过碳酰胺和四羟甲基硫酸磷对刺参养殖底质的改良作用

孙永军 邵长清 鞠文明 唐晓波

摘 要：为研究过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷（THPS）对刺参（Apostichopus japonicus）养殖底质的改良效果，以沸石粉和膨润土1∶4的混合物为载体，将过碳酰胺和四羟甲基硫酸磷按不同比例投放到刺参养殖实验系统，测定底泥中COD及氨氮、硫化物和亚硝氮含量，并对不同组分底质改良剂的改良效果进行评价，筛选出最佳的底质改良剂配方。研究结果表明，过碳酰胺的浓度变化对底质环境影响较四羟甲基硫酸磷更为显著（P=0.031），过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷及载体含量比例为15∶15∶75的底质改良剂配方对底质改善效果最为显著。

关键词：刺参（Apostichopus japonicus）;过碳酰胺;四羟甲基硫酸磷;底质改良剂

底质改良剂在池塘养殖生产中广泛使用，为养殖过程中改善养殖环境、预防病害、提高产量的重要手段。市场上底质改良剂种类较多，根据其主要成分和作用，可分为吸附型、氧化型和微生态制剂3种底质改良剂[1]。吸附型底质改良剂是较为传统的改良剂的一种，主要成分有沸石粉、活性碳、石粉、膨润土等。由于其功能的有限性，单独使用效果不佳，更多的是与微生态制剂或氧化型改良剂搭配使用。微生态制剂主要通过益生菌的作用降解养殖环境中有机污染物来改善养殖环境，目前益生菌的种类主要有硝化细菌、芽孢杆菌、双歧杆菌、光合细菌等。氧化型改良剂通过氧化作用改良水质和底质，以卤素类、过氧化物类等作为主要成分。与卤素类相比，过氧化物类改良剂一方面具有强氧化性和增氧性，与水接触后会产生初生态氧，促进有机质分解，提高底泥的氧化还原电位，改良底泥环境;另一方面具有良好的环保性，产物不会对养殖生物和养殖水体造成二次污染。

过氧化物代表有双氧水、过碳酸钙等，由于水体缺氧是导致底质恶化、养殖生物生长缓慢、疾病频发的主要原因之一，而这方面的研究相对落后，针对刺参（Apostichopus japonicus）养殖的增氧型底质改良剂的系统性研究更是空白，造成市面上增氧剂产品种类极少，无法满足养殖生产的需要。

前期研究结果表明，单独使用过碳酸钠和过碳酰胺两种过氧化物均可有效增加水体的溶解氧，改善底质环境，且最佳使用浓度分别为1.50 mg/L和0.75 mg/L[2-3]，但是对两种过氧化物复合使用效果及使用比例尚无研究报道。

本实验采用不同比例的过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷和吸附剂（沸石粉和膨润土）等多种组分，经合理复配并制成圆柱形颗粒，可迅速沉降于水体底部，通过化学增氧、氧化、化学络合、沉淀、吸附等作用，改善底质环境质量，从而改善养殖生物生存条件，增加养殖环境容量，防止养殖生物病害和突发性死亡，提高养殖生物的产量和质量。本实验研究的底质改良剂集成吸附、络合、增氧等功能于一体，旨在优化不同成分的最佳配比，以期研究出一种具有复合型功能且环保的底质改良剂，为发展高效健康的刺参养殖技术提供依据。

1 材料和方法

1.1 底质改良剂的配置

采用过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷（THPS）和载体（沸石粉和膨润土1∶4的混合物）作为刺参养殖底质改良剂的基础成分，三种成分分别用A成分、B成分、C成分表示，采用3因子3水平正交设计进行实验，比较不同组分底质改良剂的改良效果。按底质改良剂3种成分不同分为9组，各组3种成分比例见表1。三种成分混合均匀后用压片机压制成直径6 mm，质量50 mg的片剂，装袋备用。

1.2 刺参养殖实验

实验所用刺参购于山东青岛田横刺参养殖场，选取健康无病、大小一致（10±0.12 g）的刺参作为实验材料，将其放于圆桶中暂养14 d以适应实验室条件。将暂养后的刺参称重随机分配到30个铺设有5 cm底泥的玻璃钢（50 cm×40 cm×30 cm）中，每缸5头，分为10组，每组3个重复。实验周期为4周，每天10：00投放底质改良剂，16：00投饵一次;不换水，试验期间控制水温15 ℃，盐度31‰～32‰，pH 7.8～8.2，连续微量充氧。

1.3 样品采集、处理和测定

1.3.1 样品采集与处理 实验于第0、7、14、21和28天采集表层0～2 cm底泥样，将采集的底泥样品经德国CHRIST- LYO冷冻干燥器（型号：FD-1C-50）干燥处理后，研磨、粉碎并过100目筛，置于干燥器中暂存[4]。

1.3.2 样品测定 实验采集的底泥样品用2 mol/L的KCl溶液浸提2 h后，離心取上清液测定COD、氨氮、硫化物和亚硝酸盐含量。根据国标GB 17378.4的方法，采用重铬酸钾法、靛酚蓝法、碘量法和萘乙二胺分光光度法分别测定COD、氨氮、硫化物和亚硝酸盐含量。

1.3.3 数据计算与处理 实验前后实验组底泥中COD、氨氮、硫化物和亚硝酸盐与对照组相比的相对变化率（W：%）通过计算1-9号实验组各指标实验前后的变化与对照组实验前后变化的相对百分比表示，计算公式如下：

W=（xEt-xE0-xCt-xC0）xCt-xC0×100%

式中W表示实验组与对照组相比的相对变化率（%）;x表示实验指标，即COD、氨氮、硫化物和亚硝酸盐含量;下标E和C分别表示实验组和对照组;下标t和0分别表示实验后和实验前。

利用统计软件SPSS19.0对数据进行方差分析和正交比较分析，以P<0.05作为差异显著水平。

2 结果

2.1 施用底质改良剂后底泥理化指标的变化

施用底质改良剂后，底泥中COD、氨氮、硫化物和亚硝酸盐含量随时间变化的情况分别如表2至表5所示。由表中可以看出，尽管在实验过程中，因为海参的排泄和残饵的影响，对照组及各实验组的4项指标均呈上升趋势，但是施用底质改良剂的1到9号实验组，各指标相对于对照组的相对变化率均为负值，表明实验组施用底质改良剂各指标上升幅度相对较小，呈相对降低趋势。其中COD（表2）、硫化物（表4）和亚硝酸盐（表5）均在6号实验组的降低幅度最大，获得最好的改良效果;氨氮在5号实验组的降低幅度最大，6号实验组次之（表3）。

2.2 底质改良剂组分筛选与验证

将实验结束后以上四项指标的相对降低率相加汇总，得到底质改良剂对水体和底泥作用的四项指标综合降低率，即为正交实验结果。然后将四项指标综合降低率列于表6进行直观分析。可见对有害指标降低率最高的是第6号实验处理组，即三种成分过碳酰胺、THPS和载体的用量比例为15∶15∶75。根据各实验因子的总和可以看出：A成分含量取15为好（A因素的T2值最高，为413.19），B成分含量取15为好（B因素的T3值最高，为350.50），C成分含量取75为好（C因素的T1值最高，33505），即最优组合是A、B、C三种成分含量比例为15∶15∶75，这与实验直接观察结果一致。比较差值可以看出，A因素R值为61.49，居于第一位，对四项指标的综合降低率影响较大。方差分析结果表明，A因素（过碳酰胺）对有害指标的降低率差异最为显著（P=0031），说明A因素为关键因素，与直观分析结果相符合。研究结果表明，RA>RB>RC，三因素对底质改良影响大小依次为过碳酰胺>THPS>载体。获得底质改良剂的最适配方为过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷及载体含量比例为15∶15∶75，通过方差分析得出底质改良剂中过碳酰胺为主效应因素（P=0.031）。

注：T为因素同一水平之和; X为各水平的平均值;R为各水平平均数的差值。

根据正交试验结果筛选的改良剂组成成分比例进行了三批验证试验，实验结果见表7。结果表明，以第6号实验组的改良剂的四项指标的综合降低率显著高于对照组（P<0.05），结果稳定。

3 讨论

3.1 改良剂的组成成分

在目前市场已有的底质改良剂和前期对过碳酰胺对底质改良情况研究的基础上，本研究以影响刺参健康生长的几个关键底质环境参数作为评价指标，选择过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷、膨润土和沸石粉作为改良剂的基本成分，研发集增氧、络合、吸附为一体的底质改良剂配方。综合分析不同组分的底质改良剂对COD及氨氮、硫化物和亚硝酸盐含量的影响，通过正交实验得到底质改良剂的最优配方为过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷及载体含量比例为15∶15∶75。

3.2 过碳酰胺选择的依据

溶解氧是刺参赖以生存的重要条件之一，是影响刺参养殖池塘水质的核心指标[5]。养殖水体中溶解氧的含量对刺参的生长、生存、肥满度、饵料系数以及底质环境中有害气体的产生都产生显著影响。溶解氧充足时，刺参活动频繁，摄食量大，抗逆能力强，生长速度快[6]。宋宗岩等[6]认为养殖池塘的溶解氧含量需要保持在4～5 mg/L以上，充足的溶解氧有助于刺参养殖水环境的稳定。由此可见，溶解氧是刺参养殖的关键，提高养殖水体溶解氧水平是刺参养殖关键技术[7]。本实验结果发现，本改良劑可以显著降低水体和底泥中有害物质的含量，且过碳酰胺的含量是主效应。说明本改良剂可以减少氨氮、亚硝酸盐等有害物质的含量，降低化学耗氧量，可以有效修复和改善池塘水质和底质。且实验发现含量比例为15的过碳酰胺组合的改良效果比过碳酰胺含量比例为20的组合更好，可能原因是过碳酰胺含量比例15的组合与其含量更高的组合相比缓释效果会更好。因为过碳酰胺含量越高释放氧气量也越大，容易将改良剂颗粒冲散加快过碳酰胺的分解，放氧时间缩短，进而降低改良效果。

3.3 四羟甲基硫酸磷（THPS）选择的依据

养殖环境底泥中的无机硫主要形态为硫酸盐、硫化物和单质硫，其中硫化物含量高低是衡量底质优劣的重要指标[8]。水体和底泥中的硫化物可与养殖对象血液中的血红蛋白结合产生硫血红蛋白，降低其血液的携氧能力;而且由于硫化物的氧化，还能消耗水体中大量的溶解氧[9]。THPS的中心磷原子通过SP3杂化轨道与四个羟甲基相连，形成一个十分稳定的四面体结构。由于磷属于第五主族元素，其半径较大，导致THPS具有较强的极化作用，周围的正电荷增加，所以更容易与养殖池塘底泥中带负电的物质产生静电吸附作用[10]，所以THPS具有很强的络合作用。研究发现，THPS可以吸附底泥中带负电荷的物质，进而提高底泥表层环境的氧化还原电位，Frey等[11]研究表明THPS可以有效抑制水环境中硫还原细菌的生长，Larsen等[12]研究也表明THPS可与底泥中硫化物络合生成可溶性化合物，因此，THPS具有有效降低池塘底泥硫化物水平的功能，提高底质氧化还原电位。除此之外，THPS还具有很好的生物降解性和环境安全性[13];THPS作用之后能被氧化成无杀生活性的低毒的三羟甲基氧化磷（THPO），THPO又易被生物降解为对养殖生物无害的正磷酸盐[14]。

4 结论

本研究基于正交试验设计优化了改良剂成分的比例，即底质改良剂的最适配方为过碳酰胺、四羟甲基硫酸磷及载体含量比例为15∶15∶75，改良剂可提高水体中氮磷比，且底质改良剂中过碳酰胺为主效应因素。

参考文献：

[1] 曹英伟，陈霞，魏文燕，等.渔用水质底质改良剂的研究现状及开发前景[J].河南水产，2012（2）：41-42.

[2] 邵长清，高勤峰，董双林，等.不同浓度的过碳酰胺对刺参生长及养殖底质环境的影响[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2017，47（8）：51-57.

[3] 邵长清，高勤峰，董双林，等.过碳酸钠对刺参养殖底质改良和生长效果的研究[J].海洋湖沼通报，2018（4）：126-132.

[4] 张彬.三峡水库消落带土壤有机质、氮、磷分布特征及通量研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[5] 张金宗.池塘水中的溶解氧作用及增氧方法[J].内陆水产，2006（3）：11-12.

[6] 宋宗岩.刺参养殖与溶解氧的关系分析[J].水产养殖，2009（12）：15-16.

[7] 娄清香，韩丽君.过氧化氢调控养殖水环境理化因子的研究[J].海洋科学，1996（4）：18-20.

[8] 彭斌.虾贝混养池塘养殖环境中底质硫化物的研究[J].现代农业科技，2008（9）：172-174.

[9] 阮金山，陈碧霞，钟硕良，等.水质、底质改良剂在虾池的应用研究[J].福建水产，1994（1）：8-12.

[10] 许力，董文魁，仲金魁，等.环保型杀生剂THPS在水处理中的应用[J].甘肃科技，2004（7）：54--55.

[11] FREY R.Award-winning biocides are lean，mean and green[J].Todays Chemist at Work，1998.7（6）：34-35.

[12] TALBOT R E，LARSEN L，SANDERS P F，et al.Experience with the use of Tetrakis hydroxymethyl phosphonium sulfate （THPS） for the control of downhole hydrogen sulfide[C].Orlando：NACE International，2000：123.

[13] FATHIMA N N，CHANDRABOSE M，ARANVINDHAN R，et al.Iron-phosphonium combination tanning：Towards a win-win approach[J].Journal of the American Leather Chemists Association，2005，100（7）：273-281.

[14] 辛青.THPS绿色性能的评价[D].武汉：武汉大学，2005.