不同频率超声波对养殖水体浮游植物群落结构的影响

高俊晖，阮成旭，袁重桂，游丽娟，崔笑

(福州大学生物科学与工程学院，福建福州 350116)

0 引言

在水产养殖产业中，由于养殖投放的饵料中含有大量蛋白质，水体富营养化现象明显．在生态优先、绿色发展的新常态下，养殖尾水治理工作备受关注．据估计，养殖过程投放的饵料中只有9．1%的氮元素和17．4%的磷元素被鱼类吸收，残余的饵料及鱼类粪便都以污染物的形式存在于水体中[1]．浮游植物有较强吸收和降解这类污染物质的能力，Abdelraouf等[2]利用四尾栅藻( Scenedesmus quadricauda)和普通小球藻( Chlorella vulgaris)处理养殖废水，处理后废水的COD、BOD5可达到排放标准，氮、磷去除率均达到100%．

无论是水产养殖还是自然水体中，都存在着微生态系统．在各种环境因子条件相对稳定的情况下，浮游植物群落结构中会自然生长出少数几种绝对优势种群，占据水体中绝大部分营养成分和生存空间，导致其他种群处于劣势地位，劣势种群由于没有足够的营养和生存空间，可能直接在微生态系统中消亡．有报道称，低频超声波施加周期( 2～4) h·d-1能够在一定程度上抑制浮游植物的生长，但不会杀灭浮游植物，有良好的抑藻效果[3]．但超声波对浮游植物群落结构的影响目前还没有相关研究报道．本试验基于低频超声波对浮游植物的种群抑制作用，探究其对浮游植物群落结构的影响，旨在为养殖尾水治理提供依据．

1材料和方法

1．1材料

斑马鱼来自福州大学生态养殖基地子代成鱼;藻种液由福州大学生态养殖基地水体中筛选纯化;饵料购自上海大江水产饲料科技有限公司．

1．2设备

超声波发生仪( THD-M1，深圳科美达超声波设备有限公司) ;光学显微镜( XP-132，炳宇光学仪器有限公司) ;玻璃鱼缸( 38 cm×38 cm×30 cm，福州淞盛水族馆)

1．3试验方法

试验采用单因子梯度试验法，设置试验组及空白对照组，其中对照组不进行超声波作用．试验组I、II、III对应设置低频超声波频率分别为20、28、40 kHz，每组设置3个平行试验．鱼缸中水量30 L，养殖20条体长( 3．2±0．2) cm、体质量( 0．51±0．09) g、鱼龄(孵化后4个月)基本相同的斑马鱼，每日8: 00和18: 00投喂，日投食量为鱼体质量的2%，投喂1 h后启动超声波作用养殖水体．设置光照强度3000 lx，光暗周期比为12L∶12D，曝气充氧，试验期间温度控制在( 28±1)℃．采集多种养殖水体，分离出18属单细胞浮游植物纯培养，分别取10 mL(丰度5．0×104ind·L-1)藻种液接种至试验水体中，斑马鱼正常代谢产生的粪便和饲料残留为水体中浮游植物提供营养来源，使浮游植物可以自然演替出微生态系统．超声波作用试验条件详见表1．

数据分析采用SPSS 22．0进行单因素方差分析，如差异具有统计学意义( P<0．05)则采用Duncan’s多重比较进行分析．

浮游植物分类与定性参照《中国常见淡水藻类图谱》[4]．

1．4数据统计与处理

根据下列公式计算浮游植物丰度N、Shannon wiener多样性指数( H)、Pielou均匀度指数( J)、Margalef丰富度指数( D)和物种优势度( Y)[5-10]．

式中: V为1 L水样浓缩后的体积; V'为计数框的容积; N为观察到的物种个体总数; Pi为第i种的个体占所有个体总数的比例; S为所有物种数目; ni为第i种的数量; fi为第i种出现的频率;将Y>0．1的浮游植物判定为主要优势种属．

2试验结果

2．1不同频率超声波对养殖水体浮游植物丰度的影响

试验共历时40 d，期间水体中的斑马鱼生存活动情况均良好，摄食行为正常，没有出现死亡情况，各组斑马鱼体质量差异不具有统计学意义( P>0．05)．各试验组和对照组的浮游植物丰度变化情况见图1，在不同频率超声波作用下，试验进行的前15 d，浮游植物丰度呈现基本相同的上升趋势，至20 d各组浮游植物生长达到一个峰值，20 d后浮游植物丰度都稳定维持在一个范围内．由40 d时各试验组和对照组浮游植物丰度数据可知，对照组和试验组I浮游植物丰度差异不具有统计学意义( P>0．05)，试验组II、III与试验组I、对照组丰度差异均具有统计学意义( P<0．05)，试验组III中浮游植物的丰度最低．与对照组相比，试验组II、III的浮游植物丰度分别降低了28．3%和56．7%．

2．2不同频率超声波对养殖水体浮游植物群落种类数的影响

采集的藻种液，经过取样分析，共鉴定出绿藻门( Chlorophyta)、甲藻门( Dinophyta)、蓝藻门( Cya nophyta)和硅藻门( Bacillariopyta) 4门16属浮游藻类．在超声波频率作为唯一变量的条件下，经过40 在养殖水体中生长繁殖和生态系统的演化，各试验组和对照组浮游植物群落种类见图2．试验组I水体中正常生存的浮游植物14属，随着超声波作用频率提高，试验组II和试验组III的水体中种类有所减少，分别为12属和9属，而在对照组中，仅鉴定出8属．

2．3不同频率超声波对养殖水体浮游植物生物多样性的影响

经过对浮游植物计数与计算，不同频率超声波对养殖水体浮游植物生物多样性影响结果见表2、3．对照组的多样性指数( H)、均匀度指数( J)和丰富度指数( D)分别为0．768±0．011、0．369±0．050和0．531± 0．007，为各组最低，与试验组差异均具有统计学意义( P<0．05)，其中小球藻属( Chlorella)和栅藻属( Scenedesmus)丰度达到4．2×105、0．8×105ind·L-1，为优势浮游植物．试验组I的多样性指数( H)和丰富度指数( J)分别为1．661±0．055、1．071±0．020，为各组最高，与其它试验组及对照组的差异均具有统计学意义( P<0．05) ;均匀度指数( D)为0．613±0．011，与试验组III差异不具有统计学意义( P>0．05)，但高于试验组II和对照组;其中小球藻属( Chlorella)、栅藻属( Scenedesmus)和小环藻属( Cyclotella)丰度达到1．8×105、1．4×105、0．8×105ind·L-1，为优势浮游植物．试验组II中小球藻属( Chlorella)和栅藻属( Scenedesmus)、色球藻属( Chroococcus)及直链藻属( Melosira)的丰度达到0．9×105、1．2×105、0．6×105、0．7×105ind·L-1，为优势浮游植物．试验组III中小球藻属( Chlorella)和栅藻属( Scenedesmus)丰度达到0．9×105、0．9×105ind·L-1，为优势浮游植物．

3 讨论

已有不少研究表明，超声波在除去和抑制浮游植物生长方面有一定作用．如姜登岭等[3]使用超声波60 kHz、( 2～6)次·d-1，作用时间1 min，可将培养水样浮游OD400由0．25降至0．12．徐鹏飞等[11]使用超声波1 200 W、每两天1次，作用时间2 min等条件下，超声波对微囊藻去除效果良好，其叶绿素a去除率为82%．本研究设定了20、28和40 kHz等3种低频率超声波，与对照组相比，浮游植物丰度在养殖水体中生长受到了一定的抑制，并且随着作用频率的增高，丰度表现为减少的趋势，至作用频率达40 kHz时，浮游植物丰度减少了约50%．

有关超声波抑制和杀灭浮游植物的作用机理说法不一．潘彩萍等[12]认为超声波抑制浮游植物生长主要是机械效应，在高频高功率超声波作用下的水体中，空泡化破裂过程中，产生相对高速的射流，强烈冲击波导致细胞结构的破坏; Broekman等[13]报道称，超声空化作用产生高温、高压环境可使浮游植物直接进入程序性死亡过程( PCD)，从而使一部分浮游植物消亡;而Joyce等[14]研究表明，超声波对浮游植物抑制作用主要是使其体内产生大量自由基，破坏了细胞壁原本结构; Wu等[15]研究也认为自由基效应对浮游植物抑制作用更大．

尽管超声波对浮游植物的抑制作用在机理上目前尚有争议，但都肯定了其对浮游植物的抑制效果．本试验设置低频超声波作用养殖水体，试验组I中浮游植物的多样性指数( H)和丰富度( D)为1．661±0．055 和1．071±0．020，正常存活14属浮游植物，优势浮游植物4属，相对于对照组，浮游植物多样性有所提高，生态结构相对稳定，有利于降解养殖水体中由于饲料无法全部被鱼类同化剩余的残渣和粪便，以及保持养殖水体的健康稳定．施加一定频率的超声波对抑制水体中浮游藻类丰度有明显作用，同样对构建水体中生物多样性有一定作用．分析原因可能为:在水体中每个浮游植物属种以及个体对不同频率超声波作用的抗性应有差异，本研究设置的环境因子适合于小球藻属( Chlorella)和栅藻属( Scenedesmus)生长繁殖．在对照组中，小球藻生长迅速，最终丰度达到4．2×105ind·L-1，优势度( Y)达0．7925，呈现绝对生长优势，并且占据了大部分的营养物质和生存空间，导致其余物种呈现的相对劣势，符合自然条件中水体生态结构的特征．而试验组I、II、III中的多样性指数( H)、均匀度指数( J)、丰富度指数( D)均高于对照组，也可能是绝对优势物种受超声波作用抑制的结果．

低频超声波在本试验设置的环境因子中对浮游植物生物群落多样性构建有一定的作用，可为水产养殖生产中建立稳定生物群落以及养殖尾水净化处理提供参考．但在不同环境因子下，超声波对浮游植物群落结构多样性的影响效果及超声波频率的优化选择还需要进一步的研究．