极大硬毛藻无性系对海水养殖废水中氮盐的去除效果

李雪莹，李 贤，王金霞，马晓娜，周浩然，徐建平，刘 钦，李 军

极大硬毛藻无性系对海水养殖废水中氮盐的去除效果

李雪莹1,3，李 贤1,2※，王金霞1,2，马晓娜1,2，周浩然3，徐建平1，刘 钦3，李 军1

（1. 中国科学院海洋研究所，实验海洋生物学重点实验室，青岛 266071； 2. 中国科学院海洋大科学研究中心，青岛，266071；3. 青岛理工大学环境与市政工程学院，266000）

养殖水体中无机氮的高效去除是开展循环水养殖的重要保障条件之一。该论文研究了极大硬毛藻无性系（简称极大硬毛藻）对循环水养殖水体中无机氮盐的去除效率及特征。结果表明，当藻体密度为(10±1) g/L时，在一定浓度范围（氨氮：0～15 mg/L，亚硝酸盐氮：0～3 mg/L，硝酸盐氮：0～15 mg/L），极大硬毛藻对海水中3类无机氮盐的吸收速率随着时间变化即氮盐浓度降低而降低；其中藻类对氨氮的吸收速率变化较大，而对亚硝酸盐和硝酸盐的吸收速率相对稳定。当3种氮盐质量浓度为3 mg/L，极大硬毛藻首先选择吸收氨氮；当氨氮质量浓度降至1.5 mg/L时，藻开始吸收亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。极大硬毛藻对人工模拟养殖废水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的15 h去除率可达到94.3%、100%、82.2%。该研究可为极大硬毛藻在循环水养殖水体净化的应用、养殖废水资源化利用和无害化处理技术的建立提供科学依据。

废水；氮；养殖；极大硬毛藻无性系；吸收速率；去除率

0 引 言

工厂化循环水养殖作为一种新兴的陆基养殖模式，凭借其养殖密度高、可控性强、环境友好等优点，在中国沿海及内陆地区得到快速的推广和应用[1-2]。循环水养殖水体回用率高达90%以上，可有效降低养殖水体需求量[3]，生物滤器是循环水养殖系统的核心水处理单元，可将水中毒性较大的氨氮降解、氧化为毒性相对较低的硝酸盐[4]；但较低的水体更新率，会导致硝酸盐在水体中大量积累[5-6]。已有研究表明，硝酸盐的积累会影响鱼体的渗透压和血细胞的运氧能力，引起鱼体色泽和肉质下降，同时富含硝酸盐的养殖废水直接排放，亦会造成水体富营养化[7-10]。

养殖海水中硝酸盐的去除可通过微生物的反硝化作用将其转化为氮气，但是此过程作用历程长，条件控制要求严格，需要额外投加碳源，转化效率有限[11]。藻类可吸收海水中的氨氮（NH4+-N）、亚硝酸盐（NO2--N）、硝酸盐（NO3--N）等转化为自身的细胞物质，效率相对较高，或可缓解养殖水体中硝酸盐积累[12-13]。在多营养级复合养殖系统中（integrated multi-trophic aquaculture），藻类常布设于系统中用于吸收养殖动物产生的氮、磷代谢产物[14]。近年来，藻类对不同浓度、种类营养盐的吸收效率和特征亦有研究，例如，孙琼花[15]研究了孔石莼、坛紫菜对不同浓度养殖废水的水质净化效果。董文斌等[16]研究了狐尾藻对养殖废水的减控去污效果。Lavania-Baloo等[17]将大型海藻石莼（）和帚状江蓠（）用于处理虾类养殖废水。

采自于自然海区的海藻生长具有季节性，其对废水净化效率随其生长周期和季节而变，不能实现全年稳定净化水质[18-20]。近年来，王金霞等[21]利用大型海藻细胞的全能性构建了大型海藻无性系，不再进行有性生殖，可全年稳定、持续吸收水体中的无机氮磷，净化水质。而利用藻无性系处理养殖废水的相关研究较为有限。本研究探讨极大硬毛藻无性系（后简称极大硬毛藻）对养殖水体中无机氮去除特点及效果，重点研究其对硝酸盐的去除效率及特征，为极大硬毛藻在循环水养殖、养殖废水净化的应用提供依据，促进循环水养殖模式的推广和养殖废水资源化处理技术的发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

极大硬毛藻（），隶属刚毛藻科（），硬毛藻属()。本试验用藻为极大硬毛藻无性系，取自中国科学院海洋所。

1.2 试验方法

试验装置采用5 L烧杯，极大硬毛藻的投放密度为(10±1) g/L，试验期间水温(25±2) ℃，pH值7.6～7.7，盐度31‰，光照强度为10 000 lx，化学需氧量（CODMn）为(5±0.5) mg/L。试验每个处理组设置3个平行和3个无藻组作为空白对照。试验时间控制在20 h内，每1 h取样1次，测定水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N以及PO43--P的含量，当水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N以及PO43--P浓度无明显变化时结束试验。

循环水系统NH4+-N质量浓度一般在0～5 mg/L内，NO2--N质量浓度一般在0～2 mg/L，NO3--N质量浓度一般在1～100 mg/L之内。本研究试验设计的各项氮盐浓度范围涵盖实际循环水养殖工况下水体中氮盐参数范围。

1.2.1 极大硬毛藻对NH4+-N、NO2--N、NO3--N的处理试验

试验用水为沙滤后天然海水，水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P浓度分别用氯化铵、亚硝酸钠、硝酸钠、磷酸二氢钾调控，CODMn浓度用葡萄糖、淀粉调控。

第1部分研究设置3个NO3--N浓度梯度，分别为(5.0±0.5)、(10.0±0.5)、(15.0±0.5) mg/L。第2部分研究设置3个NH4+-N浓度梯度，分别为(5.0±0.5)、(10.0±0.5)、(15.0±0.5) mg/L。第3部分研究设置3个NO2--N浓度梯度，分别为(1.0±0.5)、(2.0±0.5)、(3.0±0.5) mg/L。PO43--P起始质量浓度均为0.2 mg/L。

1.2.2 极大硬毛藻对相同浓度下不同氮盐吸收优先级试验

试验用水为沙滤后天然海水，水体中NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P浓度分别用氯化铵、亚硝酸钠、硝酸钠、磷酸二氢钾调控，CODMn浓度用葡萄糖、淀粉调控。NH4+-N、NO2--N、NO3--N起始质量浓度为(3.0±0.5) mg/L，PO43--P起始质量浓度均为0.2 mg/L，COD为(5±0.5) mg/L。

1.2.3 极大硬毛藻对人工配置的养殖废水中氮盐的处理效果

采用人工模拟海水养殖废水：用100 g晒干的大西洋鲑残饵、粪便与其饲料按照质量1∶1混合粉碎后，加入20 L新鲜海水，于阴暗处发酵3 d后，用300目筛绢过滤，最后使用新鲜海水稀释得到人工模拟海水养殖废水。NH4+-N质量浓度(3.0±0.5) mg/L，NO2--N质量浓度为(0.1±0.05) mg/L，NO3--N质量浓度为(3.0±0.5) mg/L，PO43--P起始质量浓度为0.2 mg/L，COD为(5±0.5) mg/L。

1.3 水质测定与数据分析方法

1.3.1 水质检测方法

水质指标测定参照海洋监测规范（GB 17378.4—2007）。具体水质检测指标和方法见表1。

表1 检测指标及分析方法

1.3.2 计算参数

极大硬毛藻对氮盐的吸收速率计算公式如下

=(C1—C2)/(·)（1）

式中为吸收速率，mg/(g·h)；C1为1时间下试验组水体中营养盐浓度，mg/L；C2为2时间下试验组水体中营养盐浓度，mg/L；为所用水体体积，L；为1到2试验时间，h；为极大硬毛藻鲜质量，g。

去除率计算公式如下

=(C0—C)C0×100%（2）

式中为营养盐去除率，%；C0为时间下空白对照组水体中营养盐浓度，mg/L；C为时间下试验组水体中营养盐浓度，mg/L。

1.3.3 数据分析方法

试验结果以平均值±标准差表示。数据分析采用软件IBM SPSS Statistics（SPSS 11.0），单因素方差分析采用one-way ANOVA。

2 结果与分析

2.1 极大硬毛藻对NH4+-N、NO2--N、NO3--N的处理效果

极大硬毛藻对NO3--N的吸收情况见图1a。总去除率随时间变化而上升，其中，5 mg/L组、10 mg/L组和15 mg/L组去除率达到90%所用时间分别为16、23和32 h；3个处理组NO3--N质量浓度达到1 mg/L所用时间分别为14、23和32 h；试验结束时3个处理组NO3--N质量浓度分别为0.52、0.61、1.00 mg/L。随着时间的变化，极大硬毛藻对NO3--N单位小时吸收速率则呈略微下降趋势，藻类在试验开始阶段处于适应期，吸收速率随时间变化有所升高，3组吸收速率15 mg/L组>10 mg/L组>5 mg/L组，在第6小时后3组吸收速率开始下降，8 h后15 mg/L组吸收速率迅速下降，甚至在第10小时至13小时内低于5 mg/L组。3个处理组最终吸收速率稳定在20～30 mg/(g·h)。

对NH4+-N的处理效果见图1b。极大硬毛藻对NH4+-N的去除率在试验开始后迅速上升，随着时间的变化逐渐缓慢，3个处理组无显著区别，并且18 h后3组藻类对NH4+-N的去除率均大于90%。3个处理组NH4+-N质量浓度达到1 mg/L所用时间分别为12、14和15 h。试验结束时5 mg/L组、10 mg/L组和15 mg/L组NH4+-N质量浓度分别为0.52、0.49、1.35 mg/L。3组藻类对NH4+-N的单位时间吸收速率随时间的变化迅速下降，3个处理组之间显示出显著差异，试验过程中，3组吸收速率关系为15 mg/L组>10 mg/L组>5 mg/L组，试验结束时5 mg/L组和10 mg/L组的吸收速率基本为0，15 mg/L组吸收速率约为20 mg/(g·h)。

极大硬毛藻对NO2--N的处理效果见图1c。随着时间变化，极大硬毛藻对NO2--N的去除率呈上升趋势，且试验过程中去除率1 mg/L组>2 mg/L组>3 mg/L组，1 mg/L组26 h去除率基本达到100%，NO2--N质量浓度基本为0，2 mg/L组去除率为50%～60%，3 mg/L组仅为30%～40%；试验结束时3个处理组NO3--N质量浓度分别为0.03、0.49、1.14 mg/L。藻类对NO2--N的单位小时吸收速率随时间变化整体略微下降，但大至居于2～4×103mg/(g·h)范围内，3组之间无显著差异。

2.2 极大硬毛藻对相同浓度的不同氮盐吸收优先级试验

由图2可知，极大硬毛藻首先选择吸收的氮盐为NH4+-N，吸收率较高，在第7小时，NH4+-N质量浓度降至0.37 mg/L，总去除率达到88.0%；NH4+-N质量浓度在第7小时至9小时之间无显著性差异（>0.05）。前6小时NO3--N及NO2--N质量浓度均无明显变化。在第6小时之后，NH4+-N质量浓度为0.68 mg/L，此时NO3--N和NO2--N质量浓度开始降低；在第12小时，NO3--N质量浓度降低至0.77 mg/L，总去除率为72.4%。NO3--N质量浓度在第12小时之后无显著性变化（>0.05）。NO2--N质量浓度在第14小时后基本为0，总去除率接近100%。

注：NH4+-N、NO2--N、NO3--N起始质量浓度为(3.0±0.5) mg·L-1，PO43--P起始质量浓度均为0.2 mg·L-1，COD为(5±0.5) mg·L-1。

2.3 极大硬毛藻对模拟养殖废水的处理效果

由图3可知，前6 h NH4+-N质量浓度迅速降低，NO2--N和NO3--N无明显变化。在第7小时，NH4+-N质量浓度降至0.20 mg/L，总去除率达到94.3%，第7小时至8小时之间NH4+-N质量浓度无显著性差异（>0.05）。前5 h NO3--N及NO2--N质量浓度均无明显变化。在第5小时之后，NH4+-N质量浓度为0.54 mg/L，NO3--N质量浓度开始降低。在第10小时，NO3--N质量浓度降低至1.61 mg/L。第10小之后NO3--N质量浓度继续降低，并且NO2--N质量浓度开始同步降低。第15小时后，NO3--N质量浓度为0.52 mg/L，总去除率为82.2%，NO2--N质量浓度基本为0，总去除率接近100%，二者在第7小时至8小时之间无显著性差异（>0.05）。

注：NH4+-N、NO3--N起始质量浓度为(3.0±0.5) mg·L-1，NO2--N质量浓度为(0.1±0.05) mg·L-1。

3 讨 论

3.1 极大硬毛藻对无机氮盐的吸收效率

藻类对营养盐吸收效率主要受藻类自身的酶活性和水体中营养盐离子浓度影响。试验过程中水体中NO3--N质量浓度是随时间变化而降低的，极大硬毛藻对NO3--N的吸收速率也随时间略微下降。这一结果与大多数研究者对藻类的研究结果一致[22,25-27]。但由于藻类对NO3--N的吸收更多局限于自身的酶活性，因此高浓度的NO3--N并不能十分有效的提高藻类对NO3--N的吸收速率。从本次试验结果中还可以看出，过高的NO3--N质量浓度对藻类活性也有一定影响，并且这种不利影响短时间内无法随NO3--N质量浓度的降低而恢复。

循环水养殖系统中，微生物将水体中的NH4+-N和NO2--N转化为NO3--N，而NO3--N无法被去除，因此会产生积累。应用藻类直接吸收水中的NH4+-N和NO2--N，也可有效地解决NO3--N积累问题。有研究表明过高浓度的NH4+-N会对藻产生毒害作用，从而抑制藻对NH4+-N的吸收[27-28]。周金波等[29]研究发现，不同沉水植物的相对生长率均随着水体氨氮浓度的升高呈现先上升后下降的规律，轮叶黑藻、苦草、金鱼藻、小茨藻的氨氮最大适宜浓度和最大耐受质量浓度分别为2、2、1、0.5和6、6、4、2 mg/L。但本次的试验结果显示出极大硬毛藻对NH4+-N的耐受度较高，在试验所设计的浓度范围内，并未显示出NH4+-N对藻类活性的不利影响。与NO3--N不同的是，藻类对NH4+-N的吸收并不依赖自身的酶活性，在试验结果中也可以看出藻类对NH4+-N的吸收速率随时间变化较为明显，由此可以推断NH4+-N浓度对藻类的吸收速率影响较大。极大硬毛藻对NH4+-N的去除率较高，可达到90%以上，但与微生物的转化效果对比而言，所需的停留时间较长[30]。

NO2--N作为氮源的一种也可被藻类吸收，黄翔鹄等[31]分别研究了波吉卵囊藻对亚硝酸盐氮吸收速率，刘盼等[32]研究了蛋白核小球藻和斜生栅藻对亚硝酸盐氮吸收速率，结果均表明藻类在高浓度NO2--N下的吸收速率高于其在低浓度下的吸收速率。藻类对NO2--N的吸收也需要酶的转化作用，本研究发现极大硬毛藻对NO2--N的去除效果与NO3--N有相似之处，吸收速率随时间和浓度变化略有降低。本次试验并未发现NO2--N质量浓度对藻类活性产生影响，其原因可能是本次试验所设置的NO2--N质量浓度较低。

3.2 极大硬毛藻对氮盐的吸收次序

一般认为在NH4+-N、NO2--N和NO3--N同时存在的情况下，大多数藻类会优先选择吸收NH4+-N，其次是NO2--N，最后选择吸收NO3--N。NO2--N和NO3--N的吸收要通过硝酸还原酶将其转化为NH4+-N后间接吸收利用[31-34]。对于极少种类藻类，NO3--N是首选氮源，只有当NO3--N来源不足时，藻类才会选择吸收NH4+-N[35]。姜宏波等[36]在鼠尾草的研究中发现，当NH4+-N和NO3--N的浓度相同时，两者在吸收速率上并没有显著差异。窦碧霞等[37]对海马齿的研究中发现在NH4+-N/NO3—N>1时，海马齿优先吸收NO3--N，NH4+-N/NO3--N<1时，海马齿对NH4+-N的吸收增加，李洋等[38]在对琼枝的研究中发现，3种营养盐相同的浓度下，琼枝优先吸收NH4+-N，其次是NO3--N和NO2--N。本研究发现，当NH4+-N、NO2--N、NO3--N质量浓度相同时，极大硬毛藻首先选择吸收NH4+-N，当NH4+-N质量浓度降低至约0.5mg/L时，开始吸收NO2--N和NO3--N，且NO2--N与NO3--N同步降低，无明显先后顺序。

3.3 极大硬毛藻对模拟养殖废水的处理效果

藻类吸收的营养盐主要为无机氮盐，养殖废水中的有机物对其并没有影响[39]。在极大硬毛藻对模拟养殖废水中氮盐的吸收研究中发现，3种氮盐浓度不同时，极大硬毛藻依然首先选择吸收NH4+-N，在NH4+-N浓度不足时，由于NO2--N浓度过低，其选择吸收浓度较高NO3--N，当NO3--N浓度降低至约1.5 mg/L时，为弥补氮盐不足极大硬毛藻在选择吸收NO3--N的同时也选择吸收NO2--N。

4 结 论

综合上述结果，当极大硬毛藻的投放密度为(10±1) g/L时，一定浓度范围内，极大硬毛藻对NO3--N和NH4+-N的处理周期较短，然而其对NH4+-N的吸收速率无法取代微生物；极大硬毛藻对养殖水体中3种无机氮盐的吸收速率随着时间变化即氮盐浓度的降低而降低，对NO3--N和NO2--N吸收速率较NH4+-N而言较为稳定。当前循环水养殖模式下（新水更新率较高），NO3--N质量浓度一般在0～10 mg/L，此浓度范围不会对藻类活性产生影响。添加藻类处理单元去除NO3--N可以有效地降低系统新水更新率。因此藻类处理单元的实际应用应综合考虑藻类处理效率和水更新率。循环水系统NH4+-N质量浓度一般在0～5 mg/L内，NO2--N质量浓度一般在0～2 mg/L，在此浓度范围内两者不会对藻类造成不利影响。

由极大硬毛藻对相同浓度的不同氮盐吸收优先级试验结果中可以看出，当3种氮盐浓度足够的情况下，极大硬毛藻首先选择吸收NH4+-N，吸收速率较快，对NH4+-N的总去除率可达到约90%。NO2--N和NO3--N优先级相同，吸收速率相对较慢，藻对NO2--N总去除率可达100%，对NO3--N的总去除率约为80%。在实际生产中，可根据水中NO3--N的浓度适当调整藻类鲜质量与水体体积的比例关系，从而提高硝酸盐的去除率。

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Removal efficiency of nitrogen salts byin aquacultural wastewater

Li Xueying1,3, Li Xian1,2※, Wang Jinxia1,2, Ma Xiaona1,2, Zhou Haoran3, Xu Jianping1, Liu Qin3, Li Jun1

(1.,,,266071,; 2.-,,,266071,; 3.,,266000,)

The high efficiency in removing nitrogen salt is the key to insure the operation of recirculating aquacultural systems. The current study focused on the efficiency and the characteristic ofclones (hereinafter referred to as) to remove the ammonia, the nitrite and the nitrate in seawater. The absorption efficiency ofto nutrients is mainly affected by the enzyme activity of algae and the concentration of nutrients in water. The absorption of NO3--N and NO2--N byis more limited to its enzyme activity. The absorption of NH4+-N depends on the concentration of NH4+-N in water. Within a certain concentration (NH4+-N: 0-15 mg/L, NO2--N: 0-3 mg/L, NO3--N: 0-15 mg/L), the absorption rate ofon nitrogen salt suppressed with the reduction of nitrogen concentration in the water. The absorption rate of ammonia nitrogen by algae changed greatly. The final absorption rate of the 5, 10 mg/L group was close to 0, and that of the 15 mg/L group was 20×103mg/(g·h). While the absorption rate of nitrite and nitrate is relatively stable. The final absorption rate of three groups of NO3--N is 20-30 mg/(g·h), and that of NO2--N was 2-4 mg/L. When the concentrations of three nitrogen salts were same (3 mg/L),first absorbed NH4+-N, and the absorption rate on NH4+-N was notably higher than on NO2--N and NO3--N. There was no significant difference between NO2--N and NO3--N. However, when the NO2--N content was too low, the algae will preferentially absorb NO3--N. When ratio (g/L) of the fresh weight ofto water volume was 10∶1, the removal rates on NH4+-N, NO2--N and NO3--N ofin the artificial aquacultural wastewater (NH4+-N: 3.0±0.5 mg/L, NO2--N: 0.1±0.05 mg/L, NO3--N: 3.0±0.5 mg/L, PO43--P: 0.2±0.5 mg/L）were 94.3%, 100% and 82.2% in 15 hours. Although the removal rate of NH4+-N bywas high, it could not replace microorganism as the main unit of NH4+-N removal completely. In order to obtain sufficient ammonia NH4+-N as electron acceptor for microbial, the algae unit was suggested to be located behind the microbial unit. The practical application of algae treatment unit should consider comprehensively both the algae treatment efficiency and water renewal rate. In the actual production, the ratio between the fresh algae quality and the water volume can be adjusted according to the concentration of NO3--N in the water, so as to improve the removal rate of nitrate. The mass concentrations of NO3--N, NH4+-N, NO2--N in recirculating aquacultural systems were generally at 0-10, 0-5, 0-2 mg/L. Within the range of nitrogen salt concentration in circulating water system, three kinds of nitrogen salts will not cause adverse effects on algae. This study could provide data for the application ofclones in the treatment of aquacultural wastewater and promoted the utilization of aquaculture wastewater as a resource.

wastewater; nitrogen; aquaculture;Clones; absorption rate; removal rate

李雪莹，李 贤，王金霞，马晓娜，周浩然，徐建平，刘 钦，李 军. 极大硬毛藻无性系对海水养殖废水中氮盐的去除效果[J]. 农业工程学报，2019，35(24)：206－212.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.025 http://www.tcsae.org

Li Xueying, Li Xian, Wang Jinxia, Ma Xiaona, Zhou Haoran, Xu Jianping, Liu Qin, Li Jun. Removal efficiency of nitrogen salts byin aquacultural wastewater[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 206－212. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.025 http://www.tcsae.org

2019-05-29

2019-11-28

国家重点研发计划（2017YFD0701700），广东省重点研发计划（2019B020215001）和国家海水鱼产业技术体系（CARS-47）

李雪莹，主要从事污水资源化处理。Email：342492236@qq.com

李 贤，副研究员，主要从事水产养殖工程与生态学相关研究。Email：lixian@qdio.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.025

5959

A

1002-6819(2019)-24-0206-07