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固定化硫氧化菌对海水养殖生境中硫化物的控制效果研究

杨萌 赵阳国 王晓琼 王君鹏

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固定化硫氧化菌对海水养殖生境中硫化物的控制效果研究

    作者简介: 杨萌(1993-), 女, 山东莱州人, 硕士研究生, 主要研究方向为海水养殖环境修复, E-mail:1561351874@qq.com;
    通讯作者: 赵阳国, E-mail:ygzhao@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 山东省科技攻关项目(2016GSF115004)
  • 中图分类号: X55

Control of sulfide in aquaculture water by immobilized sulfur-oxidizing bacteria

  • 摘要: 海水养殖生境中由于有机质积累以及缺氧条件导致硫化物大量产生,严重危及养殖环境健康。为此,创建海水养殖系统,以沸石为载体吸附固定化硫氧化菌株,通过定位布放固定化硫氧化菌袋,探究其对生境中硫化物控制效果及其影响因素。结果表明,固定化菌剂中活菌含量为1.9×107 CFU/g,对硫化物的控制效果受环境温度、pH、菌剂投加量的影响较大,对温度及pH变化有更好的耐受性;在温度为30℃、pH为7.0、150 r/min的实验条件下,对硫化物的最大去除速率为8.3 mg/(g·h·L)。在海水养殖环境中,将沸石固定化菌剂平铺于土工布袋内,将布袋平铺于养殖系统沉积物-水界面,覆盖率2.5%,固定化布袋菌剂能够显著抑制环境中硫化物的产生,在缺氧条件下7 d内对硫化物的控制率达到99%。本研究表明定点布放硫氧化菌袋能够很好的控制养殖水体中硫化物,为其在海水养殖系统中的应用提供了技术支撑。
  • 图 1  硫氧化菌固定化前(a)、固定化后(b)扫描电镜图

    Figure 1.  Scanning electron microscopies before (a) and after (b) immobilization of sulfur-oxidizing bacteria

    图 2  温度(a)、pH(b)和硫化物浓度(c)对硫化物去除率的影响

    Figure 2.  Effects of temperature (a), pH (b) and sulfide concentration(c) on sulfide removal rate

    图 3  固定化硫氧化菌的重复使用能力

    Figure 3.  Reproducibility of immobilized sulfur-oxidizing bacteria

    图 4  固定化硫氧化菌的应用效果分析

    Figure 4.  Analysis of the application effect of immobilized sulfur oxidizing bacteria

    图 5  不同覆盖率的固定化硫氧化菌袋对硫化物的控制

    Figure 5.  Effect of the different coverages of immobilized sulfur oxidizing bacteria bag on sulfide-inhibition

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-19
  • 录用日期:  2019-01-17
  • 刊出日期:  2020-02-20

固定化硫氧化菌对海水养殖生境中硫化物的控制效果研究

    作者简介:杨萌(1993-), 女, 山东莱州人, 硕士研究生, 主要研究方向为海水养殖环境修复, E-mail:1561351874@qq.com
    通讯作者: 赵阳国, E-mail:ygzhao@ouc.edu.cn
  • 中国海洋大学 环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100
基金项目: 山东省科技攻关项目(2016GSF115004)

摘要: 海水养殖生境中由于有机质积累以及缺氧条件导致硫化物大量产生,严重危及养殖环境健康。为此,创建海水养殖系统,以沸石为载体吸附固定化硫氧化菌株,通过定位布放固定化硫氧化菌袋,探究其对生境中硫化物控制效果及其影响因素。结果表明,固定化菌剂中活菌含量为1.9×107 CFU/g,对硫化物的控制效果受环境温度、pH、菌剂投加量的影响较大,对温度及pH变化有更好的耐受性;在温度为30℃、pH为7.0、150 r/min的实验条件下,对硫化物的最大去除速率为8.3 mg/(g·h·L)。在海水养殖环境中,将沸石固定化菌剂平铺于土工布袋内,将布袋平铺于养殖系统沉积物-水界面,覆盖率2.5%,固定化布袋菌剂能够显著抑制环境中硫化物的产生,在缺氧条件下7 d内对硫化物的控制率达到99%。本研究表明定点布放硫氧化菌袋能够很好的控制养殖水体中硫化物,为其在海水养殖系统中的应用提供了技术支撑。

English Abstract

  • 硫化物含量是判断海洋沉积物环境质量的一个重要指标[1]。当养殖区沉积物-水界面处于缺氧还原态时,环境中丰富的硫酸盐还原菌(SRB)就会以有机质为电子供体,将硫酸盐还原成硫化物[2]。同时在沉积物中的养殖生物排泄物、残留饵料中的含硫氨基酸也将被微生物分解生成有毒的NH3和硫化物[3]。养殖区中硫化物的产生与环境参数也有很大关系,夏季水温高,微生物代谢旺盛,加快了沉积物中氧的消耗和厌氧条件的形成,有利于SRB的生长繁殖,硫化物形成速度加快,沉积物中的高浓度硫化物通过扩散进入水体,直接影响养殖生物的生存[4]。硫化物在水中通常以硫化氢(H2S)、硫氢根(HS-)和硫离子(S2-)三种形态存在,其中硫化氢和硫氢根能够与蛋白质的巯基基团结合形成共价键,破坏蛋白质的功能,从而表现出强烈的毒性[5]。据报道日本对虾不同发育期的幼体可忍受的硫化氢的浓度小于0.07 mg/L[5]。因此,对养殖环境中硫化物进行控制是关系到养殖生物生存、生态环境健康的迫切而现实的问题。

    在封闭式养殖水体中,对硫化物的去除和控制一般采用化学氧化法、物理沉淀法和生物氧化法[6]。曝气增氧是最常用的通过化学氧化实现硫化物控制的方法,目前该技术仍是维持水体生态系统健康的有效方法,不足之处是动力消耗大、费用高,存在缺氧死角;通过投加飞灰、活性碳等物理吸附也能够在较短时间内有效控制硫化物的扩散,但缺乏持久性,也易形成二次污染[7];在某些油气井的回注水中,通过添加硝酸盐,能够利用热力学上的优势与硫酸盐竞争电子受体,从而限制SRB还原硫酸盐[8],虽然这种利用化学药剂刺激的生物防治法在一定领域有应用的潜力,显然无法在海水养殖环境中应用,硝酸盐的投加势必造成更严重的氮素污染。

    相比之下,利用硫氧化微生物对水体及沉积物中硫化物的氧化和对硝氮的还原能力,可对养殖生境进行原位修复。通过合理调节硫氧化菌群与环境因子之间的作用关系,不但可以持续控制沉积物中硫化物的产生,还有益于生态系统的健康发展,是受损生境生态修复的重要方向。在应用微生物进行生态修复中,为了提高生物量以及强化控制功能的持久性,多采用细胞固定化技术对微生物进行固定化。为此,本研究应用沸石吸附固定从养殖区沉积物中筛选出的硫化物氧化菌株,分析不同温度、pH以及硫化物浓度等条件下,固定化菌剂对硫化物的去除效果。继而,将固定化菌剂应用于海水养殖系统中,探讨固定化硫氧化菌对硫化物的控制效果,为其在海水养殖中硫化物的控制提供技术支持。

    • 海水养殖系统为长方体形状,尺寸为100 cm×90 cm×40 cm,应用超白玻璃粘连而成。养殖系统外连废水过滤器,内有过滤棉,用于除去养殖过程中悬浮物及微生物,系统中安置曝气泵和温度计。

      养殖系统底部装入高度约20 cm的养殖底泥;上覆海水高度为50 cm,底泥及海水均取自青岛市黄岛区近海养殖区。系统安装完毕,待泥沙沉淀完全,水质澄清时,可以进行试验。试验过程中每天定时向系统内投加饵料,饵料为常规市售,主要成分:蛋白50%、脂肪10%、纤维3%、灰分17%、钙2%、总磷1.8%、水分10%、赖氨酸2.3%。养殖系统每隔一周换水一次,换水量约三分之一,每隔两周清洗一次过滤棉。

    • 本研究使用的硫氧化菌为嗜热氢弧菌(Hydrogenovibrio thermophilus),是本实验室从胶州湾海水养殖区沉积物中富集筛选分离获得,该菌种对硫化物氧化去除的最适条件是pH 7.0~9.0,温度30℃~40℃。

      硫氧化菌筛选的选择性培养基(g/L)[9]:Na2S 1.5,NaHCO3 2.0,KH2PO4 1.2,K2HPO4 1.2,NH4Cl 0.4,MgCl2 0.2,FeC6H5O7 0.01,pH 7.0,使用灭菌海水进行配制。用于菌株对硫化物氧化去除效率测试的无机盐培养基, 在上述选择性培养基基础上,用不同浓度的Na2S2O3代替Na2S,制成无机盐培养基,其它成分保持不变[10]。在接种前通氮气进行除氧5 min,创造缺氧环境。

    • 应用沸石以吸附法对菌剂进行固定化。选择的吸附材料为15目斜发沸石,采用pH 5的磷酸对沸石进行化学改性,然后进行吸附固定化。具体方法如下:(1)用蒸馏水清洗沸石3次,之后对沸石进行高压蒸汽灭菌;(2)配制pH=5.0的磷酸溶液,高压蒸汽灭菌;(3)按照1 g沸石:5 mL磷酸溶液的比例将沸石加入到磷酸溶液,30℃、150 r/min振荡30 min,取出静置24 h后,用灭菌蒸馏水润洗2~3次,除去多余磷酸;(4)在150 mL厌氧瓶中加入45 mL选择性培养基、5 mL硫氧化菌菌液,30℃、150 r/min振荡培养24 h,待硫氧化菌吸光度OD600=1.4(1.9×106 CFU/mL)时,将0.5、1、2、3 g(干重)改性沸石缓慢加入硫氧化菌液中,30℃、150 r/min振荡吸附24 h,弃去上清液,用灭菌蒸馏水冲洗固定化菌剂2次,再在沸石固定化硫氧化菌剂中加入50 mL无机盐培养基,振荡24 h后定量分析硫化物浓度;(5)弃去液体培养基,用灭菌蒸馏水润洗固定化菌剂2~3次后,保存至4℃冰箱备用。

      硫化物去除率(E1)的计算公式为:

      式中:V0为初始培养基所用碘溶液的量(mL);V为24 h后剩余培养基所用碘溶液的量(mL)。

    • (1) 固定化后菌剂吸附量的确定

      取两份50 mL处于生长期的硫氧化菌液,其中一组加入1 g沸石,另一组不加沸石为对照,24 h后,取加沸石组的上清悬浮液和不加沸石的对照组菌液,采用稀释平板菌落记数法测定样品中的活菌数,计算沸石吸附硫氧化菌量。

      沸石吸附菌量N(CFU/g)计算公式为:

      式中:N0为未加沸石的纯菌液的菌量(CFU/mL);N1为投加沸石吸附后悬浊液中剩余游离菌量(CFU/mL)。

      (2) 固定化菌剂的状态观察

      将新制备的沸石固定化菌剂用灭菌蒸馏水冲洗3次,取出4~5粒装入1.5 mL无菌离心管中,按照文献[11]中的方法进行适当的预处理,使用扫描电子显微镜(JEM-1200EX, JEOL Japan)对固定化颗粒表面进行观察。

    • (1) 温度对固定化菌剂硫化物去除效果的影响

      在10℃~50℃范围内设5个梯度,在初始硫化物浓度为600 mg/L的50 mL无机盐培养基中投加1 g沸石固定化菌剂,在150 r/min的条件下恒温振荡24 h后对硫化物浓度进行定量分析,计算对硫化物的去除率,同时设无菌沸石组做对照。

      (2) pH对固定化菌剂硫化物去除效果的影响

      将5份在初始硫化物浓度为600 mg/L的50 mL无机盐培养基分别调pH为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0,分别投入1 g沸石固定化菌剂,在30℃、150 r/min的条件下恒温振荡24 h后对硫化物浓度进行定量分析,计算对硫化物的去除率,同时设无菌沸石组做对照。

      (3) 硫化物初始浓度对固定化菌剂硫化物去除效果的影响

      取1 g沸石固定化菌剂、相当于1 g固定化菌量的菌液以及1 g无菌沸石分别加入到50 mL不同初始硫化物浓度(200、400、600、800、1000 mg/L)的无机盐培养基中,在30℃、150 r/min的摇床中振荡24 h后对硫化物浓度进行定量分析,计算对硫化物的去除率。通过固定菌剂与未固定菌剂的比较,探讨固定化过程对硫氧化菌硫化物氧化去除能力的影响。

      (4) 固定化硫氧化菌的重复使用能力

      为了探究固定化后的硫氧化菌的重复使用能力,在30℃、150 r/min条件下,将1 g沸石固定化硫氧化菌剂投入初始硫化物浓度为600 mg/L的水体。振荡培养24 h后,将沸石固定化菌剂取出并用灭菌蒸馏水冲洗干净,再次分别投入新的水体中,对硫化物浓度进行定量分析,重复上述步骤5次,每次计算对硫化物的去除率。

      测定方法:实验过程中硫化物用亚甲基蓝分光光度法测定;硫酸盐采用铬酸钡分光光度法测定;硫代硫酸钠用碘量法测定;氨氮(NH4-N)采用纳氏试剂分光光度法测定;硝酸盐氮(NO3-N)用紫外分光光度法测定;溶解氧(DO)用便携式溶解氧仪(哈希,美国)测定;盐度用盐度计测定。

    • 为了进一步放大固定化菌剂以满足实际生产的需要,选用耐腐蚀、透水无纺土工布制作成袋状,将沸石固定化的菌剂完全平铺于袋内,沸石颗粒基本无重叠,进一步通过交叉缝制布袋限制颗粒移动。根据预试验发现10 g沸石固定化菌剂刚好完全平铺于10 cm×10 cm的土工布袋。养殖系统通过投饵及静置使环境中DO<0.5 mg/L,将装有沸石固定化菌剂的10 cm×10 cm的土工布布袋平铺于模拟养殖系统Ⅰ的泥水交界处,在养殖系统中覆盖率为2.5%。采用同样的处理方法将无菌沸石布袋平铺于模拟养殖系统Ⅱ的泥水交界处,每天监测硫化物变化。

      硫化物的平均控制率计算公式为:

      式中:C0t为加入无菌沸石后对照组每日测得的硫化物浓度(mg/L);Ct为加入固定化菌剂后实验组每日测得的硫化物浓度(mg/L);t为时间(d)。

    • 分别在1、2、4、8个10 cm×10 cm土工布袋中均匀加入20 g沸石固定化菌剂,沸石固定化菌剂均平铺于袋中,依次放入养殖环境中,其平铺面积分别占系统面积的2.5%、5%、10%、20%。保持DO<0.5 mg/L,每天监测养殖环境中硫化物浓度的变化,分析等量沸石固定化菌剂在养殖环境中使用时覆盖率对硫化物去除效果的影响,为沸石固定化菌剂在实际养殖环境中应用时发挥最佳效果提供数据支持。

    • 使用电镜对硫氧化菌在沸石上被吸附固定化后的形态进行观察,结果如图 1。从图 1(b)可见,沸石内部具有较多的孔隙,微生物主要吸附在孔洞表面,能够与外界进行底物与代谢产物的物质交换,从而保证沸石孔隙里微生物的活性。与图 1(a)相比,硫氧化菌形态没有产生明显变化,该菌为杆菌,可被成功吸附在沸石上。

      图  1  硫氧化菌固定化前(a)、固定化后(b)扫描电镜图

      Figure 1.  Scanning electron microscopies before (a) and after (b) immobilization of sulfur-oxidizing bacteria

    • 在使用沸石吸附固定硫氧化菌时,分别按照每50 mL菌液加0.5、1、2、3 g改性沸石进行固定化,所得固定化菌剂颗粒对硫化物的去除率分别为20%、29%、31%、33%,表现出逐渐提高的趋势,说明菌株吸附量随沸石用量的增加而逐渐上升,当沸石用量大于1 g时,沸石固定化菌剂硫化物去除率趋于稳定,对硫化物的去除率基本达到最大。造成这一结果的原因可能是随着沸石用量的提高会增加对菌株的吸附位点,但过量沸石会形成重叠,相对减少吸附位点。本研究中,1 g沸石已最大程度的吸附了培养液中的菌株,再增加沸石用量也不能大幅度增加吸附量。为此,在固定化菌剂的制备中,生长至OD600=1.4的培养液,微生物数量为1.9×106 CFU/mL,50 mL菌液最适沸石使用量为1 g。

      通过平板菌落计数分析,菌液固定化前含菌量为N0=1.9×106 CFU/mL,应用1 g沸石吸附后剩余悬浮液中游离菌量为N1=1.52×106 CFU/mL,因此,单位质量沸石固定化菌剂中的含菌量为N=(N0-N1)×50=1.9×107 CFU/g。李馨子等[12]用2.5%的海藻酸钠包埋石油降解菌,含菌量为1.2×106 CFU/g,对石油的净降解率达到34.1%。因此,该固定化菌剂所吸附的菌量也能够满足使用的需要。

    • (1) 温度对固定化硫氧化菌硫化物去除效果的影响

      在自然养殖环境中,温度是变化最频繁的影响因素之一,微生物的生长繁殖和生命活动受温度的影响较大,只有在合适的温度范围内应用微生物才能更好的生长繁殖,达到对污染物的高效去除效果。因此需要确定固定化硫氧化菌受温度的影响情况,考察固定化硫氧化菌的最适温度,以便在实际应用中根据温度变化对固定化菌剂使用量进行调整,以达到更好的效果。10℃~50℃设5个梯度,在24 h内对同浓度硫化物的去除率如图 2(a)

      图  2  温度(a)、pH(b)和硫化物浓度(c)对硫化物去除率的影响

      Figure 2.  Effects of temperature (a), pH (b) and sulfide concentration(c) on sulfide removal rate

      由图可见,对初始硫化物浓度为600 mg/L的无机盐培养基,固定化硫氧化菌在20℃~30℃温度下对硫化物的去除率在43%以上,其中30℃时最高,可达57%,而在10℃和50℃温度下固定化菌剂对硫化物的去除率仅为6%、8%,说明该固定化硫氧化菌可在20℃~30℃的温度范围内较好的发挥作用,其中30℃时效果最佳。将固定化菌剂与非固定化菌剂比较发现,硫氧化菌固定前后对硫化物去除的最适温度均为30℃;除最适温度外,随着温度升高或降低,非固定化菌和固定化菌对硫化物的去除率均有所降低,但固定化菌对硫化物的去除率仍高于非固定化菌,在完全相同的环境条件下产生此结果,说明将硫氧化菌固定在沸石上可以减小外界环境对固定化菌的影响,使固定化硫氧化菌对温度变化的耐受性比未固定化菌好。这与武淑文等[13]的研究结果相似,他用海藻酸钠和活性炭固定氧化亚铁硫杆菌,研究发现固定化菌与游离菌的最适降解温度均为30℃,但在试验温度范围内,固定化菌的降解效率均高于游离菌。另外在Dong等[14]的研究中发现,固定化菌转化氨氮的最适温度也为30℃,当温度降低或升高时,转化率也均下降。

      本研究使用的固定化硫氧化菌对温度的变化有很好的耐受性,为该菌的实际应用奠定了基础,在近海养殖过程中该固定化菌剂可以被很好的使用。

      (2) pH对硫化物去除效果的影响

      微生物的生长繁殖和新陈代谢与pH也有密切关系,不同的微生物生存所需的最适pH范围也会有所不同,pH过高或过低都会威胁微生物的生命活动,从而影响对目标污染物的降解能力,因此,探讨固定化菌剂适宜的pH范围对固定化菌剂硫化物去除能力的影响有着重要意义。本研究探讨了不同pH条件下固定化菌剂对硫化物的去除率,结果如图 2(b)所示。

      由图可知,初始硫化物浓度为600 mg/L,30℃、150 r/min振荡培养24 h后,固定化硫氧化菌在pH为7.0时对硫化物的去除率最高,为37%,随着pH升高或降低,去除率均有所下降。与硫氧化菌液在不同pH下对硫化物的去除率相比可以看出,pH在6.0~8.0时固定化与未固定化硫氧化菌对硫化物的去除率相近,而pH为5.0、9.0时固定化与未固定化硫氧化菌硫化物去除率差异较大,特别是pH=9.0时,相差了26%。可见固定化后硫氧化菌比未固定硫氧化菌对外界环境的pH变化特别是偏碱性条件有了更强的适应性和耐受性。

      Xu等[15]用Fe3O4纳米粒子固定化硫氧化菌,研究了pH对固定细胞效果的影响发现,pH=7.0是最佳pH,当pH升高时,固定硫氧化菌的作用效果下降。陈水泉[16]用火山岩颗粒吸附固定化脱硫菌,研究了固定化脱硫菌在不同pH下的降解率,结果发现,最适pH为7.5,在偏碱性条件时固定化脱硫菌的降解率高于未固定脱硫菌,固定化后脱硫菌对pH的耐受性提高。考虑到正常养殖海水的pH范围在7.0~8.5,因此说明本研究的固定化菌剂适宜在海水养殖中应用。

      (3) 硫化物起始浓度对固定化菌剂硫化物去除的影响

      在30℃、pH 7.0、150 r/min的条件下,将菌液加入到不同硫化物起始浓度(200、400、600、800、1000 mg/L)的无机盐培养基中,振荡培养24 h对硫化物的去除能力如图 2(c)

      由图可见,不同硫化物起始浓度下固定化硫氧化菌剂对硫化物的去除率分别为90%、53%、37%、28%、18%,经计算分别去除了约200 mg/L的硫化物。说明1 g固定化菌剂24 h时对硫化物的最大去除能力为200 mg/L,即去除速率为8.3 mg/(g· h· L)。未固定化硫氧化菌对硫化物的去除率分别为95%、58%、33%、28%、18%,固定化前后硫氧化菌对硫化物的去除率比较发现,固定化菌剂的去除效果与未固定菌剂的去除效果相近,说明用沸石吸附固定法对硫氧化菌的作用没有过多破坏和损失,这为选用沸石吸附固定硫氧化菌提供了依据。

    • 天然沸石对硫化物虽无明显吸附去除效果,但沸石作为硫氧化菌生长的载体,可以为硫氧化菌提供较为稳定的生长环境,对硫氧化菌的重复使用提供有利条件。由图 3可知,固定化硫氧化菌具有一定的重复使用能力,第一次使用时对硫化物的去除率为48%,在重复使用5次后对硫化物的去除率达到28%,虽然硫化物去除率有所下降,但沸石并无明显变化,没有任何破损,仍然能够使用。

      图  3  固定化硫氧化菌的重复使用能力

      Figure 3.  Reproducibility of immobilized sulfur-oxidizing bacteria

      郑宇等[17]以聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭为载体,包埋固定硫氧化菌群,在重复使用5次后固定化菌剂对硫化物的去除率降低15%左右,有少量固定小球破损。Dong 等[18]在用海藻酸钙包埋固定氨氧化菌时研究了固定小球的循环使用次数,结果表明,每次使用后,都会有固定小球膨胀破碎,第6次回收重复使用时,残留的固定小球膨胀破碎很多,已无法再使用。本研究所用固定化硫氧化菌在重复5次使用后硫化物去除率虽然有较明显的下降,但在近海养殖区环境中应用也是足够的,而沸石本身无破损,再生后可以再次使用,重复使用效果较好。

    • 在本试验进行时,养殖系统的实际温度为16℃,盐度为33,pH为7.5~8.0,溶解氧在不加曝气的情况下第3 d后完全降到0.5 mg/L以下,测定模拟养殖系统中硫化物的变化情况,结果如图 4(a)

      图  4  固定化硫氧化菌的应用效果分析

      Figure 4.  Analysis of the application effect of immobilized sulfur oxidizing bacteria

      硫化物易被海水中的溶解氧氧化[19],进而消耗水中的溶解氧,联合微生物的呼吸作用,使水体在不曝气的情况下快速形成缺氧环境。从第3 d溶解氧完全降到0.5 mg/L以下后,对照组开始产生硫化物并迅速上升,硫化物最高达72.17 mg/L,而试验组固定化硫氧化菌在缺氧条件后的第7 d才能测到硫化物,且仅有1 mg/L,远远小于对照组。计算可知,缺氧条件下固定化硫氧化菌在7 d内对硫化物的平均控制率达到99%以上,有效的维持了良好的养殖水质。若能够在条件允许的情况下提高菌剂的使用量和覆盖度,则可能会更好地控制硫化物的产生。

      王李宝等[20]从高硫化物含量的海水养殖池底泥中分离出一株硫化物降解菌。研究表明,该菌对水生动物是安全的,并且对硫化物具有一定的去除效果。赵鹏等[21]用分离纯化出的硫氧化菌株去除污水中的硫化物。结果表明,当硫化物浓度为650 mg/L时,该菌在4 h对硫化物的去除率达95%以上。这些研究都说明微生物在硫化物的控制中都有着很好的应用效果。

      在实际养殖过程中,由于硫化物往往是从沉积物中扩散到水体中的,通过本研究发现固定化菌剂可以很好的控制沉积物中产生的硫化物向水体中扩散。因此,本研究中应用的固定化硫氧化菌对硫化物控制效果能够满足实际需要,具有显著的应用价值。

    • 对投加沸石固定化菌剂和无菌沸石的模拟养殖系统中硫酸盐进连续测定,结果如图 4(b)

      前3 d系统中产生的硫化物被水体中的DO氧化成硫酸盐,使硫酸盐浓度提高,同时消耗DO使其含量逐渐下降;第4 d DO完全降到0.5 mg/L以下,固定化硫氧化菌剂的作用得以显现,第6 d两组均产生突变,可能是环境变化使微生物产生一定作用效果或反应导致的,但从图中可以看出,从第6 d开始,试验组中硫酸盐浓度开始大量上升,始终高于对照组,说明是固定化硫氧化菌的作用使环境中硫酸盐的浓度大量增长;而对照组中随着硫化物不断产生,无菌沸石所能去除的硫化物有限,因此产生的硫酸盐相对较少,在环境中的硫酸盐还原菌的作用下使硫酸盐浓度呈下降趋势。同时对照组的变化幅度比实验组更大一些,说明固定化硫氧化菌对水中硫化物有明显的氧化控制效果,因此,硫酸盐未发生大幅度变化,在甘居利等[22]的研究中也证实了这一现象。

    • 图 4(c)可见,固定化硫氧化菌对水中氨氮也有一定的控制作用,对照组与试验组中初始氨氮浓度分别为21.31、19.19 mg/L,在10 d控制过程中,该固定化硫氧化菌对氨氮有一定的去除和控制效果,使氨氮浓度一直在6.00~14.00 mg/L范围浮动;而对照组中的氨氮明显持续上升,最终达到37.43 mg/L。

      对照组与试验组中硝酸盐的变化趋势基本一致(图 4-d),第6 d之后硝酸盐氮急剧增加,可能是由于水中DO还未降为0.5 mg/L时,水中的硝化菌会将部分氨氮转化成亚硝氮,在水中DO降为0.5 mg/L后,前期产生的亚硝氮在环境中的反硝化菌的作用下就会转变为硝酸盐氮。而本研究应用的硫氧化菌在氧化代谢硫化物的过程中能够利用硝酸盐为电子受体并将硝酸盐储存在细胞内,从而参与氮的生物循环[23],因此后期试验组中的固定化硫氧化菌可能将部分硝酸盐作为电子受体,进而使试验组的硝酸盐氮浓度小于对照组。

      左剑恶等[24]采用升流式好氧生物膜反应器研究了好氧无色硫细菌去除水中硫化物的可行性,结果表明,当硫化物容积负荷达到12 kg/(m3·d),水力停留时间为22 min时,硫化物的去除率可达90%以上,同时对有机物的去除率约为10%。说明无色硫细菌除了对硫化物有去除作用,对有机物也有一定的去除效果。这为该固定化硫氧化菌在养殖环境中使用提供了有力依据。

    • 覆盖面积对硫化物的控制效果具有显著影响,也是决定应用可行性的重要指标,因此有必要探究固定化菌剂的覆盖率对系统中硫化物的控制效果。由图 5中可以看出,当固定化硫氧化菌覆盖率为2.5%时,水中硫化物的升高速度及增幅均远大于覆盖率为5%、10%和20%时的增高速度和增幅。其中覆盖率为5%时的硫化物增长速度又比10%和20%略快,而10%与20%的变化趋势则基本相同,因此20 g固定化硫氧化菌的最佳覆盖率为10%。说明一定量的固定化硫氧化菌在使用时,固定化菌剂的覆盖率也会对固定化菌剂的作用效果产生影响,在菌剂总量一致的条件下,固定化硫氧化菌的覆盖率越高,对硫化物的控制效果越好。

      图  5  不同覆盖率的固定化硫氧化菌袋对硫化物的控制

      Figure 5.  Effect of the different coverages of immobilized sulfur oxidizing bacteria bag on sulfide-inhibition

    • 采用沸石吸附固定化具有硫化物控制功能的硫氧化菌嗜热氢弧菌(Hydrogenovibrio thermophilus),载体含菌量为1.9×107 CFU/g,硫氧化菌株可以很好的吸附在改性沸石表面。该固定化菌剂适宜温度范围为20℃~30℃,适宜pH为6.0~9.0,在最佳温度30℃和最佳pH=7.0条件下1 g沸石固定化菌剂在24 h时对硫化物的最大去除能力为200 mg/L;该固定化菌剂在重复使用5次后,对硫化物的去除率仍能达到28%;20 g固定化硫氧化菌使用时最佳覆盖率为10%。

      在海水养殖环境中,应用土工布布袋包被固定化菌剂并平铺于泥水界面,覆盖率为2.5%,可以有效改善养殖水体质量,缺氧条件下7 d内对硫化物的控制率达到99%,对氨氮也有一定的控制效果, 该固定化硫氧化菌在水产养殖水质改善过程中对硫化物的控制效果具有十分明显的优势。

参考文献 (24)

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