朱 曦，衣萌萌，王 淼，盧邁新

(1. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，大連 116023；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部熱帶亞熱帶水產(chǎn)資源利用與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510380)

微生物固定化載體篩選及其水質(zhì)處理效果研究

朱 曦1,2，衣萌萌2，王 淼2，盧邁新2

(1. 大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，大連 116023；2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所,農(nóng)業(yè)部熱帶亞熱帶水產(chǎn)資源利用與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510380)

固定化載體；蠟樣芽孢桿菌(Bacilluscereus)；負(fù)載性能；水質(zhì)

2015年中國水產(chǎn)品總產(chǎn)量6 699.65萬噸，比上年增長3.69%，漁業(yè)產(chǎn)值11 328.70億元，其中水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)值8 274.78億元，占漁業(yè)產(chǎn)值73.05%，可見水產(chǎn)養(yǎng)殖在全國漁業(yè)中占據(jù)重要地位[1-2]。但隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，養(yǎng)殖過程中過量輸入的氮、磷等引起的水質(zhì)污染問題日益嚴(yán)重[3-4]。

目前，對(duì)養(yǎng)殖水體的處理方法主要有物理法、化學(xué)法及生物法，其中生物法中的微生物法具有成本低，污染小，操控簡單，修復(fù)時(shí)間短等優(yōu)勢[5]，被研究者廣泛應(yīng)用[6-8]。但懸浮微生物法存在啟動(dòng)慢、菌體易流失、對(duì)激烈的水力條件變化敏感等缺陷[9]，而固定化微生物法與之相比，具有反應(yīng)啟動(dòng)快、操作穩(wěn)定、效率高、反應(yīng)易控、對(duì)環(huán)境耐受強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，因此在養(yǎng)殖廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景[13-15]。篩選得到吸附能力強(qiáng)、穩(wěn)定、廉價(jià)、無污染的微生物載體成為微生物修復(fù)研究方面的熱點(diǎn)之一[16]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 蠟樣芽孢桿菌來源

實(shí)驗(yàn)所用蠟樣芽胞桿菌(NY5株)可有效降低水體氨氮、亞硝酸鹽氮濃度，并對(duì)硝酸鹽氮也有一定的處理效果[18]。

1.2 不同載體對(duì)NY5的吸附

分別稱量10 g沸石、火山石、陶環(huán)、牡蠣殼、核桃殼，放入250 mL三角瓶中，滅菌后烘干備用。挑取NY5單菌落至LB液體培養(yǎng)基，170 r/min，30 ℃培養(yǎng)12 h后計(jì)數(shù)，分別將200 mL菌液倒入三角瓶中浸泡載體并靜置，對(duì)照組添加等體積的LB液體培養(yǎng)基，每組設(shè)3個(gè)平行。分別在2、4、6、8、12、24 h對(duì)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過同一時(shí)間點(diǎn)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組菌數(shù)之差確定載體在該時(shí)間對(duì)NY5的載菌量，并繪制相應(yīng)的吸附曲線，將載菌量最高的時(shí)間作為最佳吸附時(shí)間。載菌量計(jì)算公式為：

Yn=(C0-Cn)×V/G

其中，Yn為nh的載菌量(CFU/g)，C0為菌液初始濃度(CFU/mL)，Cn為nh的菌液濃度(CFU/mL)，V為菌液體積(mL)，G為載體質(zhì)量(g)。

1.3 固定化NY5處理養(yǎng)殖廢水

分別取60 g五種載體并用白色紗布包裹后裝入燒杯，滅菌后烘干備用。挑取NY5單菌落至LB液體培養(yǎng)基，170 r/min，30 ℃培養(yǎng)12 h后計(jì)數(shù)。分別將500 mL菌液倒入裝有載體的燒杯浸泡，并計(jì)算載體對(duì)NY5的吸附量(浸泡時(shí)間依據(jù)1.2 中的最佳吸附時(shí)間)。

表1 羅非魚養(yǎng)殖池塘廢水初始水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The initial water quality indicators of wastewater of Tilapia aquaculture ponds mg/L

1.4 水質(zhì)指標(biāo)檢測方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)同一取樣時(shí)間點(diǎn)的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，最終數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，通過Duncan對(duì)比同一時(shí)間點(diǎn)不同處理的差異，字母不同表示各組間存在顯著性差異，以P<0.05作為差異顯著性檢驗(yàn)水平。數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS 17.0軟件的描述統(tǒng)計(jì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過因子分析進(jìn)行主成分分析，并通過綜合評(píng)價(jià)函數(shù)(F)評(píng)價(jià)水質(zhì)處理效果[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同載體對(duì)NY5的吸附性能曲線

不同載體對(duì)NY5的吸附性能見圖1。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，各組載體載菌量總體呈先上升再下降最終趨于平緩的趨勢。沸石、火山石、陶環(huán)及牡蠣殼4種載體均在6 h時(shí)對(duì)NY5的吸附量達(dá)到最大，載菌量分別為1.25×109、6.88×108、8.57×108、 8.97×108CFU/g。核桃殼在4 h時(shí)出現(xiàn)最大載菌量，為8.37×108CFU/g，而6 h時(shí)也維持了較高的載菌水平，因此將6 h視為所有載體的最佳吸附時(shí)間。

圖1 各載體載菌量隨時(shí)間的變化Fig.1 The bacteria adsorption capacity of different carriers over time

2.2 固定化NY5對(duì)養(yǎng)殖廢水各指標(biāo)處理效果

圖2 不同處理組水體 -N濃度隨時(shí)間變化Fig.2 The -N concentration of different treatment groups over time 字母不同表示同一時(shí)間不同處理間存在 顯著差異(P<0.05)，下同。

圖3 不同處理組水體 -N濃度隨時(shí)間變化Fig.3 The -N concentration of different treatment groups over time

2.2.3 固定化NY5對(duì)養(yǎng)殖廢水TN的處理效果

各實(shí)驗(yàn)組TN濃度隨時(shí)間變化如圖4所示。第7天時(shí)火山石NY5組、陶環(huán)NY5組、牡蠣殼NY5組、核桃殼NY5組TN濃度均顯著低于空白對(duì)照和游離NY5組，其中牡蠣殼NY5組TN濃度與空白對(duì)照相比降低36.77%。第14天時(shí)游離NY5組、核桃殼NY5組和火山石NY5組TN濃度與空白對(duì)照相比分別降低36.58%、47.64%、51.64%。第21天時(shí)沸石NY5組、陶環(huán)NY5組、牡蠣殼NY5組、核桃殼NY5組TN濃度均低于空白對(duì)照，但差異不顯著，第28天和35天，除游離NY5組外，其他實(shí)驗(yàn)組TN濃度均低于空白對(duì)照，但差異不顯著。

圖4 不同處理組水體TN濃度隨時(shí)間變化Fig.4 The TN concentration of different treatment groups over time

圖5 不同處理組水體 -N濃度隨時(shí)間變化Fig.5 The -N concentration of different treatment groups over time

2.2.5 固定化NY5對(duì)養(yǎng)殖廢水COD的處理效果

各實(shí)驗(yàn)組COD濃度隨時(shí)間變化如圖6所示。第7天時(shí)各固定化NY5實(shí)驗(yàn)組COD濃度均低于空白對(duì)照和游離NY5組，其中沸石NY5組、火山石NY5組及核桃殼NY5組COD濃度與空白對(duì)照相比分別降低42.52%、46.46%、36.22%。第14天時(shí)火山石NY5組COD濃度顯著低于空白對(duì)照和游離NY5組。第21天時(shí)火山石NY5組、陶環(huán)NY5組、牡蠣殼NY5組COD濃度均低于空白對(duì)照，但差異不顯著。第28天時(shí)沸石NY5組、牡蠣殼NY5組COD濃度均低于空白對(duì)照，但差異不顯著。第35天時(shí)火山石NY5組COD濃度顯著低于空白對(duì)照和游離NY5組，而沸石NY5組及牡蠣殼NY5組COD濃度雖均低于空白對(duì)照，但差異不顯著。

圖6 不同處理組水體COD濃度隨時(shí)間變化Fig.6 The COD concentration of different treatment groups over time

2.3 固定化NY5對(duì)養(yǎng)殖廢水處理效果的綜合評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)測定的水質(zhì)指標(biāo)較多，但是單獨(dú)的某個(gè)指標(biāo)無法代表水質(zhì)的整體處理效果。主成分分析法及綜合評(píng)價(jià)函數(shù)通過降維處理對(duì)多維變量進(jìn)行綜合和簡化，可以較為準(zhǔn)確地了解各實(shí)驗(yàn)組的綜合表現(xiàn)，吉祝美等[22]在研究中詳述了綜合評(píng)價(jià)函數(shù)在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，因此為分析各實(shí)驗(yàn)組對(duì)養(yǎng)殖廢水的綜合處理效果優(yōu)劣，本實(shí)驗(yàn)采用主成分分析法提取各時(shí)間段各實(shí)驗(yàn)組水質(zhì)指標(biāo)的主成分，并通過綜合評(píng)價(jià)函數(shù)(F)對(duì)養(yǎng)殖廢水處理效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表2 各實(shí)驗(yàn)組對(duì)養(yǎng)殖廢水的綜合處理效果Tab.2 Comprehensive treatment effect of each group on the aquaculture wastewater

續(xù)表2

注：F1、F2、F3分別為第一主成分、第二主成分、第三主成分。

實(shí)驗(yàn)各載體NY5組水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表1，排名最后5位的依次是第28天時(shí)的牡蠣殼NY5組、第21天時(shí)的火山石NY5組、35 d時(shí)的牡蠣殼NY5組、第14天時(shí)的牡蠣殼NY5組和第35 d時(shí)的火山石NY5組，說明這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)水質(zhì)綜合處理效果較好，水質(zhì)得到改善，其中第35天時(shí)的火山石NY5組得分排名最后，說明第35天火山石NY5組水質(zhì)綜合處理效果最好。排名前5位的依次是第7 天時(shí)的游離NY5組、第28天時(shí)的核桃殼NY5組、第7天時(shí)的空白對(duì)照、第7 天時(shí)的陶環(huán)NY5組和第7 d時(shí)的沸石NY5組，說明這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)水質(zhì)較差，其中第7天時(shí)的游離NY5組排名最前，說明第7 天游離NY5組水質(zhì)綜合處理效果最差。

3 討論

3.1 各載體載菌能力

載體載菌的數(shù)量主要受其種類、比表面積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制[23]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所選取的各載體載菌能力依次為沸石>牡蠣殼>核桃殼>陶環(huán)>火山石。有研究表明，沸石具有多維孔道體系以及獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，因此具有很好的表面吸附性能[24]。而牡蠣殼具有棱柱層、葉片狀結(jié)構(gòu)，因此具備良好的吸附和包接能力。這兩種材料的特性均為NY5提供了更多的附著位點(diǎn)，因此具有相對(duì)較高的載菌能力。盡管各種載體的最大載菌量有差距，但是本實(shí)驗(yàn)所選取的沸石、牡蠣殼、核桃殼、陶環(huán)和火山石這五種載體對(duì)NY5的單位最大負(fù)載量均大于108CFU/g，表明這五種載體對(duì)NY5的負(fù)載性能都比較好，均可用于固定化NY5處理養(yǎng)殖廢水的進(jìn)一步研究。

3.2 不同固定化NY5組對(duì)養(yǎng)殖廢水處理效果

3.3 不同固定化NY5組對(duì)養(yǎng)殖廢水的綜合處理效果評(píng)價(jià)

由于各固定化NY5組在不同的水質(zhì)指標(biāo)處理方面的優(yōu)劣各異，為綜合評(píng)價(jià)各載體固定化NY5對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理效果，本實(shí)驗(yàn)通過主成分分析、引入綜合評(píng)價(jià)函數(shù)(F)量化描述各實(shí)驗(yàn)處理對(duì)養(yǎng)殖廢水的綜合處理效果。魯斐等[33]在研究中通過這種方法對(duì)遼河的水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，郭翔云等[34]通過這種方法對(duì)白洋淀水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。而在本實(shí)驗(yàn)中，通過綜合評(píng)價(jià)可以看出，各固定化NY5組對(duì)養(yǎng)殖廢水的綜合處理效果較好，其中火山石NY5組和牡蠣殼NY5組對(duì)養(yǎng)殖廢水的水質(zhì)改善效果尤為突出，相較于游離NY5也有明顯的優(yōu)勢，該結(jié)果與賈燕等[35]用固定化硝化細(xì)菌去除氨氮結(jié)果類似?？梢娀鹕绞?、牡蠣殼是在微生物固定化修復(fù)中具有良好潛力的載體，同時(shí)這兩種材料又具有廉價(jià)、穩(wěn)定、無污染的優(yōu)點(diǎn)。因此建議在使用益生菌處理養(yǎng)殖廢水時(shí)結(jié)合火山石、牡蠣殼以得到更長期、穩(wěn)定的效果。

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(責(zé)任編輯：鄧 薇)

Studies on screening of immobilized-microbe carriers and their effects for aquaculture wastewater treatment

ZHU Xi1,2, YI Meng-meng2, WANG Miao2, LU Mai-xin2

(1.CollegeofFisheriesandLifeScience,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China2.PearlRiverFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisheriesScience;KeyLaboratoryofTropical&SubtropicalFisheryResourceApplication&Cultivation,MinistryofAgriculture,Guangzhou510380,China)

immobilized carrier;Bacilluscereus; carrying capacity; water quality

2017-01-06；

2017-03-17

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)資金 (CARS-49);廣東省海洋漁業(yè)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)科技攻關(guān)與研發(fā)項(xiàng)目(A201401B04)

朱 曦(1990- )，男，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)樗a(chǎn)健康養(yǎng)殖技術(shù)。E-mail：zhuxi040471@163.com

盧邁新。 E-mail: mx-lu@163.com

S959

A

1000-6907-(2017)03-0058-08