衡，不易被养殖户接受。实际生产中大多养殖户将蓝藻浆抽排到外河，对水环境造成了更严重的污染[7-9]。研究表明，蓝藻细胞内气囊可承受0.4～0.7 MPa外界压力，超过此范围的压力使气囊发生不可逆转的破裂，蓝藻因失去浮力下沉[10-11]。本研究采用物理加压循环技术处理养殖水，控制蓝藻生长繁殖。

1 工程系统与研究方法

1.1 研究对象

实验地点在高邮市某罗氏沼虾养殖塘，时间2015年7-9月，养殖塘水深1.60～2.00 m，长180 m，宽70 m。深井循环加压同时处理4个养殖塘，面积共50 662 m2。4个养殖塘循环连通，水质基本相同，因此只选择其中一个养殖塘取样，代表处理塘。同时，另外选择一个未经处理的养殖塘作对照塘，同步取样监测。养殖塘6月初充水放苗，9月中旬养殖结束。放养罗氏沼虾23尾/m2，期间共3次捕捞作业，捕捞时向外排水，水深控制在1 m左右，捕捞结束后从外河补水。实验期间测得养殖塘水温24.2～31.0 ℃，pH 7.84～8.45。

1.2 示范工程系统

工程布置见图1，包括深井、进水管、布水管、输水管。处理塘一端钻孔安装深井，其两侧连接进水管(直径377 mm)。垂直于进水管方向，由输水管将养殖塘水引出，输送到养殖塘另一端，输水管、布水管直径分别为529、377 mm。深井由两个同心的内外井组成，外井底部封闭，内井底部开口。外、内井直径分别为663、377 mm，井深80 m。进水管与内外井间的环形通道相通，布水管与内井连通。内井中安装轴流泵(功率7.5 kW)，将内井中的水抽送至布水管，形成从养殖塘一端—深井—养殖塘另一端的水循环。循环水流量395 m3/h，每隔6天可把养殖塘内的水都循环一次。

图1 工程布置Fig.1 Engineering layout

1.3 测试方法

1.3.1 养殖塘藻类叶绿素a浓度

在处理、对照塘内各取3行3列9个点的竖向水样(见图1)，将9个点的水样各自混合后得到该塘的混合水样，测定混合水样的叶绿素a浓度。在处理、对照塘中心位置取分层水样，水深分别为0.10、0.30、0.50、0.70、0.90、1.10、1.30、1.60 m，测定分层水样的叶绿素a浓度。

取样一般在7：00-9：00完成，每2天一次。取样器为自制柱状取样器，柱体为直径50 mm有机玻璃管，底部设单向阀。藻类叶绿素a浓度按照文献[12]测定，丙酮提取时间24 h，提取液吸光度采用722S型可见分光光度计测定。

1.3.2 养殖塘藻类生产力

采用黑白瓶法，分别向每对黑白瓶中注满指定水深(0.10、0.50、0.90、1.30、1.60 m)水样，记录不同水深水样的初始溶解氧，盖好瓶塞，不留气泡。将每对黑白瓶悬挂到指定水深，24 h后取出测瓶内溶解氧、叶绿素a；计算藻类总生产量(Pg，mg/L)、呼吸量(R，mg/L)、净生产量(Pn，mg/L)、净生产速率(P，mg/μg)。挂瓶在10：00前结束，同时测定水体透明度。所用公式如下：

R=I-D

(1)

Pn=L-I

(2)

Pg=L-D

(3)

P=Pn/c

(4)

式中：I、D、L分别为初始、24 h后黑瓶中、24 h后白瓶中溶解氧，mg/L；c为叶绿素a质量浓度，μg/L。

溶解氧采用哈希公司HQ30d便携式溶解氧仪测定。透明度采用黑白盘法测定。

1.3.3 养殖塘蓝藻细胞气囊

取处理、对照塘混合水样，送扬州大学分析测试中心进行生物处理，制作藻细胞超薄切片，利用荷兰Philips公司生产的CM100型透射电镜对藻类超薄切片进行拍照，得到清晰的藻细胞切片黑白照片。

1.3.4 养殖塘藻细胞总量及优势藻种

每15天采用BM-37XB-D型倒置生物显微镜对处理、对照塘混合水样进行藻细胞总量和优势藻种的计数。

2 结果与讨论

2.1 藻类叶绿素a浓度及纵向分布规律

从图2可见，在系统运行第1天(7月26日)，两塘藻类叶绿素a浓度相近。整个运行期内，处理塘藻类叶绿素a浓度随时间变化不大，处于较低水平，平均质量浓度为45.53 μg/L；对照塘藻类叶绿素a浓度随气温升高大幅波动，平均质量浓度为115.16 μg/L，8月26日达到峰值(278.33 μg/L)。处理塘藻类叶绿素a平均质量浓度较对照塘降低了60.5%，且水体表面无明显藻类聚集，而对照塘表面藻类聚集形成厚厚的藻浆，散发恶臭，影响生产。养殖户在8月15日、8月28日用水泵将对照塘表面藻浆排到外河，所以对照塘藻类叶绿素a浓度出现较明显下降。在排水捕捞时，两塘均将水排入同一条外河，捕捞结束从该外河补水。外河水中藻类叶绿素a浓度高于处理塘、低于对照塘。因此，每经过一次排水补水，对照塘就被稀释一次，而处理塘就受到一次污染，如9月6日最明显。可以推断，对照塘实际藻类叶绿素a浓度高于监测值，处理塘则低于监测值，故经深井循环后藻类叶绿素a平均浓度降低率超过60.5%。

图2 藻类叶绿素a质量浓度变化Fig.2 Changes of chlorophyll a concentration of algae

8月12日测得处理塘和对照塘纵向的藻类叶绿素a质量浓度，结果见图3。两塘叶绿素a浓度纵向分布规律基本一致，均在水深0.50 m处呈现最大值。8月12日，测得处理、对照塘透明度分别为20、16 cm。处理塘藻类叶绿素a浓度最大值出现在该塘的2.5倍透明度水深；对照塘藻类叶绿素a浓度最大值出现在该塘的3.1倍透明度水深。这是因为养殖塘总水深小，水体均匀且上下没有温差，藻类在自身浮力调节机制下，均在水体2～3倍透明度间达到峰值[13]。

图3 藻类叶绿素a质量浓度纵向分布Fig.3 Longitudinal distribution of chlorophyll a concentration of algae

2.2 藻类生产力纵向变化规律

测试并计算得到8月12日的处理塘和对照塘藻类生产力，结果见图4和图5。由于养殖塘总水深小，上下温度一致，且呼吸量主要与温度有关而与光照无关，所以处理塘和对照塘藻类呼吸量随水深无明显变化。处理塘藻类总生产量、呼吸量分别为0.73～15.21、1.93～2.54 mg/L；对照塘藻类总生产量、呼吸量分别为1.72～17.42、4.61～4.89 mg/L。对照塘总生产量和呼吸量高于处理塘，因为对照塘溶解氧瓶中水样的藻浓度大于处理塘。对照塘在水深≤0.85 m时，藻类净生产速率大于零，藻类净生长；水深>0.85 m，藻类净生产速率小于零，藻类净衰亡。而处理塘在水深≤1.00 m时藻类净生长，>1.00 m则净衰亡。由藻类净生产速率曲线与纵轴围成的面积可得柱状水体单位叶绿素a浓度引起的净生产量，对照、处理塘分别为0.062、0.113 g/(m2·d)(以O2质量计)，处理塘较对照塘提高了82.3%，这是因为处理塘经深水循环后，藻类数量明显减少，透明度提高，水中藻类能充分接受光照进行光合作用。

图4 藻类总生产量和呼吸量随水深的变化Fig.4 Variation of total production and respiration with water depth

图5 藻类净生产速率随水深的变化Fig.5 Variation of net production rate of algae with water depth

由此可以得出，深井循环控制藻类生长，不是因为处理塘中藻类不生长，而是处理塘中光照区的藻浓度比对照塘低，水体中繁殖基数降低，因而繁殖总量降低。

2.3 蓝藻细胞气囊结构对比

蓝藻细胞内气囊结构变化见图6。对照塘蓝藻细胞中有白色蜂窝状气囊[14-15]，处理塘蓝藻细胞中气囊消失。这是由于蓝藻细胞在深井里处于受压状态，细胞壁具有透气透水性，水分子在压力作用下透过细胞壁进入细胞内保持水压平衡，而气囊是蛋白质壁，只透气不透水，气囊受到外部水压作用后发生破裂，导致气体被压出，并透过细胞壁扩散到细胞外的水中，细胞内气囊原有的空间被细胞液或水填充，从而藻细胞失去气囊浮力，平均密度增大，在浮力减小、重力增大的双重协同作用下，藻体由上浮转而沉淀。

图6 蓝藻细胞内气囊结构变化Fig.6 Changes of the structure of the air sac in cyanobacteria cells

因此，深井循环控制蓝藻生长的机制是蓝藻因深水压力作用导致气囊破裂，浮力消失。藻类回到养殖塘后沉到水底。又因处理塘藻类只能在水深≤1.00 m的光照区生长，所以表层水中藻浓度大大降低，从而减少了藻类繁殖基数，藻类繁殖总量减少。

2.4 藻细胞总量及优势藻种对比

从图7可见，7月28日处理、对照塘藻细胞总量相近，这是因为装置刚开始运行。在整个运行期内，处理塘藻细胞总量一直维持较低水平，平均4.9×107个/L，而对照塘藻细胞总量平均2.2×108个/L，处理塘藻细胞总量比对照塘降低了77.8%。由此看出，深井循环破坏了蓝藻细胞上浮的能力，蓝藻下沉至水底无法生长，有效降低了藻细胞总量，避免养殖塘藻类泛滥的现象。

图7 藻细胞总量变化Fig.7 Changes of the total number of algal cells

两塘均有蓝藻、绿藻和少量硅藻，蓝藻以微囊藻(Microcystissp.)、颤藻(Oscillatoriasp.)为主；绿藻以小球藻(Chlorellasp.)、栅藻(Scenedesmussp.)为主；硅藻以直链藻(Aulacoseiragranulate)、小环藻(Cyclotellasp.)为主。从图8可见，整个运行期内，对照塘蓝、绿藻细胞数量平均分别为1.95×108、3.51×107个/L；处理塘蓝、绿藻细胞数量平均分别为3.72×107、2.77×107个/L。处理塘蓝藻细胞数量显著降低，较对照塘降低80.9%，而绿藻细胞数量略有降低，较对照塘降低21.1%。由此看出，深井循环对蓝藻生长具有高效控制作用，对绿藻生长没有明显控制作用。

图8 蓝藻及绿藻细胞数量变化Fig.8 Changes of the number of cyanobacteria and green algae cells

由表1可见，7月28日处理、对照塘各优势藻种占比差别不大。这是因为处理塘水完全循环一次需要6 d，而7月28日系统刚运行2 d，效果还没有显现出来。当系统正常运行后，8—9月处理塘微囊藻细胞数量显著降低并保持较低水平(占17.5%)，颤藻为优势藻种(占38.3%)，小球藻占22.8%，栅藻占2.8%；对照塘中微囊藻为优势藻种(占84.5%)，其次是小球藻(占9.3%)，颤藻几乎没有生存的空间(占0.3%)。由此看出，深井循环后，微囊藻细胞数量降低67.0百分点，而颤藻细胞数量增长38.0百分点；绿藻得到更多的生存空间和生长所需的营养，小球藻、栅藻细胞数量分别增长13.5、1.0百分点。因此，深井循环控制藻类生长，是因为深水压力导致微囊藻细胞内的气囊破裂，大量微囊藻失去浮力下沉至水底，从而降低繁殖基数，减少了藻细胞总量；深井循环只对微囊藻有高效控制其生长的效果，对颤藻、小球藻、栅藻没有控制作用。

3 结 论

表1 优势藻种细胞数量及其占比

(1) 深井循环使处理塘藻类叶绿素a平均质量浓度降低60.5%，藻细胞总量降低77.8%，微囊藻细胞数量降低67.0百分点，消除了养殖塘表面蓝藻聚集腐烂的现象。

(2) 经深井循环后，处理塘藻细胞总量减少不是因为藻类不生长，是因蓝藻失去浮力沉至水底，表层水体中蓝藻浓度降低，繁殖量减少；水体透明度增高，使柱状水体单位叶绿素a浓度引起的净生产量提高82.3%。

(3) 深井循环控制蓝藻生长的机制是，微囊藻受到深水压力作用导致气囊破裂，浮力消失而下沉水底；光照区藻细胞数量降低，从而降低了蓝藻的繁殖基数，减少了繁殖总量。

(致谢：本实验现场采样过程中高邮市养殖户提供采样船，在此表示感谢。)

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Studyoncyanobacteriaingrowthcontrolandthemechanismintheaquaculturepondofdeepwellwithcyclepressure

ZHOUYue1，CONGHaibing1，2，YANQi1，RENAo1，XUHu2，XUYajun2.

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，YangzhouUniversity，YangzhouJiangsu225009；2.JiujiufuEnvironmentalScienceandTechnologyCo.，Ltd.，SuzhouJiangsu215316)

To control the spread of cyanobacteria in aquaculture pond，deepwell with cycle pressure was studed to treat Shrimp pond by production experiments. The results shows that algae chlorophyll-a average concentration and total algal cell were reduced 60.5%，77.8% after treated by deepwell with cycle pressure. The water depth of aquaculture pond was 1.60-2.00 m. When the depth of the treatment ponds was ≤1.00 m, the net algae showed grown. When the depth of the treatment ponds was >1.00 m, the net algae showed declined. Deepwell with cycle pressure could only control the growth ofMicrocystissp.. The mechanism of the control cyanobacteria was that the airbag in the cyanobacteria was ruptured by the water pressure at the bottom of the deepwell. The cyanobacteria lost the buoyancy of the balloon could not be suspended in the surface after returning to the culture pond, but sank to the bottom. Thereby the total amount of algal cell and the breeding base were effective reduced.

Shrimp pond； deepwell with cycle pressure； cyanobacteria

2016-03-23)

周 越，女，1993年生，硕士研究生，研究方向为水处理。#

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*江苏省水产三新工程项目(No.Y2015-11)；江苏省高校自然科学研究面上项目(No.15KJD610006)；扬州市重点研发计划(社会发展)项目(No.YZ2015072)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.012