饲料溶失对养殖水质的影响及其处置技术

许元钊，张春梅，毕永红，贺文芳，徐勇斌，李明

（1.大连海洋大学，辽宁 大连 116023；2.中国科学院水生生物研究所，淡水生态与生物技术国家重点试验室，湖北 武汉 430072；3.金华市水产技术推广站，浙江 金华 321017）

集约化水产养殖对水生态环境的负面影响备受关注。饲料的过度投喂被认为是养殖水域富营养化和水体污染的重要原因：残饵浪费资源，其中氮、磷溶失导致水质恶化[1]；水溶性有机物、营养盐迅速释放进入水中增加水体的营养负荷，不溶性的剩余饲料在微生物作用下发酵腐烂释放出各种影响水质的物质，共同构成水质污染，加剧水体富营养态势[2]。

养殖水体的氮、磷排放和积累量是评价饲料氮、磷利用率、养殖水平及养殖模式的重要指标，也是环境污染和病害流行的重要原因之一[3]；残饵、饵料溶失及其代谢产物的低降解率与积累是水产养殖生态环境失稳的主要原因[4]；集约化养殖水体密度大、投饵量多，较低密度养殖水体更容易恶化。换水是养殖管理中常见的改善养殖环境的措施，这使得毗邻养殖水域受到养殖废水排放的影响[2]，可导致水体中浮游生物大量繁殖，水中氧溶量降低，产生多种毒素，严重者产生水华或赤潮，危害生态环境[5-8]。目前对于养殖废水及其生态环境影响的关注越来越高，但关于养殖废水污染成因的研究尚不多见。

要求对养殖废水深度处置后达标排放的呼声越来越高；利用微藻处理水产养殖废水，可以净化水体，又可以获得水产动物的绿色饵料，促进养殖业的可持续发展[9]，既可以实现养殖废水的减排，又可以变废为宝，探讨废物的资源化利用。如水体中不同形式的磷对普通小球藻生长的生物有效利用性[10]；培养微藻降低猪粪厌氧发酵废水沼液对环境的污染[11]；利用从养殖污水中分离的蛋白核小球藻Chlorella pyrenoidesa 处理养鸭厂污水，发现小球藻对养殖污水的处理有很好效果[12]。有人将不同浓度小球藻接种到草金鱼Goldfish 的养殖废水中，通过定期检测水体水质指标，确认了小球藻对养殖水体的净化能力[13]。尽管诸多研究已经确认了小球藻在养殖废水处置中的作用，但小球藻生长对残饵引起的营养释放的直接净化效果目前尚无直接的证据。

综上所述，为确认残饵对水质的具体影响以及小球藻对残饵释放营养的吸收利用，本研究通过对比分析残饵恶化水质的具体效应，确认索罗金小球藻对饲料释放营养的净化效果，以期为养殖水环境的管理以及养殖尾水处置提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

所用饲料选取江汉平原水产养殖户常用的配合饲料，分别命名为HD、ZY 与FL，主要原料皆为鱼粉、豆粕、小麦、氨基酸、维生素、矿物质等，粗蛋白含量≥28%。实验用水为实验室纯净水和洪湖养殖原水。实验接种用的小球藻来源于从野外环境中分离纯化编号为GL6-2 的索罗金小球藻Chlorella sorokiniana，接种时用纯净水清洗3 次离心除去藻种中含有的营养盐。

1.2 方法

饲料投入量依据实际生产的具体情况来定，每种饲料设置3 个平行，3 个空白对照。试验分为2 个阶段：第1 阶段，1.0g 饲料加入2.0L 蒸馏水和过滤的养殖水中，浸泡96h，0h、1h、4h、8h、12h、24h、36h、48h、72h 和96h 采样测定水体中的氮磷含量[14]；用移液枪取各组表层处理液10mL，用0.45μm 滤膜过滤后，参照《水和废水监测分析方法（第4 版）》测定滤液中氮磷含量[15]。探究饲料在水体中释放营养的情况。

第2 阶段，将小球藻接种到通过1.2μm 滤膜过滤的第1 阶段处理液中，考察小球藻去除氮磷及有毒物质的能力。接种小球藻的OD680为2.0，接种量为50mL，光暗比为12∶12，培养光强为（45±5）μmol·m-2s-1，分别在0d、1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、8d取样测定OD680以及水体的氮磷含量等指标[14]。

试验在光照培养箱中进行，温度为（25±0.5）℃，每个容器均处于密封状态。

硝酸盐含量采样分光光度法测定，氨态氮含量采用水杨酸分光光度法测定，亚硝酸盐含量采用N-（1-萘基）一乙二胺光度法测定，磷酸盐含量采用钼酸铵分光光度法测定。

1.3 数据统计分析方法

通过测定不同浓度梯度的小球藻+处理液稀释液的光密度和小球藻细胞密度及平均直径，换算得到小球藻生物量与光密度（OD680）间的关系：生物量（g/L）=4.7639×OD680-0.0235，R2=0.9951。小球藻降低处理组水体中氮磷含量的能力用氮磷去除率表示[14]：去除率（%）=（1-处理后氮磷含量/处理前氮磷含量）×100%。

用Microsoft Excel 2013 计算试验数据的平均值和标准误，并制作折线图。利用SPSS 19.0 进行数据分析。用单因素方差分析方法（one-way ANOVA）和LSD 多重比较分析不同处理间的显著性。当P＜0.05，各组间数据差异显著，当P＜0.01，各组间数据差异极显著，当P＞0.05，各组间数据差异不显著。

表1 96h 时各组水体中硝酸盐、铵态氮以及亚硝酸盐含量Tab.1 Contents of nitrate,ammonium nitrogen and nitrite in distilled water and aquaculture water in each group at 96 h/mg·L-1

2 结果与分析

2.1 饲料氮的释放

3 种饲料在投入两类水体后，水体硝态氮、铵态氮以及亚硝态氮浓度变化规律基本一致，均呈逐渐升高的趋势，对照组中无显著变化（P＞0.05）（图1）；其中硝态氮和铵态氮的浓度在0～24h 内增加较慢，24～96h 时增加迅速，而亚硝态氮浓度在0～48h 内增加较缓，在48～96h 时增加迅速。

在96h 时，各组水体中硝酸盐、铵态氮以及亚硝态氮含量均显著高于对照组（P＜0.05）（表1），其中FL 饲料组的释放量最大，96h 时两种水体中硝酸盐的含量分别为（0.978±0.339）mg/L 与（1.577±0.339）mg/L，铵态氮为（1.068±0.142）mg/L与（1.679±0.722）mg/L，亚硝酸盐均为（0.040±0.006）mg/L。HD与ZY 两组释放水平基本一致（P＞0.05）。

2.2 饲料磷的释放

3 种饲料投入两类水体后，水体磷酸盐含量快速和匀速升高（图2）。蒸馏水组中，磷酸盐平均含量增至1.012mg/L，平均增加速率为0.010mg/（L·h）；养殖水组中，磷酸盐平均含量从（0.007±0.001）mg/L增至（1.747±0.224）mg/L，平均增加了1.740mg/L，平均增加速率为0.018mg/（L·h），增加速度是蒸馏水组的1.8 倍。对照组水体中磷酸盐含量基本无变化。在96h 时，各组水体中磷酸盐含量均显著高于对照组（P＜0.01）（表2）。

2.3 接种小球藻后水体中氮含量的变化

接种小球藻后，水体中硝酸盐和铵态氮含量随培养时间的延长而降低，亚硝酸盐含量试验前后基本无变化（图3）。两个处理组硝酸盐、铵态氮含量降低趋势基本一致，前3d 下降较快，后5d 下降较慢。蒸馏水处理组中亚硝酸盐含量前4d 有所升高，后4d 缓慢降低，养殖水处理组试验过程中亚硝酸盐含量基本无变化。

表2 96h 时各组水体中磷酸盐含量Tab.2 Phosphate contents in water of each group at 96 h

表3 试验前后各组水体中硝酸盐和铵态氮含量Tab.3 Contents of nitrate and ammonium nitrogen in water of each group before and after treatment the experiment

在试验结束时，各组水体中硝酸盐、铵态氮含量均显著低于对照组（P＜0.01）（表3）。

蒸馏水处理组中硝酸盐含量平均降低了0.648 mg/L，平均下降速率为0.081 mg/（L·d），铵态氮平均降低了1.535 mg/L，降低速率为0.192 mg/（L·d）。养殖水处理组中硝酸盐含量平均降低了1.257 mg/L，平均下降速率为0.157 mg/（L·d），是蒸馏水组的1.94倍，铵态氮平均降低了0.595 mg/L，降低速率为0.074 mg/（L·d），是蒸馏水组的0.385 倍。对照组的硝酸盐含量分别从1.040 mg/L 降至0.934 mg/L 和1.513 mg/L 增至2.062 mg/L，铵态氮含量试验前后基本无变化。

2.4 接种小球藻后磷含量变化

表4 试验前后各组水体中磷酸盐含量Tab.4 Phosphate contents in the water in various groups before and after the treatment

水体中磷酸盐含量随接种小球藻后的时间延长而显著降低（图4），试验结束时，各组水体中磷酸盐含量均显著低于对照组（P＜0.01）（表4）。

两个处理组磷酸盐含量降低趋势基本一致，0～3d 下降较快，5～8d 下降较慢。蒸馏水处理组中，磷酸盐含量平均降低了0.988 mg/L，下降速率为0.124 mg/（L·d）。养殖水组中，HD 和FL 组磷酸盐含量先降低后升高再降低，ZY 组持续降低，三个饲料组总体水平上降低了1.120 mg/L，平均下降速率为0.140 mg/（L·d）。对照组磷酸盐含量试验前后基本无变化，蒸馏水处理组中从1.969 mg/L 微降至1.783 mg/L，养殖水组从1.690 mg/L 升至1.803 mg/L。

2.5 小球藻的生长

小球藻接种到两个处理组后，在处理液中生长繁殖（图5）。蒸馏水处理组小球藻OD680从接种时的（0.101±0.004）增至（0.548±0.099），增了0.446，日增殖速率为0.056。养殖水组OD680从（0.104±0.002）增至（0.758±0.131），增加了0.654，日增值速率为0.082。

试验结束时，蒸馏水处理组中小球藻的生物量平均增加了2.126 g/L，养殖水处理组平均增加了3.115 g/L。

2.6 水体氮磷的去除

接种小球藻7d 后，蒸馏水处理组中硝酸盐含量从（0.841±0.199）mg/L 降至（0.193±0.062）mg/L，降低了0.648 mg/L，去除率为77%；磷酸盐含量从（1.589±0.306）mg/L 降至（0.601±0.223）mg/L，降低了0.988 mg/L，去除率为62%。养殖水处理组中硝酸盐含量从（1.513±0.236）mg/L 降至（0.256±0.055）mg/L，降低了1.257 mg/L，去除率为83%；磷酸盐含量从（1.985±0.362）mg/L 降至（0.865±0.306）mg/L，降低了1.120 mg/L，去除率为56%（表6）。

表5 小球藻在蒸馏水和养殖水处理组中的生物量Tab.5 Biomass of green alga Chlorella in distillate water and cultured water in the treatment groups/mg·L-1

表6 蒸馏水处理组和养殖水处理组中氮磷去除情况Tab.6 Nitrogen and phosphorus removal rates in distilled water treatment groups and culture water treatment groups

表7 蒸馏水处理组和养殖原水处理组中铵态氮和亚硝酸盐去除情况Tab.7 Removal rates of ammonium nitrogen and nitrite in water in distilled water treatment groups and aquaculture water treatment groups

小球藻有较好的去除铵态氮能力，接种小球藻7d 后，蒸馏水处理组中铵态氮含量总体水平上从（1.659±0.532）mg/L 降低至（0.124±0.043）mg/L，减少了1.535mg/L，去除率为92%；养殖水处理组中铵态氮含量总体上从（0.668±0.139）mg/L 降至（0.073±0.019）mg/L，减少了0.595mg/L，去除率为89%。蒸馏水处理组中亚硝酸盐含量在小球藻接种培养7d 后从（0.034±0.004）mg/L 升至（0.062±0.030）mg/L，增加了0.028 mg/L；养殖水组中从（0.024±0.007）mg/L 微降至（0.023±0.011）mg/L，去除率几乎为零（表7）。

3 讨论

3.1 饲料对水质的影响

饲料投入水中后，一部分被水产动物摄食，另一部分在水流冲击和浸泡下，其有机组分在细菌作用下分解成无机物，无机组分中的氮磷等营养盐缓慢释放到水中[16]。在水产养殖中投放的饲料所含的氮、磷仅有5.8%～21.7%和4%～8%被水生动物同化，其余排入水中或沉积在池底，残余饵料和鱼虾等排泄物则成为水产养殖水中的主要污染物[17]。

实验发现，随着浸泡时间的延长，饲料粗蛋白逐渐下降，而水体总氨氮和总磷浓度逐渐升高：在25℃下浸泡24 h，水体中的总氨氮浓度达到0.590mg/L，总磷含量达到1.271mg/L[2]。4 种商品微颗粒饲料浸泡中营养物质的溶失、浸泡液中有机氮及有机磷含量的差异对比表明，微颗粒饲料很快溶失入水中，浸泡液中溶解有机氮（DON）、溶解有机磷（DOP）迅速升高；各种饲料浸泡液中无机氮主要以NO3--N 形式存在[18]。

本试验第1 阶段结束时，3 种饲料处理水体中硝酸盐平均含量已高达1.465 mg/L，磷酸盐含量高达1.747 mg/L，远超出《地表水环境质量标准》（GB 383—2002）所规定的限量。

测定发现，鲍Abalone 饲料浸泡水中氨氮含量随饲料的浸泡时间增加而升高[19]。本试验进行4h时，蒸馏水处理组中ZY 组和FL 组铵态氮含量已达到0.299 mg/L 和0.461 mg/L，养殖水的FL 组也高达0.326 mg/L；96h 时，蒸馏水处理组中铵态氮含量平均为1.200 mg/L，养殖水中为0.761 mg/L。过高的铵态氮会损害水生生物的重要器官，抑制其生长发育，甚至造成死亡。我国《渔业水质标准》中规定的铵态氮安全范围为≤0.2 mg/L[20]。本试验水体中铵态氮含量已超过了大部分甲壳动物氨态氮的耐受范围（≤0.5 mg/L）[20]。

在水中溶解氧的作用下，铵态氮被氧化成硝态氮，亚硝酸盐是氧化过程的中间产物，养殖水体中的亚硝酸盐对水生动物具有较强的毒性[21]。试验过程中，水体中亚硝酸盐含量一直处于较低水平，最高仅为0.046mg/L，在《渔业水质标准》规定的安全范围≤0.1 mg/L 内。

3 种饲料在蒸馏水中硝态氮和磷酸盐释放速率分别为0.008 mg/（L·h）和0.010 mg/（L·h），在养殖水中分别为0.015 mg/（L·h）和0.018mg/（L·h），释放速率是蒸馏水组的近两倍。饲料在养殖水中营养物质释放更快。影响水体中有机质氮磷释放的环境因素，如温度、扰动等在本试验中没有较大幅度的波动，对氮磷释放起关键作用的是微生物。与蒸馏水相比，养殖水中含有大量的微生物。微生物会加速水体中有机质的降解和营养盐的释放，且微生物量与水体中氮磷释放均存在极显著的相关性[22]。在静止培养环境条件下，由于水有机物界面处的交换作用强度较大，微生物的活动得到加强，营养物质在微生物的作用下促进了含氮和含磷物质的迅速矿化，使无机态营养盐浓度升高[23]。

3.2 小球藻对水质的净化

在光照条件下，藻类以CO2或有机碳为碳源，主动消耗水中的氮磷营养物质以满足自身生长的需要，同时释放氧气，增加水体中的溶解氧含量，提高水体质量，减轻富营养化状况[24，25]。小球藻利用光能将污染物变废为宝，实现了废弃物资源化利用[26]。本试验在接种小球藻后，水体中的硝酸盐、磷酸盐含量都显著降低。蒸馏水处理组中的硝酸盐平均含量从0.841 mg/L 降低至0.193 mg/L，磷酸盐从1.589 mg/L 降低至0.601 mg/L，去除率分别为77%和62%。养殖水组中硝酸盐从1.513 mg/L 降至0.256 mg/L，磷酸盐从1.608 mg/L 降至0.599 mg/L，去除率分别为83%和56%。小球藻良好的脱氮除磷能力在由饲料引起的高氮磷含量的养殖污水中同样适用。

蛋白核小球藻在高铵态氮质量浓度水体下更能发挥其吸收氨氮和亚硝态氮能力，随着水体中铵态氮质量浓度增高，蛋白核小球藻对其的去除率逐渐增大[26]。本实验中两个处理组水体中铵态氮含量（浓度）显著降低。蒸馏水处理组中铵态氮平均含量从1.659 mg/L 降低至0.124 mg/L，养殖水组中铵态氮从0.668 mg/L 降低至0.073 mg/L，去除率分别为92%和89%，表明小球藻对受残饵污染的水体具有较好的净化效果。

小球藻生长过程中对氮（硝态氮与铵态氮）的吸收量远大于磷（磷酸盐），这是因为小球藻对氮源的需求较大，仅次于碳源[27]。

本试验过程中，两个处理中亚硝酸盐平均含量变化很小（P＞0.05）。蒸馏水中，亚硝酸盐从（0.034±0.004）mg/L 增至（0.062±0.030）mg/L，平均增加了0.028 mg/L。养殖水中，从（0.024±0.007）mg/L 微降至（0.023±0.011）mg/L。这可能是小球藻的生物量达到一定密度时，营养物质消耗量与水中能提供的量刚好处于短期的平衡，小球藻生长繁殖较好；小球藻密度继续增大时，营养物质等供不应求，小球藻的生长繁殖受阻，其吸收利用水体亚硝酸盐氮的作用无明显变化[13]。

试验结束时，两个处理组中小球藻的生物量都有所增加，蒸馏水组每升水体增加了2.126g，养殖水组每升水体增加了3.115g，试验利用小球藻除去水体中氮磷等营养盐的同时，得到一定生物量的小球藻。

3.3 结论

饲料较长时间地浸泡会造成水体中硝酸盐、磷酸盐等营养盐含量迅速升高，铵态氮等有害物质会积累增加。索罗金小球藻能较好净化饵料投入的劣质水体。利用索罗金小球藻除去水体中氮磷等营养盐的同时，可获取一定生物量的小球藻。