Study on purification effect of shellfish and algae coupling on intensive aquaculture tailwater
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摘要:
为探讨贝、藻偶合方式对集约化养殖尾水的净化作用，研究分析了香港牡蛎 (Crassostrea hongkongensis) 和钝顶螺旋藻 (Spirulina platensis) 耦合对富含氮 (N)、磷 (P) 营养盐的生物絮团养殖尾水的处理效果。实验共设置5组，小规格组 (S)、中规格组 (M) 和大规格组 (L) 添加的牡蛎个体均质量分别为 (50.99±7.01)、(100.25±8.87) 和 (148.81±15.61) g，阴性对照组 (NC) 只添加螺旋藻，空白对照组 (BC) 不添加牡蛎和螺旋藻，实验组中螺旋藻密度约为 8×105 个·mL−1，牡蛎生物量为3 kg·m−3。记录牡蛎的成活率及生长情况，显微镜计数螺旋藻密度，测定水体氨氮 (
${\rm{NH}}_4^{\text{+}} $ -N)、亚硝酸盐 (${\rm{NO}}_2^{\text{−}} $ -N)、硝酸盐 (${\rm{NO}}_3^{\text{−}}$ -N)、活性磷酸盐 ($ {\rm{PO}}_4^{3{\text{−}}}$ -P)、总无机氮 (TIN)、总氮 (TN)、总磷 (TP)、总悬浮物 (TSS) 等的浓度。结果显示，成活率S组>M组>L组，M组体质量增长率最高；NC组的螺旋藻密度最高 [(1.30±0.25)×107 个·mL−1]；M组能去除30.61%的TSS；NC组的TIN和${\rm{PO}}_4^{3{\text{−}}} $ -P去除率最高，分别为89.29%和98.93%；M组的TN和TP去除率最高，分别为38.91%和55.10%。研究表明螺旋藻净化无机氮、无机磷效果明显，牡蛎能有效摄食水体中的螺旋藻，将个体均质量 (100.25±8.87) g的牡蛎与螺旋藻耦合，对去除养殖尾水中TN、TP和TSS的效果最佳。Abstract:To explore the purification effect of shellfish and algae coupling on intensive aquaculture tailwater, we analyzed the coupling effects of oyster (Crassostrea hongkongensis) and microalgae (Spirulina platensis) on tailwater treatment of biological flocs which are rich in nitrogen and phosphorus nutrients. A total of five groups were set up. The average mass of oysters added to the small (S), medium (M) and large (L) size groups was (50.99±7.01), (100.25±8.87) and (148.81±15.61) g, respectively. The negative control group (NC) was only added with spirulina, and the blank control group (BC) was not added with oysters and spirulina. The density of spirulina was about 8×105 cell·mL−1 and oyster biomass was 3 kg·m−3. The survival rate and growth of oysters were recorded, and the cell density of spirulina in water was counted under a microscope. The concentrations of
${\rm{NH}}_4^{\text{+}} $ -N,${\rm{NO}}_2^{\text{−}} $ -N,${\rm{NO}}_3^{\text{−}} $ -N,${\rm{PO}}_4^{3{\text{−}}} $ -P, TIN, TN, TP and TSS in water were detected. The results show that the survival rate of oysters in the experimental group followed a descending order of S>M>L. The highest rate of weight gain was observed in Group M. The highest density of spirulina was (1.30±0.25)×107 cells·mL−1 in Group NC. The highest TSS removal rate in Group M was 30.61%. The NC group had the highest TIN and${\rm{PO}}_4^{3{\text{−}}} $ -P removal rates of 89.29% and 98.93%, respectively. Group M had the highest TN and TP removal rates of 38.91% and 55.10%, respectively. The results suggest that spirulina has a significant effect on purifying inorganic nitrogen and phosphorus. Oysters can feed on spirulina in water effectively. Coupling oysters of average mass of (100.25±8.87) g with spirulina has the best effect on removing TN, TP and TSS from aquaculture tail water. -
集约化养殖是一种高密度、高效益的养殖方式，对提高养殖动物产量、质量，保障水产品市场供给具有重要作用[1]。生物絮团介导的集约化养殖是近年来水产养殖热门的生态友好型养殖模式[2]，该模式不仅能够实现高产，还能够提高养殖动物的生理健康水平、减少换水量并提高饲料利用率，兼具经济和生态意义[3-4]。生物絮团养殖模式能将养殖水体中的氨氮(NH4 +-N) 、亚硝酸盐 (NO2 −-N)等有害物质有效控制在安全浓度以内，形成封闭式高效养殖系统，但同时养殖后期水体会富集大量的硝酸盐 (NO3 −-N) 和磷酸盐 (PO4 3−-P)[5]，如果直接排放，高浓度的氮 (N)、磷 (P) 会造成接纳水体富营养化[6]，从而污染周围生态环境。因此，有效处理养殖尾水中的N、P营养盐，将养殖尾水资源化循环利用是解决尾水净化的主要出路。当前，低成本、高收益的生物净化方式是水产养殖尾水处理中的研究热点[7]，利用滤食性贝类与藻类[8]协同处理养殖尾水是一种典型的生物处理方法。
牡蛎和螺旋藻不仅经济价值高，且能用于水环境净化。香港牡蛎 (Crassostrea hongkongensis) 是我国广西、粤西和福建沿海咸淡水交汇海域的主产贝类[9]，具有生长速度快、营养价值高、环境适应能力强等特点[10]。贝类通过其滤食和滤水作用，可摄食水体中的浮游植物，降低水体中悬浮颗粒物的含量[11]。钝顶螺旋藻 (Spirulina platensis) 藻体营养丰富、均衡，富含蛋白质、多糖等营养物质，广泛应用于生物饵料、保健食品、化妆品和饲料添加剂等[12-13]。作为一种有益蓝藻，其不仅对环境具有很强的适应能力，还能高效利用水体中的N、P营养元素[14]。
此前，国内外研究大多聚焦于单一的牡蛎和螺旋藻处理养殖尾水中悬浮颗粒物和营养盐的效果分析[15-17]，以及贝类与大型海藻混养和鱼与微藻协同净化尾水的效果分析[18-19]，而关于牡蛎和螺旋藻耦合处理养殖尾水的净化效果研究较少。本文以含有高浓度N、P营养盐的集约化海水养殖尾水为研究对象，通过在养殖尾水中培养螺旋藻，同时采用香港牡蛎摄食螺旋藻的方式，实现养殖尾水中高浓度的N、P营养盐的净化。综合分析二者协同作用对尾水的净化效果和最佳的牡蛎规格，以期为建立集约化水产养殖尾水的净化技术，实现水产养殖尾水的“资源化利用”提供基础参考。
1. 材料与方法
1.1 香港牡蛎
香港牡蛎购于广东省茂名市电白区岭门镇某牡蛎养殖场，挑选个体均质量分别为 (50.99±7.01)、(100.25±8.87) 和 (148.81±15.61) g的牡蛎，清除表面附着物后暂养14 d。暂养条件为：盐度16‰，pH 8.0，温度28 ℃，溶解氧5.6 mg·L−1。每天投喂钝顶螺旋藻进行驯化，观察牡蛎生长情况，记录成活率。
1.2 钝顶螺旋藻
实验所用钝顶螺旋藻SP1由中国水产科学研究院南海水产研究所提供。SP1培养液配方为：碳酸氢钠 (NaHCO3) 13.61 g·L−1，碳酸钠 (Na2CO3) 4.03 g·L−1，磷酸氢二钾 (K2HPO4) 0.50 g·L−1，硝酸钠 (NaNO3) 2.50 g·L−1，硫酸钾 (K2SO4) 1.00 g·L−1，氯化钠 (NaCl) 1.00 g·L−1，七水合硫酸镁 (MgSO4·7H2O) 0.20 g·L−1，氯化钙 (CaCl2) 0.04 g·L−1，硫酸亚铁(II)二水 (FeSO4·2H2O) 0.01 g·L−1，A5 [硼酸 (H3BO3) 2.86 g·L−1，四水合氯化锰 (MnCl2·4H2O) 1.86 g·L−1，七水合硫酸锌 (ZnSO4·7H2O) 0.22 g·L−1，二水合钼酸钠 (Na2MoO4·2H2O) 0.39 g·L−1，五水合硫酸铜 (CuSO4·5H2O) 0.08 g·L−1，六水合硝酸钴 [Co(NO3)2·6H2O) 0.05 g·L−1] 1 mL。钝顶螺旋藻藻种液1 L，在光照培养箱中以30 ℃、光照强度3 000 lx、光暗比12 h∶12 h，进行扩大培养至4 L，每日摇动藻液培养瓶3次，避免藻细胞贴壁生长。当螺旋藻密度达到约107 个·mL−1时，将其转移至集约化对虾养殖车间，用容积为100 L的塑料白桶作为容器，以盐度15‰ 的咸淡水添加单细胞藻类生长素和碳酸氢钠作为培养基，利用日光照射，在温度为 (30±4) ℃并持续充气的条件下进行扩大培养，待螺旋藻密度达到约107 个·mL−1时，再将藻液转移至容积约1 000 L的塑料大白桶中进行培养。
1.3 实验水体
生物絮团养殖尾水取自广东省茂名市某养殖场的凡纳滨对虾生物絮团零换水养殖池系统。水体条件：水温25.5 ℃，溶解氧4.56 mg·L−1，pH 7.6，NH4 +-N 0.35 mg·L−1，NO2 −-N 0.12 mg·L−1，NO3 −-N 22.89 mg·L−1，PO4 3−-P 1.99 mg·L−1，絮团生物沉降体积分数 6 mL·L−1。
1.4 实验设计
实验前随机挑选活性较好的牡蛎个体。实验容器为1 000 L的养殖白桶，桶底部直径1.0 m，桶口直径1.2 m，桶高1.0 m。实验水体为500 L的养殖尾水，水深0.6 m，实验分为5组，分别为小规格组 (S)、中规格组 (M)、大规格组 (L)、阴性对照组 (NC) 和空白对照组 (BC)，每组设置3个平行桶。每组实验桶添加约8×105 个·mL−1的螺旋藻和生物量为3 kg·m−3的牡蛎，S、M和L组每桶分别放入个体均质量为 (50.99±7.01)、(100.25±8.87) 和 (148.81±15.61) g的牡蛎各30、15和10只；NC组不放牡蛎但接入螺旋藻；BC组不放牡蛎和螺旋藻。牡蛎均匀放入直径0.5 m的圆形塑料框中，再将塑料框吊在水面下0.3 m处。实验时间为70 d，期间用纳米管曝气保证足够的溶解氧。
1.5 香港牡蛎胃内容物观察
实验第35 天，每桶随机挑选1只牡蛎，解剖取出胃组织，置于载玻片上，于400×显微镜下观察胃内容物中的微藻并进行主要微藻鉴定。
1.6 藻细胞数量测定
分别于第0、第7、第14、第21、第28、第35、第63、第70天采集各桶微藻样品1 mL，加40 µL甲醛固定保存于4 ℃冰箱。螺旋藻计数前先用超声波破碎机 (JY92-IIDN，宁波新芝) 在不影响藻细胞形态完整的条件下，将蓝藻细胞团块破碎为大量易于计数的短杆状藻细胞群体，取100 μL于浮游生物计数板，用显微镜目微尺实测破碎后螺旋藻藻体及单个细胞的长度，然后计算出藻细胞数量，每个样品测量3次取平均值。
1.7 水质测定
分别于第0、第7、第14、第21、第28、第35、第63、第70天采集各桶水样于聚乙烯瓶中，依照GB/T 12763.4—2007《海洋调查规范》，分别采用靛酚蓝分光光度法、盐酸萘乙二胺分光光度法、锌镉还原法和磷钼蓝分光光度法测定水样中的NH4 +-N、NO2 −-N、NO3 −-N和PO4 3−-P，总无机氮 (TIN) 为NH4 +-N、NO2 −-N和NO3 −-N浓度的总和。以过硫酸钾氧化法测定水样的总氮 (TN)和总磷 (TP)。以质量法、碱性高锰酸钾法和pH法测定水样的总悬浮物 (TSS)、化学需氧量 (COD) 及总碱度 (TA)。
1.8 数据分析
牡蛎的成活率和体质量增长率计算公式为：
$$ R_{\mathrm{S}}=\left(N_t-N_0\right) / N_0 \times 100{\text{%}} $$ (1) $$ R_{\mathrm{WG}}=\left(W_t-W_0\right) / W_0 \times 100 {\text{%}} $$ (2) 式中：RS为成活率(%)；Nt为取样测定的只数；N0为初始只数；RWG为体质量增长率(%)；Wt为取样测定的体质量；W0为初始体质量。
各水质指标去除率 (R) 的计算公式为：
$$ R=\left(C_0-C_t\right) / C_t \times 100{\text{%}}$$ (3) 式中：Ct为取样时的浓度；C0为初始浓度。
采用Excel 2019软件对数据结果进行线性拟合分析，并以SPSS 20.0软件进行单因素方差分析 (One-way ANOVA)，比较各组数据的差异显著性，显著性水平设定为P<0.05。
2. 结果
2.1 香港牡蛎存活及生长情况
实验第35天各实验组牡蛎的成活率均较高，S和M组均为93.33%，显著高于L组 (P<0.05)；体质量增长率各组无显著性差异 (P>0.05)。实验第70天L组牡蛎成活率最低 (26.67%)，S组成活率最高 (57.78%)；M组体质量增长率为2.57%，显著高于S和L组 (P<0.05) (表1)。
表 1 牡蛎的生长及存活Table 1. Growth and survival of C. hongkongensis项目
Item时间
t/d小规格组
Small size (S)中规格组
Medium size (M)大规格组
Large size (L)成活率
Survival rate/%35 93.33±2.25a 93.33±6.93a 70.00±8.16b 70 57.78±8.40a 37.78±3.87b 26.67±5.77b 体质量增长率
Weight gain rate/%35 0.35±0.60a 0.07±0.93a −3.91±5.01a 70 −0.08±1.78b 2.57±0.24a 1.44±0.34b 注：同行数据的不同上标字母表示差异显著 (P<0.05)，后表同此。 Note: Values with different letters within the same line indicate significant differences (P<0.05). The same case in the following tables. 2.2 钝顶螺旋藻密度变化
在养殖尾水初始水体中，S、M、L和NC组接入的螺旋藻密度分别为 (8.62±0.56)×105、(8.37±0.90)×105、(7.33±0.13)×105和 (8.47±0.83)×105 个·mL−1，各组藻密度无显著性差异 (P>0.05)。实验第70天时，螺旋藻密度分别为 (1.02±0.22)×107、(1.22±0.45)×106、(8.08±1.15)×106和 (1.30±0.25)×107 个·mL−1，其中NC组的藻密度最高，M组藻密度最低 (图1)。L组的螺旋藻密度实验期间呈上升趋势，M组则呈先升高后降低的变化趋势；S和NC组的螺旋藻密度在实验前63 d均呈上升趋势，第70天时藻密度有所降低。实验结束时，S、L和NC组藻密度与实验初始藻密度相比均显著增长 (P<0.05)，而M组藻密度增长不显著 (P>0.05)。
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图 1 螺旋藻密度变化注：组内不同上标字母表示差异显著 (P<0.05)；图中螺旋藻密度用以 10 为底的对数形式表示。Figure 1. Quantity change of spirulinaNote: Values with different letters within the same group indicate significant differences (P<0.05). Spirulina densities are shown in logarithmic form with a base of 10.2.3 牡蛎对尾水中螺旋藻的摄食情况
香港牡蛎的胃内容物中均发现含有钝顶螺旋藻 (图2)，表明3种规格的香港牡蛎在养殖尾水中均可摄食螺旋藻。
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图 2 香港牡蛎胃内容物中的藻类 (400×)Figure 2. Algae in stomach contents of C. hongkongensis (400×)2.4 贝、藻耦合对养殖尾水水质的影响
2.4.1 养殖尾水中TSS的变化
实验70 d后，S、L和NC组的TSS质量浓度升高 (图3，表2)，由第0天的 (189.60±17.00)、(163.80±19.50) 和 (193.30±7.36) mg·L−1分别升高至 (263.33±37.12)、(286.67±30.00) 和 (434.00±9.86) mg·L−1，其去除率分别为−38.89%、−75.01%和−124.52%。M组TSS质量浓度先升高后降低，由初始的 (176.30±11.03) mg·L−1下降至 (122.33±28.66) mg·L−1，去除率为30.61%。可见，TSS的去除率M组>S组>L组>NC组。
表 2 养殖尾水水质净化效果 (以去除率计)Table 2. Purification effect of aquaculture tail water (Calculated by removal rate)% 水质指标
Water quality indicator小规格组
Small size (S)中规格组
Medium size (M)大规格组
Large size (L)阴性对照组
Negative control (NC)空白对照组
Blank control (BC)总悬浮颗粒物 TSS −38.89±13.35ab 30.61±19.93a −75.01±36.35bc −124.52±22.10c −325.86±50.91d 硝酸盐 NO3 −-N 83.85±6.78b 54.88±4.29d 74.50±2.09c 90.67±0.36a 48.54±1.21d 总无机氮 TIN 77.30±5.87a 49.05±5.89c 73.07±1.93b 89.29±1.93a 47.23±0.83c 磷酸盐 PO4 3−-P 95.52±0.14a 69.36±10.25b 98.37±0.28a 98.93±0.53a 59.13±2.70c 总氮 TN 42.64±9.32a 38.91±0.90ab 33.46±2.87bc 18.23±2.99d 29.63±3.17c 总磷 TP 46.04±3.50b 55.10±4.91a 39.43±5.22b 20.63±0.40c 41.54±4.23b 化学需氧量 COD −9.94±5.03a 5.95±0.70a −20.35±5.69a −28.49±6.54b −155.94±3.12c 2.4.2 养殖尾水中N、P营养盐变化
不同牡蛎规格和螺旋藻耦合对养殖尾水中的N、P营养盐具有明显的净化效果 (表2，图4)。实验第35天各组NH4 +-N质量浓度均降低，第70天NH4 +-N质量浓度均上升，但各组质量浓度始终维持在1.00 mg·L−1以下。各组NO2 −-N质量浓度第35天均维持在0.30 mg·L−1以下，第70天 S、M、L和BC组质量浓度均升高，各组始终维持在1.20 mg·L−1以下。S、M、L和NC组的NO3 −-N 质量浓度70 d内均呈降低趋势，由第0天的 (22.95±0.96)、(22.99±0.72)、(22.77±1.19) 和 (22.84±0.88) mg·L−1分别降至 (3.71±1.62)、(10.37±1.56)、(5.81±0.46) 和 (2.13±0.07) mg·L−1，其去除率分别为83.85%、54.88%、74.50%和90.67%。S、L和NC组的NO3 −-N去除率显著高于对照组 (48.54%, P<0.05)，M组的去除率无显著性差异 (P>0.05)。总TIN的质量浓度变化与NO3 −-N基本一致，S、M、L和NC组的TIN质量浓度由第0天的 (23.24±0.91)、(23.41±0.63)、(23.36±1.30) 和 (23.31±0.92) mg·L−1分别降至 (5.28±1.44)、(11.93±1.95)、(6.29±0.42) 和 (2.50±0.45) mg·L−1，其去除率分别为77.30%、49.05%、73.07%和89.29%。S、L和NC组的TIN去除率均显著高于BC组 (47.23%, P<0.05)，M组的去除率与BC组相比无显著性差异 (P>0.05)。
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图 4 养殖尾水中氮磷营养盐浓度变化Figure 4. Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in aquaculture tail waterS、M、L和NC组PO4 3−-P质量浓度由第0天的 (1.90±0.13)、(2.30±0.18)、(1.76±0.24) 和 (2.00±0.20) mg·L−1，分别降至第70天的 (0.09±0.09)、(0.71±0.38)、(0.03±0.01) 和 (0.02±0.01) mg·L−1，其去除率分别为95.52%、69.36%、98.37%和98.93%，均显著高于BC组 (59.13%, P<0.05)。
S、M和L组的TN质量浓度由第0天的 (44.15±2.33)、(41.24±0.89) 和 (41.65±4.89) mg·L−1分别降低至第70天的 (25.32±2.67)、(25.20±0.90) 和 (27.71±2.87) mg·L−1，其去除率分别为42.64%、38.91%和33.46%，均显著高于NC组 (18.23%, P<0.05)。TP质量浓度由 (4.30±0.41)、(4.21±0.39) 和 (4.21±0.20) mg·L−1分别降低至 (2.32±0.12)、(1.90±0.09) 和 (2.55±0.31) mg·L−1，其去除率分别为46.04%、55.10%和39.43%，均显著高于NC组 (20.63%, P<0.05)。
2.4.3 养殖尾水中COD的变化
COD变化趋势与TSS基本一致 (图5-a，表2)。S、L和NC组由第0天的(34.85±3.45)、(31.91±1.08) 和 (34.72±3.79) mg·L−1升高至第70天的 (41.34±0.43)、(38.41±2.35) 和 (44.62±0.94) mg·L−1，其去除率分别为−9.94%、−20.35%和−28.49%。M组由 (35.95±1.96) mg·L−1下降至 (33.81±4.01) mg·L−1，去除率为5.95%。
2.4.4 养殖尾水中总碱度的变化
实验期间，各组总碱度均呈先升高后降低再升高的趋势 (图5-b)，各组之间无显著性差异 (P>0.05)。
2.5 空白对照组中微藻及藻密度变化
对照组中自然生长的优势微藻经鉴定为卵囊藻 (图6)。藻浓度变化如图7所示，由第0天的 (3.23±0.29)×105个·mL−1增长至第70天的 (1.07±0.38)×107 个·mL−1 (P<0.05)。
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图 7 对照组卵囊藻密度变化注：不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)。Figure 7. Change in density of oocysts in control groupNote: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).2.6 水体理化指标变化
养殖实验期间水体温度、溶解氧、pH和盐度分别为 (18.3±4.3) ℃、(5.25±0.45) mg·L−1、8.6±0.3和 (17±1)‰ (表3)。总体而言，常规水质理化指标相对稳定，可满足香港牡蛎和钝顶螺旋藻的正常生长需求。
表 3 水体常规理化指标变化Table 3. Changes of physical and chemical indicators in water组别
Group温度
Temperature/℃溶解氧
Dissolved oxygen/(mg·L−1)pH 盐度
Salinity/‰小规格组 Small size (S) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 中规格组 Medium size (M) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 大规格组 Large size (L) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 阴性对照组 Negative control (NC) 18.3±4.3 5.3±0.4 8.3~8.9 17±1 空白对照组 Blank control (BC) 18.3±4.3 5.1±0.3 8.3~8.7 17±1 3. 讨论
3.1 尾水的资源化循环效益
资源的回收和再利用是实现尾水净化以及可持续发展的关键点，养殖尾水作为一种富营养化的水体，是一种可循环利用的资源。传统的泡沫分离法水处理工艺处理悬浮颗粒物速度快、效率高，如有研究显示在2 min 水力停留时间内可去除34.06% 的TSS[20]，但该方法对溶解态的N、P的去除效果不理想[21]，如NH4 +-N和NO2 −-N的去除率只有8.5%和0.15%[22]，且用于处理海水养殖尾水时设备损耗快、运行成本高[23]。化学氧化处理方法虽然效率高，如臭氧技术改善养殖尾水水质时，对NH4 +-N、NO2 −-N、NO3 −-N和PO4 3−-P的去除率分别为97.48%、99.26%、97.84%和33.65%[24]，但处理成本较高且臭氧使用不当有造成二次污染的风险[25]。相比而言，物理和化学处理技术均不能实现尾水营养盐的循环利用，本研究采用尾水培养微藻去除N、P营养盐，再利用滤食性贝类摄食尾水中微藻和悬浮物的生物处理方法，不仅能实现尾水的高效净化，且能收获微藻和贝类，兼具生态和经济效益。
3.2 贝、藻的生态适应性
温度是影响鱼类、贝类等变温动物生命活动、机体代谢及能量转化的主要因素[26]，同时也是决定水体中微藻呼吸强度的能源水平的重要环境因子[27]，pH、盐度、溶解氧和光照也是影响水生动植物健康生长的重要水质因子。香港牡蛎在10~33 ℃均可存活，最适宜水温为15~25 ℃，适宜盐度为5‰~25‰，适宜pH为 8.0~8.6；螺旋藻生长存活温度为15~40 ℃，但螺旋藻喜高温，最适生长温度一般在28~35 ℃[28]，并可驯化在较低盐度下存活[29]，适宜pH为8~11。本实验期间水体相关理化指标均可满足香港牡蛎和钝顶螺旋藻的生长存活需求，但实验结束时牡蛎成活率相对较低，可能是受水体的藻浓度或悬浮颗粒物影响。宋强等[30]研究指出，由于贝类的生理和自身摄食机制受到高浓度TSS水域的限制，会出现摄食减少和机体损伤的不适反应。Suedel等[31]也认为水体中TSS浓度与牡蛎的运动频次存在显著负相关，且会影响牡蛎成活率。本研究后期香港牡蛎成活率明显降低，可能是螺旋藻浓度升高，水体中的TSS也不断升高，高浓度 的TSS使牡蛎产生生理应激反应所导致。因此，贝-微藻原位处理养殖尾水时，选用合适的贝类、微藻品种以及微藻密度，将有助于实现尾水的资源化利用。
3.3 牡蛎对水体中TSS的净化效果
水体中的TSS主要包括细菌、浮游植物、残饵、代谢产物等，这些TSS大量存在于各类养殖尾水中。用牡蛎处理养殖尾水时，其可摄食养殖水体中的各种藻类、原生动物和细菌等[32]供给自身生长所需，通过生物沉淀和生物过滤的方式净化水体中的TSS。当水体中TSS去除效果不明显时，会影响水体透明度、溶解氧含量以及微藻生长[33]，出现水质恶化反复的问题。Clemence等[34]用滤食性贝类对沿海水华水体中TSS的沉积率进行了研究，发现贝类对TSS的沉降量可达50%以上。Ramos和Navarro[35]的研究显示牡蛎对TSS的滤食去除率可达34.13%，且能去除95.24%的浊度，从而改善尾水质量。本实验中，水体中的TSS主要以微藻和细菌的形式存在，实验第70天 M组的TSS浓度出现降低，而NC组TSS最高，S和L组TSS增加但增加量低于NC组，表明3种规格的牡蛎均可降低TSS浓度，从而净化水质。付家想等[36]研究香港巨牡蛎 (Magallana hongkongensis) 的摄食率和清滤率发现，随个体大小的增加，个体摄食率和清滤率也明显上升。本研究也显示出相似结果，实验第35天 L组的TSS浓度低于S、M和NC组，但第70天时，受牡蛎的成活率和个体摄食率的双重影响，M组相比于S和L组对TSS具有更明显的净化效果。
3.4 贝、藻耦合对水体中N、P的净化效果
集约化海水养殖尾水中高浓度的N、P营养盐是制约尾水排放的重要壁垒[5,37]。当前大量研究发现微藻可以有效净化养殖尾水并可提升微藻生物量[16,38]。微藻对水产养殖尾水的净化效果受微藻细胞藻浓度、光照和温度等多种因素的影响。微藻作为贝类食物来源，可被贝类通过滤水和滤食作用利用[36]。吕俊平等[39]通过设置不同藻浓度 (25~400 mg·L−1) 处理水产养殖尾水，发现较高浓度的藻液对养殖尾水中NO3 −-N的去除率 (91.42%) 显著高于低浓度组 (57.14%)。Comeau[40]的研究也发现，不同规格的牡蛎均对微藻数量有抑制作用，且单位个体的清滤率与个体大小呈显著正相关。在本研究中，基于螺旋藻和香港牡蛎是同时进入养殖尾水，水体理化指标变化也基本一致，结果显示，螺旋藻增长量NC组>S组>L组>M组，说明M组对螺旋藻的摄食作用最佳。水体中无机氮、无机磷营养盐的去除效果也与藻浓度密切相关，表现为M组的TIN、PO4 3−-P去除率 (49.05%、69.36%) 均低于S组 (77.30%、95.52%)、L组 (73.07%、98.37%)，且均低于NC组 (89.29%、98.93%)。BC组中无机氮、无机磷营养盐也有较高的去除率，原因可能是生物絮团养殖尾水中含有卵囊藻，实验期间卵囊藻大量繁殖引起。Geng等[41]研究发现废水中的污染物被微藻生物质吸收，三角帆蚌 (Hyriopsis cumingii) 通过连续滤食微藻能去除水体中92.89%的TP。曹煜成等[42]研究指出钝顶螺旋藻的细胞生物量与其所含TN、TP间均存在显著的线性正相关性。本研究中，实验第70天S、M和L组对TN、TP均有明显的净化效果，其中M组净化效果最佳，TN和TP去除率分别为38.91%和55.10%，高于NC组的18.23%和20.63%。由于NC组与实验组水体中螺旋藻浓度有一定差异，实验组的螺旋藻被贝类摄食后藻量减少，势必引起TN、TP浓度的降低。M组无机氮、无机磷和TN、TP的净化表现出相反的效果，这可能是因为M组牡蛎对螺旋藻滤食效果最佳，因此对TN、TP的去除率显著高于其他实验组，但同时影响了螺旋藻对无机氮、无机磷的吸收，导致M组无机氮、无机磷的净化效果较差。
综上所述，用不同规格牡蛎耦合螺旋藻净化含有高浓度N、P营养盐的养殖尾水，实验第70天M组体质量增长显著高于S和L组 (P<0.05)，且对螺旋藻有较好的摄食效果，明显降低了TSS的浓度；NC组去除无机氮、无机磷效果最好，去除率分别为89.29%、98.93%；M组去除TN、TP效果最优，去除率分别为38.91%、55.10%。表明香港牡蛎耦合螺旋藻净化养殖尾水具有良好的效果，但当TSS较高时，牡蛎可能产生应激反应而出现负效应，若将牡蛎和螺旋藻培养进行异位处理或调整营养盐与牡蛎生物量及规格大小配比，或有利于提高尾水的净化效果。
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图 1 螺旋藻密度变化
注：组内不同上标字母表示差异显著 (P<0.05)；图中螺旋藻密度用以 10 为底的对数形式表示。
Figure 1. Quantity change of spirulina
Note: Values with different letters within the same group indicate significant differences (P<0.05). Spirulina densities are shown in logarithmic form with a base of 10.
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图 2 香港牡蛎胃内容物中的藻类 (400×)
Figure 2. Algae in stomach contents of C. hongkongensis (400×)
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图 4 养殖尾水中氮磷营养盐浓度变化
Figure 4. Concentration variation of nitrogen and phosphorus nutrients in aquaculture tail water
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图 7 对照组卵囊藻密度变化
注：不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)。
Figure 7. Change in density of oocysts in control group
Note: Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).
表 1 牡蛎的生长及存活
Table 1 Growth and survival of C. hongkongensis
项目
Item时间
t/d小规格组
Small size (S)中规格组
Medium size (M)大规格组
Large size (L)成活率
Survival rate/%35 93.33±2.25a 93.33±6.93a 70.00±8.16b 70 57.78±8.40a 37.78±3.87b 26.67±5.77b 体质量增长率
Weight gain rate/%35 0.35±0.60a 0.07±0.93a −3.91±5.01a 70 −0.08±1.78b 2.57±0.24a 1.44±0.34b 注：同行数据的不同上标字母表示差异显著 (P<0.05)，后表同此。 Note: Values with different letters within the same line indicate significant differences (P<0.05). The same case in the following tables. 
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表 2 养殖尾水水质净化效果 (以去除率计)
Table 2 Purification effect of aquaculture tail water (Calculated by removal rate)
% 水质指标
Water quality indicator小规格组
Small size (S)中规格组
Medium size (M)大规格组
Large size (L)阴性对照组
Negative control (NC)空白对照组
Blank control (BC)总悬浮颗粒物 TSS −38.89±13.35ab 30.61±19.93a −75.01±36.35bc −124.52±22.10c −325.86±50.91d 硝酸盐 NO3 −-N 83.85±6.78b 54.88±4.29d 74.50±2.09c 90.67±0.36a 48.54±1.21d 总无机氮 TIN 77.30±5.87a 49.05±5.89c 73.07±1.93b 89.29±1.93a 47.23±0.83c 磷酸盐 PO4 3−-P 95.52±0.14a 69.36±10.25b 98.37±0.28a 98.93±0.53a 59.13±2.70c 总氮 TN 42.64±9.32a 38.91±0.90ab 33.46±2.87bc 18.23±2.99d 29.63±3.17c 总磷 TP 46.04±3.50b 55.10±4.91a 39.43±5.22b 20.63±0.40c 41.54±4.23b 化学需氧量 COD −9.94±5.03a 5.95±0.70a −20.35±5.69a −28.49±6.54b −155.94±3.12c
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表 3 水体常规理化指标变化
Table 3 Changes of physical and chemical indicators in water
组别
Group温度
Temperature/℃溶解氧
Dissolved oxygen/(mg·L−1)pH 盐度
Salinity/‰小规格组 Small size (S) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 中规格组 Medium size (M) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 大规格组 Large size (L) 18.3±4.3 5.2±0.4 8.3~8.7 17±1 阴性对照组 Negative control (NC) 18.3±4.3 5.3±0.4 8.3~8.9 17±1 空白对照组 Blank control (BC) 18.3±4.3 5.1±0.3 8.3~8.7 17±1
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[1] 王玉贞, 常志强, 陈钊, 等. 两种典型对虾养殖模式的经济与生态效益分析[J]. 中国渔业经济, 2022, 40(4): 85-92. [2] 韩佳民, 苏胜齐. 生物絮团技术研究进展与应用概述[J]. 水产科学, 2022, 41(3): 491-503. [3] FIGUEROA-ESPINOZA J, RIVAS-VEGA M E, de los ÁNGELES MARISCAL-LÓPEZ M, et al. Reusing water in a biofloc culture system favors the productive performance of the Nile tilapia (Oreochromis niloticus) without affecting the health status[J]. Aquaculture, 2022, 558: 738363. doi: 10.1016/j.aquaculture.2022.738363
[4] KHANJANI M H, SHARIFINIA M, HAJIREZAEE S. Recent progress towards the application of biofloc technology for tilapia farming[J]. Aquaculture, 2022, 552: 738021. doi: 10.1016/j.aquaculture.2022.738021
[5] 范鹏程, 徐武杰, 文国樑, 等. 基于生物絮团技术构建的零换水养殖系统对凡纳滨对虾高密度养殖效果分析[J]. 南方农业学报, 2019, 50(12): 2833-2840. [6] CHEN Y, DONG S L, WANG F, et al. Carbon dioxide and methane fluxes from feeding and no-feeding mariculture ponds[J]. Environ Pollut, 2016, 212(5): 489-497.
[7] 马志洲, 欧小华. 广东省海水养殖现状与持续发展[J]. 海洋与渔业, 2018(7): 90-93. [8] LIU M, YUAN J L, NI M, et al. Assessment of the effectiveness of a field-scale combined ecological treatment system at removing water pollutants, after optimization using a system dynamic model: a case study of rural inland ponds in China[J]. Environ Sci Pollut Res, 2022, 29(20): 30169-30183. doi: 10.1007/s11356-021-17454-x
[9] 汤保贵, 周晖, 赵力强, 等. 香港牡蛎在异地基围育肥时的生长、形态及体成分变化[J]. 水生生物学报, 2022, 69(12): 1443-1452. [10] JIANG G W, LI Q, XU C X. Growth, survival and gonad development of two new types of reciprocal triploid hybrids between Crassostrea gigas and C. angulata[J]. Aquaculture, 2022, 559: 738451. doi: 10.1016/j.aquaculture.2022.738451
[11] JONES A B, DENNISON W C, PRESTON N P. Integrated treatment of shrimp effluent by sedimentation, oyster filtration and macroalgal absorption: a laboratory scale study[J]. Aquaculture, 2001, 193(1/2): 155-178.
[12] 陈盛仕, 刘梓宜, 李梦琪, 等. 钝顶螺旋藻藻蓝蛋白的提取工艺优化及其纯化研究[J]. 广西科学院学报, 2022, 38(4): 388-402. [13] ELARABY D A, AMER S A, ATTIA G A, et al. Dietary Spirulina platensis phycocyanin improves growth, tissue histoarchitecture, and immune responses, with modulating immunoexpression of CD 3 and CD 20 in Nile tilapia, Oreochromis niloticus[J]. Aquaculture, 2022, 546(51): 737413.
[14] SIMON R, MARCO C, CHRISTIAN R, et al. Feeding green: spirulina (Arthrospira platensis) induced changes in production performance and quality of salmonid species[J]. Aquac Res, 2022, 53(12): 4276-4287. doi: 10.1111/are.15925
[15] 张少军, 周毅, 张延青, 等. 滤食性双壳贝类对工厂化养殖废水中悬浮物的生物滤除研究[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(2): 363-367. [16] 郝聚敏, 郑江, 黎中宝, 等. 钝顶螺旋藻在养虾废水中的生长研究[J]. 水生态学杂志, 2011, 32(3): 149-152. [17] UMMALYMA S B, SINGH A. Biomass production and phycoremediation of microalgae cultivated in polluted river water[J]. Bioresource Technol, 2022, 351: 126948. doi: 10.1016/j.biortech.2022.126948
[18] 马晓娜, 李甍, 孙国祥, 等. 贝藻混养对大西洋鲑养殖废水的生物滤除[J]. 海洋科学, 2016, 40(1): 32-39. [19] YANG L M, LI H K, LU Q, et al. Emerging trends of culturing microalgae for fish-rearing environment protection[J]. J Chem Technol Biot, 2021, 96(1): 31-37. doi: 10.1002/jctb.6563
[20] 季明东, 李建平, 叶章颖, 等. 泡沫分离器去除养殖循环水中不同粒径细微颗粒物的效果[J]. 农业工程学报, 2018, 34(19): 202-207. [21] BUN S, CHAWALOESPHONSIYA N, ERMUKDAKUL T, et al. Suspended solid and nitrate removal from aquaculture system wastewater by different approaches[J]. Desalin Water Treat, 2017, 81: 87-94. doi: 10.5004/dwt.2017.21198
[22] 孙大川, 吴嘉敏. 泡沫分离器在循环水养殖系统中的水处理效果[J]. 上海水产大学学报, 2008(1): 113-117. [23] MUSA M A, IDRUS S. Physical and biological treatment technologies of slaughterhouse wastewater: a review[J]. Sustainability, 2021, 13(9): 4656. doi: 10.3390/su13094656
[24] 叶丙聪, 吕布, 周建聪, 等. 2种氧化法对模拟水产养殖废水净化效果[J]. 广东海洋大学学报, 2022, 42(3): 33-38. [25] 刘小沙, 李飞, 高欣东, 等. 海水养殖尾水集成处理技术[J]. 河北渔业, 2022(6): 17-19, 21. [26] 邓吉河. 浅谈水温与鱼类的关系[J]. 黑龙江水产, 2019(1): 25-27. [27] ZHANG L T, LIU J G. Effects of heat stress on photosynthetic electron transport in a marine cyanobacterium Arthrospira sp.[J]. J Appl Phycol, 2016, 28(2): 757-763. doi: 10.1007/s10811-015-0615-4
[28] CAN S S, KORU E, CIRIK S. Effect of temperature and nitrogen concentration on the growth and lipid content of Spirulina platensis and biodiesel production[J]. Aquac Int, 2017, 25(4): 1485-1493. doi: 10.1007/s10499-017-0121-6
[29] 钟熙, 王磊, 陈世平. 海水螺旋藻培育及养殖技术研究[J]. 水产养殖, 2020, 41(1): 58-60. [30] 宋强, 方建光, 刘慧, 等. 沉积再悬浮颗粒物对3种滤食性贝类摄食生理的影响[J]. 海洋水产研究, 2006, 27(4): 21-28. [31] SUEDEL B C, CLAEKE J U, WILKENS J, et al. The effects of a simulated suspended sediment plume on eastern oyster (Crassostrea virginica) survival, growth, and condition[J]. Estuar Coast, 2015, 38(2): 578-589. doi: 10.1007/s12237-014-9835-0
[32] GREEVE Y, BERGSTROM P, STRAND A, et al. Estimating and scaling-up biomass and abundance of epi-and infaunal bivalves in a Swedish archipelago region: implications for ecological functions and ecosystem services[J]. Front Mar Sci, 2023, 10: 1105999. doi: 10.3389/fmars.2023.1105999
[33] FOLADORI P, PETRINI S, ANDREOTTOLA G. How suspended solids concentration affects nitrification rate in microalgal-bacterial photobioreactors without external aeration[J]. Heliyon, 2020, 6(1): e03088. doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e03088
[34] CLEMENC C, ALEXANDRA V, CHRISTPHE S, et al. Ultrafiltration for environmental safety in shellfish production: a case of bloom emergence[J]. Water Sci Eng, 2021, 14(1): 46-53. doi: 10.1016/j.wse.2021.03.003
[35] RAMOS R, NAVARRO A. Treatment of effluents of the Seriola lalandi culture by sedimentation, filtration and absorption processes at different hydraulic retention times[J]. Rev Biol Mar Oceanog, 2019, 54(3): 297-307.
[36] 付家想, 蓝文陆, 李天深, 等. 香港巨牡蛎对3种浮游植物摄食率和滤清率的研究[J]. 海洋学报 (中文版), 2017, 39(8): 62-69. [37] 翁歆之. 生物絮团技术在凡纳滨对虾集约化养殖中的研究现状与展望[J]. 中国水产, 2022(8): 66-68. [38] PRABHATH G P W A, SHUKLA S P, SRIVASTAVA P P, et al. Downstream processing of biomass produced in aquaculture wastewater for valuable pigments from the cyanobacterium Spirulina (Arthrospira) platensis: a green and sustainable approach[J]. Aquac Int, 2022, 30(6): 3081-3106. doi: 10.1007/s10499-022-00949-w
[39] 吕俊平, 折雨亭, 刘洋, 等. 不同接种浓度绿球藻对水产养殖废水净化的影响[J]. 水生生物学报, 2021, 45(3): 617-624. [40] COMEAU L A. Suspended versus bottom oyster culture in eastern Canada: comparing stocking densities and clearance rates[J]. Aquaculture, 2013, 410: 57-65.
[41] GENG B, LI Y C, LIU X, et al. Effective treatment of aquaculture wastewater with mussel/microalgae/bacteria complex ecosystem: a pilot study[J]. Sci Rep, 2022, 12(1): 2263. doi: 10.1038/s41598-021-04499-8
[42] 曹煜成, 孙志伟, 徐煜, 等. 三种微藻的生物量与其细胞氮磷碳的相互关系[J]. 生态科学, 2022, 41(4): 204-211. -
期刊类型引用(3)
1. 付嘉琦，闫冰，詹聪，吴莉，夏嵩. 微藻生物技术在现代农业中的应用. 中国生物工程杂志. 2025(01): 76-87 . 
百度学术
2. 刘强. 大型海藻对马氏珠母贝养殖尾水的净化效果. 乡村科技. 2024(03): 139-141 . 百度学术
3. 佟飞，冯雪，袁华荣，陈钰祥，舒黎明，刘雁，陈丕茂. 牡蛎养殖对大鹏澳环境因子与浮游菌落扰动研究. 南方水产科学. 2024(05): 32-41 . 本站查看
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