2023, Vol. 47
文章信息
- 胡朋朋, 宋浩, 杨美洁, 李金泽, 王雪刚, 张涛. 2023.
- HU Peng-peng, SONG Hao, YANG Mei-jie, LI Jin-ze, WANG Xue-gang, ZHANG Tao. 2023.
- 基于硬壳蛤的大菱鲆养殖尾水资源化利用研究
- Resource utilization of tailwater in the cultivation of the Scophthalmus maximus based on Mercenaria mercenaria
- 海洋科学, 47(11): 57-65
- Marine Sciences, 47(11): 57-65.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20230328001
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文章历史
- 收稿日期：2023-03-28
- 修回日期：2023-05-08
2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室 山东 青岛 266237;
3. 中国科学院海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院海洋牧场工程实验室, 山东 青岛 266071;
5. 中国科学院大学 北京 100049;
6. 山东省实验海洋生物学重点实验室, 山东 青岛 266071;
7. 山东得和水产养殖有限公司, 山东 潍坊 261000
2. Laboratory for Marine Ecology and Environmental Science, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China;
3. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
4. CAS Engineering Laboratory for Marine Ranching, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China;
5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
6. Shandong Province Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Qingdao 266071, China;
7. Shandong Dehe Aquaculture Co. LTD, Weifang 261000, China
我国是水产养殖大国, 海水养殖规模大, 海水养殖区多位于相对封闭、平静、狭长的海湾地带或工厂集约化池塘养殖, 高度集中的养殖区降低了不同水体的交换性, 水体中污染物难以及时稀释扩散, 水体自身净化能力差[1-2]。尾水如不经处理直接排放导致养殖区有机质、氮、磷等物质长期积累[3], 易引起水体富营养化, 造成严重水域污染, 诱发暴发性赤潮和污染事件[4]。2020年发布的第二次全国污染源普查公报显示水产养殖水污染物排放量中化学需氧量66.60万吨, 氨氮2.23万吨, 总氮9.91万吨, 总磷1.61万吨; 水产养殖业单位水产品, 养殖产量的排污强度分别为: 化学需氧量13.6 kg/t、氨氮0.45 kg/t、总氮2.02 kg/t、总磷0.33 kg/t。解决养殖尾水中大量的氮磷排放造成水体富营养化问题是维持海水养殖产业可持续发展的重要因素[5]。
传统治理的物理、化学等方法治理成本和局限性高[6]。目前应用较广的养殖尾水生态净化方法如水生植物法, 微生物修复法和人工湿地法多用于淡水池塘养殖模式, 其净化能力因海水的高盐特性而降低。植物修复法修复过程缓慢, 水生植物法对高污染负荷水体修复效果不佳[7]。微生物通常只针对特定物质, 但养殖尾水污染物组成复杂, 且传统尾水处理应用的微生物不适宜海水高盐环境[8-9]。人工湿地系统能有效去除养殖尾水中生化需氧量及氮磷, 兼具生态价值和美学价值, 但维护成本高且占地面积广。高盐度条件下, 人工湿地净化机制尚不清楚, 海水养殖尾水中的高盐会抑制植物、微生物的功能, 降低人工湿地的净化性能[10-11]。对于集中连片的、高密度集约化养殖区域, 需要建立多级人工湿地、生态池塘, 依靠植物与微生物治理难度大, 引入贝类等滤水能力强的水生动物有望改善这一问题。
大菱鲆(S. maximus)是我国北方工厂化海水养殖的重要经济物种, 集约化程度高, 养殖密度大, 养殖过程中投饵量大, 换水频率高, 排水量大且稳定, 最适养殖温度14~17 ℃, 盐度为25~35, 可以为贝类生长提供较为稳定的水源。贝类具有良好的过滤和富集能力, 通过其滤水作用, 可吸收尾水中的微藻和悬浮有机颗粒供其自身生长发育, 还可通过生物扰动作用改变沉积物/水界面的物质交换, 进而改变水生态系统环境[12-13]。我国沿海地区已经研究开始利用贝类来对水体进行修复, 防止水体富营养化[14]。通过利用食物链、食物网中各种生物的相互依存关系来进行生态养殖, 可以实现环境保护和经济增长的双赢局面[15]。
硬壳蛤(M. mercenaria)属于软体动物门Mollousca、双壳纲Bivalvia, 是埋栖型双壳贝类, 属广温广盐性物种, 抗逆性强, 耐低氧。硬壳蛤通过摄食尾水中的微藻、微生物和悬浮有机颗粒供自身生长发育, 促进生态系统的能量流动和物质循环, 实现养殖尾水的资源化利用, 兼顾生态效益和经济效益。
1 材料与方法 1.1 采样站点布设实验地点位于山东潍坊市昌邑大菱鲆工厂化养殖厂, 设置室内室外两个养殖尾水监测点, 养殖车间进水作为对照组, 分别在进水口(J)和排水口(W)采集水样。选择4个区域开展硬壳蛤养殖实验, A为水质状况良好的贝类养殖池塘, 也是本实验贝类暂养池塘; B为壳长1 cm硬壳蛤稚贝养区; C为壳长2 cm硬壳蛤稚贝养殖区; D为大菱鲆尾水池。
1.2 水质监测 1.2.1 取样时间室内在大菱鲆养殖车间排水时取样(7: 00、18: 00各一次), 室外站点取样时间设置为大菱鲆车间两次排水的中间水流平缓时段进行。共采样3次, 每个采样点3个重复。
1.2.2 样品采集与保存进排水口取样在换水时段养殖尾水冲洗管道以后采集中段尾水样品, 室外站点取约0.2 m深表层海水, 每个样品取4 L, 装入包裹铝箔的白色聚乙烯容器中。严格按照《GB 17378.3—2007海洋监测规范第3部分: 样品采集、贮存与运输》[16]的内容进行水样的采集、保存和运输。
1.2.3 检测内容与方法以生态环境部拟发布实施的《海水养殖尾水排放标准》草案为参考, 选择测定指标分别为化学需氧量(COD)、亚硝酸盐(NO2−)、硝酸盐(NO3−)、氨氮(NH4+)、活性磷酸盐(PO43−)、总磷(TP)、总氮(TN)、悬浮物(TSS), 无机氮(TIN)。海水养殖区排放尾水执行二级排水标准。
水质测定方法参照《GB 17378.4—2007海洋监测规范第4部分: 海水分析》[17]和《HY/T 147.1—2013海洋监测技术规程第一部分: 海水》[18], COD采用碱性高锰酸钾法(GB 17378.4—2007), NO2−-N采用萘乙二胺分光光度法(GB 17378.4—2007), NO3−-N采用锌-镉还原法(GB 17378.4—2007), NH4+-N采用靛酚蓝分光光度法(GB 17378.4—2007), TIN为NO2−-N、NO3−-N、NH4+-N之和, PO43−-P采用抗坏血酸还原的磷钼蓝法(GB 17378.4—2007)[17], TP-P采用过硫酸钾氧化法(GB 17378.4—2007)[17], TN-N采用过硫酸钾氧化法(HY/T 147.1—2013)[18], TSS采用重量法(GB 17378.4—2007)[17]。
1.2.4 污染水平评估单因子污染指数法是将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较以确定水质类别的方法, 其计算公式如式1所示[19]。用Pi值来表征沉积物中单个污染物的污染程度, Pi < 1为低污染, 符合二级排放标准; 3 > Pi≥1为中污染; 6 > Pi≥3为高污染; Pi≥6为重污染。以单因子污染指数法评估各项指标污染程度, 可确定水体中的主要污染因子。
单因子污染指数的计算公式为:
| $ {P_i} = \frac{{{D_i}}}{{E{S_i}}} $ | (1) |
式中:
Pi是指该污染物的污染指数;
Di是指该污染物的实测浓度值的平均值, 单位mg/L;
ESi是指该污染物的允许排放限值, 单位mg/L。
1.2.5 营养水平评价利用潜在性富营养化评估模式评估养殖尾水营养水平[20-21], 结合标准中氮磷排放要求, 分析养殖尾水和贝类池塘的营养水平。采用如表 1所示潜在富营养化的营养分级模式, 评价海域营养盐营养特征。
| 等级 | 营养级 | TIN质量浓度/(mg·L−1) | IP质量浓度/(mg·L−1) | N/P |
| Ⅰ | 贫营养 | < 0.2 | < 0.03 | 8~30 |
| Ⅱ | 中等营养 | 0.2~0.3 | 0.03~0.045 | 8~30 |
| Ⅲ | 富营养 | > 0.3 | > 0.045 | 8~30 |
| ⅣP | 磷限制中等营养 | 0.2~0.3 | — | > 30 |
| ⅤP | 磷中等限制潜在性富营养 | > 0.3 | — | 30~60 |
| ⅥP | 磷限制潜在性富营养 | > 0.3 | — | > 60 |
| ⅣN | 氮限制中等营养 | — | 0.03~0.045 | < 8 |
| ⅤN | 氮中等限制潜在性富营养 | — | > 0.045 | 4~8 |
| ⅥN | 氮限制潜在性富营养 | — | > 0.045 | < 4 |
| 注: “—”表示没有数据, 余同 | ||||
实验所用硬壳蛤分别为B池塘1 cm稚贝、C池塘2 cm稚贝、取自天津的3 cm和5 cm成贝, 每种规格各取400只于A池塘暂养, 分为A、B、C、D四组, 每组每种规格随机选取50个硬壳蛤编号并贴上标签, 而后分别测定其壳长、壳高、壳宽和湿重, 于9月14日分别放入A、B、C、D四个区域。于10月14日取出计算存活率, 测定标签组硬壳蛤生长数据, 对比分析其生长情况。依据硬壳蛤30 d内生长量, 选择硬壳蛤生长效果最好的贝类池塘与大菱鲆尾水池塘继续养殖对应组别硬壳蛤, 于次年2月测量其壳高和湿重, 进行差异显著性分析。
1.3.2 数据测量使用精确度为0.01 mm的电子游标卡尺测量硬壳蛤的壳长、壳宽和壳高, 使用精确度为0.01 g的电子天平称量湿重。成活率为10月14日回收硬壳蛤活体数量与回收总数量之比。
1.4 数据分析方法采用Excel 2019和SPSS 25.0软件进行数据处理与分析, 使用Prism 9.0.0软件作图。通过单因素方差分析和多重比较对各项数据和拟定二级排放标准对水样数据进行显著性分析, P < 0.05为差异显著。通过嵌套分析和直方图对生长数据进行分析。
2 结果与分析 2.1 大菱鲆养殖尾水污染特征 2.1.1 实验结果依照1.2.3各指标检测方法测得大菱鲆养殖进水(J)、排水(W)、尾水池塘(S)和贝类池塘中NH4+、NO2−、NO3−、TIN、TN、COD、PO43−、TP、TSS含量如图 1所示。贝类池塘各项指标均低于二级排放标准, 大菱鲆养殖尾水中TIN和PO43−均显著高于二级排放标准, TP和TSS存在超出排放标准的风险。
 |
| 图 1 水样测定结果 Fig. 1 Water sample test results in each group 注: NH4+、NO2−、NO3−、TIN图中ES均为TIN二级排放标准, 其余各图ES均为纵轴指标所对应的二级排放标准, J为大菱鲆车间进水口水样, W大菱鲆车间排水口水样, M为贝类池塘水样; S为大室外菱鲆尾水池塘水样; 不同小写字母表示各个阶段之间存在显著性差异, P < 0.05 |
如图 1所示, 贝类池塘无机氮含量显著低于二级排放标准(P < 0.05)。进水(J)和排水(W)无机氮组成均是以NO3−为主, 尾水中NO2−含量显著升高(P < 0.05), NO3−和NH4+含量也有增加, 但其差异不显著(P > 0.05), 尾水排入室外尾水池塘(S)后, NH4+含量显著升高(P < 0.05), NO3−含量显著降低(P < 0.05), NO2−无明显变化, 其无机氮总量未出现明显变化, 但硝态氮和氨态氮比例出现明显改变, 此时, 硝态氮和氨态氮含量基本持平, 大菱鲆养殖使水体TN含量显著增加(P < 0.05), 尾水排入室外池塘(S)后, TN含量明显降低, 塘中TN含量虽然仍高于进水(J), 但差异不显著(P > 0.05), 所有实验组TN均低于二级排放标准。
如图 1所示, 大菱鲆养殖各阶段PO43−含量均显著高于二级排放标准(P < 0.05), 贝类池塘(M)中PO43−低于二级排放标准。大菱鲆养殖过后, 水体PO43−含量明显升高, 但并未达到显著水平(P > 0.05)。在大菱鲆尾水排入室外尾水池塘(S)后, PO43−含量仍是呈现明显上升趋势, 且差异达到显著水平(P < 0.05)。TP测定结果显示, 贝类池塘(M)和进水(J)TP含量显著低于为二级排放标准(P < 0.05), 排水(W)和尾水池塘(S)低于二级排放标准, 但其差异不显著; 室内养殖造成水体TP含量上升, 在排放到室外尾水池塘后, TP含量降低, 但其差异均不显著(P > 0.05)。
实验中以COD来表征水体有机物量。结果表明, 所有实验组COD均显著低于二级排放标注(P < 0.05)。贝类池塘水体COD显著高于大菱鲆养殖进水和尾水; COD在大菱鲆养殖过程中的增长并不显著(P > 0.05), 而在进入尾水池后显著升高(P < 0.05)。
如图 1所示, 贝类池塘(M)和进水(J)中TSS含量显著低于为二级排放标准(P < 0.05); 排水(W)和尾水池塘(S)中TSS同样低于二级排放标准, 但其差异不显著; 大菱鲆养殖使得水体中TSS显著增长(P < 0.05), 在排放到室外后, TSS含量降低, 但其差异不显著(P > 0.05)。
2.1.2 大菱鲆养殖尾水污染水平大菱鲆工厂化养殖室内进水口(J)、室内排水口(W)和尾水池塘(S)中单因子污染指数, 分别记为PJi、PWi、PSi, 其计算结果如表 2所示。计算结果表明养殖尾水中主要污染物为以硝态氮为主的无机氮和活性磷酸盐, 排水口(W)和尾水池塘(S)无机氮均处于中度污染(PWTIN=1.967, PSTIN=1.955), 且二者污染程度基本相同; 排水口(W)和尾水池塘(S)活性磷酸盐污染均处于高污染范围内(PWIP=3.297, PSIP=5.667), 相对于室内排水口(W), 尾水池塘(S)污染程度更高。
| 检测指标 | PJi | PWi | PSi |
| COD | 0.034 | 0.089 | 0.200 |
| NO2−-N | 0.103 | 0.202 | 0.933 |
| NO3−-N | 1.158 | 1.448 | 0.688 |
| NH4+-N | 0.147 | 0.317 | 0.333 |
| TIN-N | 1.407 | 1.967 | 1.955 |
| PO43−-P | 1.063 | 3.297 | 5.667 |
| TP-P | 0.294 | 0.563 | 0.451 |
| TN-N | 0.539 | 0.686 | 0.577 |
| TSS | 0.181 | 0.562 | 0.384 |
分别计算各站点富营养化指数(E)值和N/P, 如表 3所示, 表中各值均为平均值。
| 站位 | TIN质量浓度/(mg·L–1) | PO43−-P质量浓度/(mg·L–1) | N/P | 潜在富营养化等级 |
| A | 0.14 | 0.017 | 18 | Ⅰ |
| B | 0.12 | 0.024 | 11 | Ⅰ |
| C | 0.30 | 0.026 | 26 | Ⅰ |
| WN | 2.01 | 0.130 | 34 | Ⅲ |
| WZ | 1.92 | 0.200 | 21 | Ⅲ |
| D | 1.95 | 0.283 | 15 | Ⅲ |
由TIN、PO43−-P质量浓度和N/P分析可知, 大菱鲆养殖尾水在经过D区植物吸收和微生物分解等过程后, 其TIN质量浓度无明显变化, PO43−质量浓度显著升高, 因此N/P明显降低。
2.3 硬壳蛤生长情况于2022年10月14日将放入池塘的硬壳蛤取出, 统计可知, 共投入4个区域16小组1 600个硬壳蛤, 编号标记数量为800个, 共回收硬壳蛤14组, 总回收数量, 总死亡个数, 总存活率, 各组存活率如表 4所示。
| 分组 | 投放数量/个 | 回收数量/个 | 死亡数量/个 | 存活率/% | |
| A区 | 1 cm | 100 | 82 | 3 | 96 |
| 2 cm | 100 | 84 | 2 | 98 | |
| 3 cm | 100 | 91 | 0 | 100 | |
| 5 cm | 100 | 97 | 0 | 100 | |
| B区 | 1 cm | 100 | 93 | 2 | 98 |
| 2 cm | 100 | — | — | — | |
| 3 cm | 100 | — | — | — | |
| 5 cm | 100 | 95 | 0 | 100 | |
| C区 | 1 cm | 100 | 88 | 1 | 99 |
| 2 cm | 100 | 97 | 2 | 98 | |
| 3 cm | 100 | 85 | 1 | 99 | |
| 5 cm | 100 | 82 | 1 | 99 | |
| D区 | 1 cm | 100 | 82 | 2 | 98 |
| 2 cm | 100 | 94 | 0 | 100 | |
| 3 cm | 100 | 87 | 0 | 100 | |
| 5 cm | 100 | 95 | 1 | 99 |
计算死亡率, 对编号硬壳蛤再次测定壳长、壳高、壳宽和湿重。
2.3.1 存活率10月14日回收数量和死亡率如表 4所示, 各实验组硬壳蛤存活率均在95%以上。
2.3.2 生长情况对比分析9月14日和10月14日各项指标差异情况, 计算其壳长、壳宽、壳高和湿重生长量, 计算结果如图 2所示。
 |
| 图 2 硬壳蛤30 d内生长量 Fig. 2 Growth of Mercenaria mercenaria in 30 days 注: A~C普通贝类池塘; D为大菱鲆尾水池塘 |
分别在4个不同区域养殖30 d后硬壳蛤生长量结果表明, 硬壳蛤在大菱鲆养殖尾水中生长效果较好。通过嵌套分析图可知, 硬壳蛤在D区域生长效果较好。
以硬壳蛤生长效果最好的贝类池塘C为对照组, 在池塘C和大菱鲆尾水池塘中养殖硬壳蛤4个月后, 分别测定C、D池塘中硬壳蛤的壳高和湿重, 计算其生长量和差异显著性, 如图 3所示。结果表明, 硬壳蛤在大菱鲆养殖尾水池塘D中生长量显著高于贝类池塘C。
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| 图 3 硬壳蛤4个月内生长量 Fig. 3 Growth of Mercenaria mercenaria in 4 months 注: C普通贝类池塘、D为大菱鲆尾水池; 1-3、5分别为1cm、2cm、3cm和5cm组硬壳蛤 |
通过测定大菱鲆养殖尾水中化学需氧量(COD)、亚硝酸盐(NO2−)、硝酸盐(NO3−)、氨氮(NH4+)、活性磷酸盐(PO43−)、总磷(TP)、总氮(TN)及悬浮物(TSS)的含量, 综合单因子污染指数法和潜在性富营养化评估模式, 大菱鲆养殖尾水主要特征为以TIN和PO43−污染为主的富营养化水体, 其中PO43−污染更为严重。相比于养殖后室内排水口, 尾水池塘中PO43−含量升高显著, 而TIN含量无明显变化, 这是由于微生物对残饵碎屑的分解过程中的矿化作用使得有机物释放出PO43−和以NH4+为主的TIN[22-24], 沉积物中厌氧条件下NO3−-N通过反硝化过程生成N2, 含量降低; NH4+-N的硝化过程受到抑制, 含量升高[25], 由于反硝化过程中部分TIN转化为N2脱离水体使得水体中只有PO43−表现出明显的升高趋势[26]。由于藻类生存时间短, 随着其有机体死亡储存的氮磷在微生物作用下再次释放出来, 无法实现氮磷的长时间固定。
结果表明, 大菱鲆养殖尾水水体自净能力不足以净化养殖过程中产生的氮磷营养盐, 随着时间累积, 水体呈现逐渐恶化的趋势。贝类养殖过程中需要向水体投入含氮磷物质肥水以维持其水体中单胞藻浓度, 由于贝类对水体中藻类的摄食作用促进了池塘生态系统的物质循环, 贝类池塘各项氮磷指标均处于一个较低的水平。利用大菱鲆尾水中的残饵、粪便肥水, 为单胞藻的生长提供充足的营养物质, 硬壳蛤滤食单胞藻和有机碎屑, 改善水质, 如图 2、3所示的研究结果证明了大菱鲆养殖尾水适宜硬壳蛤生长。硬壳蛤摄食作用大菱鲆尾水中的单胞藻、微生物及有机物碎屑, 延长水体中氮磷的固定时间, 随硬壳蛤收获移除尾水水体, 硬壳蛤的摄食通过下行调控可以促进藻类增殖, 增强藻类对于氮磷的吸收作用, 促进水体物质循环, 提高生态系统自净能力, 实现资源化利用的同时兼顾生态效益[27]。
4 结论大菱鲆养殖尾水中主要污染物为无机氮和活性磷酸盐, 其中活性磷酸盐污染更加明显, 具有明显的富营养化特征。硬壳蛤在大菱鲆尾水中生长速度均优于其他水体, 这为我们利用硬壳蛤实现大菱鲆养殖尾水的资源化利用提供了理论依据。
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