使用江蓠属藻类从养殖废水中清除营养物
于2008年5月30日收到修改稿
于2008年7月18日采纳
于2008年9月7日在网站发布
关键词： 藻类、江蓠属、生物量、增长、营养物、生物降解
摘要
集约养殖释放大量的营养物到水生生态系统及其即可导致海岸水域的富营养化。在水产养殖方面所做的研究显示，海藻能有效的减少营养并且当这种经济价值被应用时能带来额外的收益。这个研究对Gracilaria birdiae 能否有效的培养出生产有用海藻的生物资源和去除虾池废水中的营养进行评估。获得的结果显示在实验期间生物量和增长率（RGR）在逐渐上升。平均增长率在几个星期发生显著变化（p<0.01），达到最大的3.6 ± 0.35% d－1,最小1.6 ± 0.52% d－1 。整段时间的平均值是2.6% d－1。在研究的时间段内三种营养素（PO43－,NH4－ 和NO3－）浓度显著降低使G. Birdiae的过滤能力得到确认。在为期四周的实验后PO43－浓度减少了93.5%，NH4－浓度减少了34%，NO3－浓度减少了100%。本研究结果表明G. Birdiae可以被应用在水产养殖方面。此外，藻类的生物质生产原料的来源对从人的食物动物的饲料中提取藻胶琼脂提供选择。
1.简介
快速扩张的水产养殖对在水栖生态系统中过度增长的营养物尤其是氮肥磷肥做出了积极的贡献［1］。这些营养物质通常来源于池塘施肥，耕种动物的饲料和代谢残留物。从这个意义上说，主要的挑战是发展无污染的策略，最大限度的减少这一行动所产生的负面效应。用最经济实用的方法来减少排向大海之前水产养殖区域的营养物浓度。使用藻类脱氮除磷是废水生物处理中一种潜在的替代品［2，3］。在这个意义上，综合培养不仅被认为是提高水质量的技术还是通过这种有机物的多元化培养带来经济效益的技术［4］。
综合培养体系，专注于整合不同的动物，有许多特征更类似于自然环境。在这些系统中，运用藻类代谢动物营养物的残留物，为系统环境吸收CO2产生O2。这种相互配合使一个机体的排泄物可以作为食物提供个另一个机体［5］。通常在一个平衡的系统中，一个互利生物体提供了生物修复的营养素并且增加平均单位栽培的生长率［2］。有几项研究［6-8］表明藻类培养在残余养殖水域吸收储存大量营养物质。这一结果在于为动物养殖改善水质，以及对环境的影响,考虑到水回到大海中的时候水中的营养物浓度很低。
有几项研究已表明，使用水产养殖的废水培养有经济价值的海藻在经济上是可能的［3］。在不同的物种测试中，江蓠属的红海藻已经被证明是有趣的候选人，因为它们储存养分的容量，达到很高的生物量和能产生有经济价值的产品。江蓠属身为有效率的生物营养净化器，同时提供高效率的生物过滤和建立市场的商业价值，如人类的食物，肥料和提取的胶体颗粒［2］。江蓠属物种自然生长在巴西沿海岸。江篱属藻类是一个众所周知的琼脂来源，并且开拓到通过渔业来从自然中提取琼脂。这种生物生长在深度0.2-1.5M的硬基质上并且产生相当大的生物资源。
在巴西，虾农业(凡纳滨对虾)是最经济成功的养殖业。然而，在水生态系统中这种行为产生了严重的负面影响。一些负面影响是由于排放了能引起沿海地区水体富营养化的养分（氮、磷）［9］。一个经济可行的从集约化水产养殖中去除营养物的方案是用海藻作为生物过滤器。确实，综合培养（海藻或动物）被广泛视为一条可持续形式的水产养殖。在这个意义上说,生产的有价值的次要作物会改善水质,并为农场提供一个额外的收入。在目前研究中，我们调查了有可能虾池塘水丰富的磷和氮的化合物作为营养物的是G. Birdiae的生产和生物量产量。
同时，我们评估可能使用这种物种去除生物滤池中的氮磷。
2.材料和方法
这项对江篱属藻类的生长和过滤能力的研究是在受控条件下（实验室）进行的。这种藻类是在落潮期的潮间带在巴西的Ma˜e Luiza海滩（5°47′07″S，35°11′01″W）收集的。收集后，这些藻类被转移到实验室，然后清洗附身植物和形成外壳的生物。然后，它们被放在一个放有海水的集装箱中知道实验开始。
2.1.实验协议
摘要的研究时间超过4周。这个实验用的水被收集到巴西北里奥格兰德州的一个虾场池塘里。在实验室里，水被放在一个容器中48h。这个阶段的目的是为了通过倾析悬浮物来减少水的浑浊度。在这期间，这个时期的环境变量每24h监控一次。温度、盐度、O2、浊度、酸碱度等通过多探针（Horiba U-10）得到确定，而营养物（PO４３－，NH４＋，NO３－）通过斯特里克兰帕森斯方法分析出来［10］。测定总悬浮物（TSS），过滤一体积的水（100ml），然后在60°C的烤箱中干燥24h。通过比较最初和最后的重量计算出总悬浮物［11］。
在沉降阶段结束后，水被移送虹吸到4个10L的水族箱（30cm×20cm×20cm）中。总共20gG. Birdiae被放到3个水族箱中。藻类要维持在光照（250μmolm-2s-1),光周期（12：12 L：D）和恒曝气。
2.2.确定生物量和相对增长率（RGR）
湿重（生物质）决定了每周对相对生长速率(RGR)进行分析计算。通过湿重每天以百分比的增长计算相对增长率(RGR),运用了道斯公式［12］：
RGR=[(Pf-Pi)/(Tf-Ti)]100
其中Pf是初始重量 Pi是最终重量 T是时间间隔
2.3.统计分析
统计方法遵循金概述的研究方法[13]。日期进行了刻画并且同方差前运用参数化或者适当的非参数测试。物理化学参数之间的差别在开始和结束的沉积时期由非参数Mann-Whitney测定试验决定。在试验期间，进行了相对生长速率，生物量极其理化参数和非参数Kruskal-Wallis测试。所有测试是在一个显著为95%（α=0.05）的水平上进行的。统计分析运用了版本为3.10的SigmaStat软件。
3.研究结果
3.1.沉淀
在数据上的沉积时期水特性都显示在表1。在这一阶段，理化参数的温度，盐度，PH没有明显差异（p>0.05）。溶氧量在沉积时期的开始（6.5±0.02mg/L）和结束（3.3±0.19mg/L）之间有显著差异(Mann–Whitney; p > 0.05)。考虑到实验用水没有过滤，这溶氧量显著减少与缺乏曝气和细菌、浮游生物对氧气的消耗有关。正如预期的那样，总悬浮物的沉淀（~24%）显著降低浊度（~86%）（Mann–Whitney；T=284.14；p<0.001)。其中NO3-减少（0.87-0.0μmolL-1），NH4+增加（4.73-11.34μmolL-1）PO43-也增加（1.23-1.85μmolL-1）。
3.2.生物量和增长
在研究过程中水温保持相对恒定（平均为27.8±0.74°C）。由于水分的蒸发，盐度范围从30.7±0.53到34.5±0.5PSU，在实验的最后几天用最高值记录。溶氧量从3.3±0.2变到9.9±0.2mgL-1(Kruskal–Wallis；H=601.3;p<0.001）。整个时期的平均值是6.5±2.32mgl-1。随着最后今天最高值记录，水的PH从7.9增加到8.5(Kruskal–Wallis；H =13.0；p < 0.05)。
在研究过程中，G. Birdiae的生物量和相对生长率逐渐增大（图1）。生物量（25±0.61g）和相对生长率3.6±0.43%）的最高值在实验的最后几天记录。生物量和相对生长率的平均值分别是23±1.96g和2.6±1.40%d-1。
表1.用虾池的水在实验条件下培养，Gracilaria birdiae的平均生物量（a）和相对生长率（b）
3.3.去除营养物
在测试期间(Kruskal–Wallis; p < 0.05)，三种营养物（PO43-,NH4+,NO3-)的浓度有明显的减少,说明藻类有大的脱氮除磷的能力（表2）。PO43-的浓度从1.85±0.3μmolL-1降到0.10±0.02μmolL-1，而在实验期间平均值为0.75±0.85μmolL-1.这也导致了在研究过程中生物过滤能力为93.5%。在实验中(Kruskal–
Wallis; H =12.21; p < 0.05)也减少NH4+浓度。下降幅度最大发生在第七天（15.34±0.92μmolL-1）到第十四天（7.34±0.05μmolL-1），那也导致脱氮除磷在52%左右。在随后的日子里NH4+有轻微的增加（第21天），但后来观察到减少。生物过滤能力的整个时期是大约34%。相对于除NH４＋而言G. Birdiae表现出来的除NO３－的效率更高。在第14天后，藻类能有效的吸收水中大约75%的NO3-。在实验的最后（第28天）所有的NO3-被吸收，相当于100%的生物过滤效率。
表2.在实验阶段PO43-（a）、NH4+（b）、NO3-（c）的浓度变化
4.讨论
总之，虾农场水具有极高的负荷的固体颗粒悬浮,有助于提高浑浊度[13、14]。这个高含量对光吸收的环境限制初级生产者，影响微生物的光和能力和它们的生长。
固体悬浮物在G. Birdiae的生长影响减小到最小，实验用的水进过48h沉淀，从而浊度降低了86%。这个结果证实了先前的研究，那个沉降分离在降低浊度效果的报告。例如，Jones等人[14]观察到24hTTS降低了12%。其他作者如Jackson等人[16]和Teicchert-Coddington等人[17]分别在17h和6h后观察到沉淀减少了60%、80%。在目前的研究中，观察到NO3-仍在减少，同样的情况没有在NH4+和PO43-上观察到。在沉积阶段，两种营养物特别是NH4+（6.61μmolL-1）浓度有相当大的增加。根据Jones等人[14]所说，这种增加可能和有机材料的矿化作用有关。
海藻生物量和相对生长率随时间增加。这表明G. Birdiae在养分充足的水中茁壮成长。江篱属藻类生长营养效果的报告有时矛盾，取决于物种和海藻生理学。整个研究期间的平均相对生长率（2.6%d-1），具有可比性的结果是由Yang等人[18]用龙须菜(3.95%)在贝类农业地区得到的结果和Guanzon等人[19]用Gracilaria bailinae(2.27-2.54%d-1)融入鱼培养以及Chirapart 和 Lewmanomont[20]用江篱属的两个物种（Gracilaria fisheri and Gracilaria tenuistipitata）和虾(3.08-2.68%d-1)得到的结论。该研究中获得的G. Birdiae的生物量和增长的价值表明用养虾废水养殖藻类的可能性。此外，生物质的收获能提供另一个增值产品（藻胶、人类食物和动物饲料），从而对生产商提供了一种新的经济诱因。
在集成系统中藻类的养殖可能是不同养殖活动中提高水质量的一个有趣的代替。由此而论，这种在该实验用运用的G. Birdiae表现出从媒介中出去PO43-的巨大潜力，从而提高水的质量。G. Birdiae过滤能力的是值得注意的，显示这个物种对营养物质有高的亲和力。在整个过程中实验记录是减少93.5%,显示了这个藻类在去除PO43-上巨大效率。以往的研究已经表明江篱属物种能够除去高浓度的PO43-[6,21,22]。然而，由Jones等人[14]和Mart?´nez-Ara´n等人[23]的研究结果比本研究的结果稍高。
考虑到NH4+的去除，实验结果在实验开始和结束表现了很大的不同（11.3-7.5μmolL-1）。在这个研究中，G. Birdiae对营养物的过滤能力在34%左右。类似的结果由Neori等人[6]从Gracilaria conferta的研究中获得。其他作者如Herna´ndez等人[8]和Yang等人[18]发现的过滤能力值比这里发现的高。在这种情况下，对环境参数的影响因素,如光和水运动以及生物因素,如植物的年龄和养分存贮在海藻的组织,也能推动这些差异。
本实验中对NO3-的生物过滤能力（100%）比其他作者对江篱属其他物种的发现要高[14、18]。NO3-的除去率在实验的第二周（第14天）达到最大，刚好和最大生物获取量一致。在实验的最后（第28天）藻类出去水中所有NO3-。总之，本研究结果表明G. Birdiae对营养物有非凡的清除能力它可以用于在虾场的生物滤池。另一方面，池塘里生物质的生产作为修复技术的副产物可以从系统中提取与使用，从而导致环境与经济优势。
致谢
本实验由Ministe´rio da Cieˆncia e Tecnologia（CT-HIDRO）和BNB（Banco do Nordeste do Brasil）提供支持。
参考文献
[1] Beveridge MCM. Cage aquaculture. 2nd ed. Oxford: Fishing News Books; 1996.
[2] Chopin T, Buschmann AH, Troell M, Kautsky N, Neori A, Yarish C, et al. Integrating seaweeds into marine aquaculture systems: a key toward sustainability. J Phycol 2001;37:975–86.
[3] Neori A, Chopin T, Troell M, Buschmann AH, Kraemer GP, Halling G, et al. Integrated aquaculture: rationale, evolution and state of the art emphasizing seaweed biofiltration in modern aquaculture. Aquaculture 2004;231:362–91.
[4] Troell M, Halling C, Neori A, Chopin T, Buschmann AH, Kautsky N, et al. Integrated mariculture: asking the right questions. Aquaculture 2003;226:69–90.
[5] Qian PY, Wu CY, Wu M, Xie YK. Integrated cultivation of the red alga Kappaphycus alvarezii and the pearl oyster Pinctada martensi. Aquaculture 1996;147:21–35.
[6] Neori A, Ragg NIC, Shpigel M. The integrated culture of seaweed, abalone, fish and clams in modular intensive landbased
systems: II. Performance and nitrogen partitioning within an abalone (Haliotis tuberculata) and macroalgae culture system. Aquacult Eng 1998;17:215–39.
[7] Buschmann AH, Troell M, Kautsky N, Kautsky L. Integrated tank cultivation of salmonids and Gracilaria chilensis (Graciariales, Rhodophyta). Hydrobiologia 1996;326–327:75–82.
[8] Herna´ndez I, Mart?´nez-Ara´n JF, Tovar A, Perez-Llore´ns JL, Vergara JJ. Biofiltering efficiency in removal of dissolved nutrients by three species of estuarine macroalgae cultivated with sea bass (Dicentrarchus labrax) waste waters 2. Ammonium. J Appl Phycol 2002;14:365–74.
[9] Marinho-Soriano E. Seaweed biofilters: an environmentally friendly solution. World Aquacult 2007;38(3):31–3.
[10] Strickland JDH, Parsons TR. A practical handbook of seawater analysis. Ottawa, Canada: Fishery and Research Board of Canada Bulletin; 1972.
[11] Clesceri LS, Greenberg AE, Eaton AD. Standard methods for the examination of water and wastewater. 20th ed. Washington, DC: American Public Health Association; 1989.
[12] Dawes CJ. Marine botany. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons Publ.; 1998.
[13] Zar JH. Biostatistical analysis. 4th ed. New Jersey: Prentice Hall; 1999.
[14] Jones AB, Preston NP, Dennison WC. Integrated treatment of shrimp effluent by sedimentation, oyster filtration and macroalgas absorption: a laboratory scale study. Aquaculture 2001;193:155–78.
[16] Jackson CJ, Preston N, Buford MA, Thompson JP. Managing the development of sustainable shrimp farming in Australia: the role of sedimentation ponds in treatment of farm discharge water. Aquaculture 2003;146:113–8.
[17] Teicchert-Coddington DR, Rouse DB, Potss A, Boyd CE. Treatment of harvest discharge from intensive shrimp ponds by settling. Aquacult Eng 1999;19:147–61.
[18] Yang YF, Fei XG, Song JM, Hu HY, Wang GC, Chung IK. Growth of Gracilaria lemaneiformis under different cultivation conditions and its effects on nutrient removal in Chinese coastal waters. Aquaculture 2006;254:248–55.
[19] Guazon JNG, Castro-Millare TR, Lourque FM. Polyculture of milkfish Chanos chanos (Forsskal) and the red algae Gracilariopsis bailinae (Zang et Xia) in brackish water earthen ponds. Aquac Res 2004;35:423–31.
[20] Chirapart A, Lewmanomont K. Growth and production of Thai cultured in natural pond using effluent seawater from shrimp culture. Hydrobiologia 2004;512:117–26.
[21] Troell M, Halling C, Nilsson A, Buschmann AH, Kautsky N, Kautsky L. Integrated marine cultivation of Gracilaria chilensis (Gracilariales, Rhodophyta) and salmon cages for reduced environment impact and increased economic output. Aquaculture 1997;156:45–61.
[22] Zhou Y, Yang H, Hu H, Liu Y, Mao Y, Zhou H, et al. Bioremediation potential of the macroalga Gracilaria lemaneiformis (Rhodophyta) integrated into fed fish culture in coastal waters of north China. Aquaculture 2006;252: 264–76.
[23] Mart?´nez-Ara´n JF, Herna´ndez I, Pe´rez-Llore´ns JL, Va´squez R, Vergara JJ. Biofiltering efficiency in removal of dissolved nutrients by three species of estuarine macroalgae cultivated with sea bass (Dicentrarchus labrax) waste waters 1. Phosphate. J Appl Phycol 2002;14:365–74
水产养殖网版权声明：所有信息均来自用户提供或网络收集，本站不担保信息的真实性、准确性和合法性。若发现企业、产品信息有误，请及时联系纠错。
