高俊暉，阮成旭，袁重桂，游麗娟，崔笑

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中，由于養(yǎng)殖投放的餌料中含有大量蛋白質(zhì)，水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象明顯．在生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的新常態(tài)下，養(yǎng)殖尾水治理工作備受關(guān)注．據(jù)估計，養(yǎng)殖過程投放的餌料中只有9．1%的氮元素和17．4%的磷元素被魚類吸收，殘余的餌料及魚類糞便都以污染物的形式存在于水體中[1]．浮游植物有較強吸收和降解這類污染物質(zhì)的能力，Abdelraouf等[2]利用四尾柵藻( Scenedesmus quadricauda)和普通小球藻( Chlorella vulgaris)處理養(yǎng)殖廢水，處理后廢水的COD、BOD5可達到排放標(biāo)準，氮、磷去除率均達到100%．

無論是水產(chǎn)養(yǎng)殖還是自然水體中，都存在著微生態(tài)系統(tǒng)．在各種環(huán)境因子條件相對穩(wěn)定的情況下，浮游植物群落結(jié)構(gòu)中會自然生長出少數(shù)幾種絕對優(yōu)勢種群，占據(jù)水體中絕大部分營養(yǎng)成分和生存空間，導(dǎo)致其他種群處于劣勢地位，劣勢種群由于沒有足夠的營養(yǎng)和生存空間，可能直接在微生態(tài)系統(tǒng)中消亡．有報道稱，低頻超聲波施加周期( 2～4) h·d-1能夠在一定程度上抑制浮游植物的生長，但不會殺滅浮游植物，有良好的抑藻效果[3]．但超聲波對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響目前還沒有相關(guān)研究報道．本試驗基于低頻超聲波對浮游植物的種群抑制作用，探究其對浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，旨在為養(yǎng)殖尾水治理提供依據(jù)．

1材料和方法

1．1材料

斑馬魚來自福州大學(xué)生態(tài)養(yǎng)殖基地子代成魚;藻種液由福州大學(xué)生態(tài)養(yǎng)殖基地水體中篩選純化;餌料購自上海大江水產(chǎn)飼料科技有限公司．

1．2設(shè)備

超聲波發(fā)生儀( THD-M1，深圳科美達超聲波設(shè)備有限公司) ;光學(xué)顯微鏡( XP-132，炳宇光學(xué)儀器有限公司) ;玻璃魚缸( 38 cm×38 cm×30 cm，福州淞盛水族館)

1．3試驗方法

試驗采用單因子梯度試驗法，設(shè)置試驗組及空白對照組，其中對照組不進行超聲波作用．試驗組I、II、III對應(yīng)設(shè)置低頻超聲波頻率分別為20、28、40 kHz，每組設(shè)置3個平行試驗．魚缸中水量30 L，養(yǎng)殖20條體長( 3．2±0．2) cm、體質(zhì)量( 0．51±0．09) g、魚齡(孵化后4個月)基本相同的斑馬魚，每日8: 00和18: 00投喂，日投食量為魚體質(zhì)量的2%，投喂1 h后啟動超聲波作用養(yǎng)殖水體．設(shè)置光照強度3000 lx，光暗周期比為12L∶12D，曝氣充氧，試驗期間溫度控制在( 28±1)℃．采集多種養(yǎng)殖水體，分離出18屬單細胞浮游植物純培養(yǎng)，分別取10 mL(豐度5．0×104ind·L-1)藻種液接種至試驗水體中，斑馬魚正常代謝產(chǎn)生的糞便和飼料殘留為水體中浮游植物提供營養(yǎng)來源，使浮游植物可以自然演替出微生態(tài)系統(tǒng)．超聲波作用試驗條件詳見表1．

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 22．0進行單因素方差分析，如差異具有統(tǒng)計學(xué)意義( P<0．05)則采用Duncan’s多重比較進行分析．

浮游植物分類與定性參照《中國常見淡水藻類圖譜》[4]．

1．4數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

根據(jù)下列公式計算浮游植物豐度N、Shannon wiener多樣性指數(shù)( H)、Pielou均勻度指數(shù)( J)、Margalef豐富度指數(shù)( D)和物種優(yōu)勢度( Y)[5-10]．

式中: V為1 L水樣濃縮后的體積; V'為計數(shù)框的容積; N為觀察到的物種個體總數(shù); Pi為第i種的個體占所有個體總數(shù)的比例; S為所有物種數(shù)目; ni為第i種的數(shù)量; fi為第i種出現(xiàn)的頻率;將Y>0．1的浮游植物判定為主要優(yōu)勢種屬．

2試驗結(jié)果

2．1不同頻率超聲波對養(yǎng)殖水體浮游植物豐度的影響

試驗共歷時40 d，期間水體中的斑馬魚生存活動情況均良好，攝食行為正常，沒有出現(xiàn)死亡情況，各組斑馬魚體質(zhì)量差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義( P>0．05)．各試驗組和對照組的浮游植物豐度變化情況見圖1，在不同頻率超聲波作用下，試驗進行的前15 d，浮游植物豐度呈現(xiàn)基本相同的上升趨勢，至20 d各組浮游植物生長達到一個峰值，20 d后浮游植物豐度都穩(wěn)定維持在一個范圍內(nèi)．由40 d時各試驗組和對照組浮游植物豐度數(shù)據(jù)可知，對照組和試驗組I浮游植物豐度差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義( P>0．05)，試驗組II、III與試驗組I、對照組豐度差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義( P<0．05)，試驗組III中浮游植物的豐度最低．與對照組相比，試驗組II、III的浮游植物豐度分別降低了28．3%和56．7%．

2．2不同頻率超聲波對養(yǎng)殖水體浮游植物群落種類數(shù)的影響

采集的藻種液，經(jīng)過取樣分析，共鑒定出綠藻門( Chlorophyta)、甲藻門( Dinophyta)、藍藻門( Cya nophyta)和硅藻門( Bacillariopyta) 4門16屬浮游藻類．在超聲波頻率作為唯一變量的條件下，經(jīng)過40 在養(yǎng)殖水體中生長繁殖和生態(tài)系統(tǒng)的演化，各試驗組和對照組浮游植物群落種類見圖2．試驗組I水體中正常生存的浮游植物14屬，隨著超聲波作用頻率提高，試驗組II和試驗組III的水體中種類有所減少，分別為12屬和9屬，而在對照組中，僅鑒定出8屬．

2．3不同頻率超聲波對養(yǎng)殖水體浮游植物生物多樣性的影響

經(jīng)過對浮游植物計數(shù)與計算，不同頻率超聲波對養(yǎng)殖水體浮游植物生物多樣性影響結(jié)果見表2、3．對照組的多樣性指數(shù)( H)、均勻度指數(shù)( J)和豐富度指數(shù)( D)分別為0．768±0．011、0．369±0．050和0．531± 0．007，為各組最低，與試驗組差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義( P<0．05)，其中小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)豐度達到4．2×105、0．8×105ind·L-1，為優(yōu)勢浮游植物．試驗組I的多樣性指數(shù)( H)和豐富度指數(shù)( J)分別為1．661±0．055、1．071±0．020，為各組最高，與其它試驗組及對照組的差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義( P<0．05) ;均勻度指數(shù)( D)為0．613±0．011，與試驗組III差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義( P>0．05)，但高于試驗組II和對照組;其中小球藻屬( Chlorella)、柵藻屬( Scenedesmus)和小環(huán)藻屬( Cyclotella)豐度達到1．8×105、1．4×105、0．8×105ind·L-1，為優(yōu)勢浮游植物．試驗組II中小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)、色球藻屬( Chroococcus)及直鏈藻屬( Melosira)的豐度達到0．9×105、1．2×105、0．6×105、0．7×105ind·L-1，為優(yōu)勢浮游植物．試驗組III中小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)豐度達到0．9×105、0．9×105ind·L-1，為優(yōu)勢浮游植物．

3 討論

已有不少研究表明，超聲波在除去和抑制浮游植物生長方面有一定作用．如姜登嶺等[3]使用超聲波60 kHz、( 2～6)次·d-1，作用時間1 min，可將培養(yǎng)水樣浮游OD400由0．25降至0．12．徐鵬飛等[11]使用超聲波1 200 W、每兩天1次，作用時間2 min等條件下，超聲波對微囊藻去除效果良好，其葉綠素a去除率為82%．本研究設(shè)定了20、28和40 kHz等3種低頻率超聲波，與對照組相比，浮游植物豐度在養(yǎng)殖水體中生長受到了一定的抑制，并且隨著作用頻率的增高，豐度表現(xiàn)為減少的趨勢，至作用頻率達40 kHz時，浮游植物豐度減少了約50%．

有關(guān)超聲波抑制和殺滅浮游植物的作用機理說法不一．潘彩萍等[12]認為超聲波抑制浮游植物生長主要是機械效應(yīng)，在高頻高功率超聲波作用下的水體中，空泡化破裂過程中，產(chǎn)生相對高速的射流，強烈沖擊波導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)的破壞; Broekman等[13]報道稱，超聲空化作用產(chǎn)生高溫、高壓環(huán)境可使浮游植物直接進入程序性死亡過程( PCD)，從而使一部分浮游植物消亡;而Joyce等[14]研究表明，超聲波對浮游植物抑制作用主要是使其體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，破壞了細胞壁原本結(jié)構(gòu); Wu等[15]研究也認為自由基效應(yīng)對浮游植物抑制作用更大．

盡管超聲波對浮游植物的抑制作用在機理上目前尚有爭議，但都肯定了其對浮游植物的抑制效果．本試驗設(shè)置低頻超聲波作用養(yǎng)殖水體，試驗組I中浮游植物的多樣性指數(shù)( H)和豐富度( D)為1．661±0．055 和1．071±0．020，正常存活14屬浮游植物，優(yōu)勢浮游植物4屬，相對于對照組，浮游植物多樣性有所提高，生態(tài)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，有利于降解養(yǎng)殖水體中由于飼料無法全部被魚類同化剩余的殘渣和糞便，以及保持養(yǎng)殖水體的健康穩(wěn)定．施加一定頻率的超聲波對抑制水體中浮游藻類豐度有明顯作用，同樣對構(gòu)建水體中生物多樣性有一定作用．分析原因可能為:在水體中每個浮游植物屬種以及個體對不同頻率超聲波作用的抗性應(yīng)有差異，本研究設(shè)置的環(huán)境因子適合于小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)生長繁殖．在對照組中，小球藻生長迅速，最終豐度達到4．2×105ind·L-1，優(yōu)勢度( Y)達0．7925，呈現(xiàn)絕對生長優(yōu)勢，并且占據(jù)了大部分的營養(yǎng)物質(zhì)和生存空間，導(dǎo)致其余物種呈現(xiàn)的相對劣勢，符合自然條件中水體生態(tài)結(jié)構(gòu)的特征．而試驗組I、II、III中的多樣性指數(shù)( H)、均勻度指數(shù)( J)、豐富度指數(shù)( D)均高于對照組，也可能是絕對優(yōu)勢物種受超聲波作用抑制的結(jié)果．

低頻超聲波在本試驗設(shè)置的環(huán)境因子中對浮游植物生物群落多樣性構(gòu)建有一定的作用，可為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中建立穩(wěn)定生物群落以及養(yǎng)殖尾水凈化處理提供參考．但在不同環(huán)境因子下，超聲波對浮游植物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響效果及超聲波頻率的優(yōu)化選擇還需要進一步的研究．