微生物对水产养殖环境的生物修复作用


时间: 2016-12-15 09:27:42 来源:中国水产网 关键词:生物修复 

    在现在以投饵为主的养殖模式下,残饵、粪便、N、P等富营养因子排入水体,使养殖水体中化学需要量(COD),生物耗氧量(BOD)严重超标,有的已超过国家三类水质标准。据估计每生产一吨虾可水体中增加0.2吨的N无素和0.05吨的P元素,其结果是导致鱼虾病害和产量的瓶颈.因此改善水产养殖水域环境已成为养殖业生产中可持续发展的关键技术和研究热点.

众所周知,水产环境中化学药品的使用会造成病原体产生抗药性,药品的残留量,污染水环境,同时会杀害水中有益细菌,造成水生生态的失调.很快有学者提出对鱼虾用药是暂时的手段,生态防治才是唯一的出路,而微生物作为一种生态调节剂,治理养殖水环境可以明显改善水质,增加溶氧,降低氨氮与亚硝酸氮,抑制有害微生物的繁殖,降解有机物,同时具有成本低收效大等优点而日益受到重视.本文介绍微生物在养殖环境中生物修复的概念,生物修复的作用及途径:

一.生物修复概念
    生物修复(Biorenediation)是利用微生物(细菌,真菌,酵母菌或提取物)对环境污染物的吸收,代谢,降解等功能,在环境中对污染物的降解起催化作用,从而去除或消除环境污染的一个受控或自发的过程.
    目前,生物修复技术划分为原位修复(in situbioremediation)和异位修复(ex-situ bioremediation)两种.所谓原位修复是指对受污染的介质(土壤,水体)不作搬运或输送而在原位污染地进行的生物修复处理,其修复过程主要依赖被污染地土著微生物的作用,必要是引入一些外来微生物,利用微生物的代谢作用,将环境中的污染物降解到不对环境产生影响.异位修复是指将被污染介质(土壤,水体)搬运或输送到别处进行的生物修复处理.前者主要用水域,耕地的环境修复,后者主要用于工业和生活污水的处理.

二.微生物在水体中生态链中的地位和作用
    微生物是自然界分布最广,种类最多,数量最大,个体最小的生物类群,是大自然生态平衡的基础.这些微生物直接或间接地作用水产养殖对象和养殖环境,很好地分解养殖生物排泄物,残饵以及浮游植物残体等有机物,净化了环境,同时微生物链在水质净化中通过氧化,还原,光合,同化,异化把有机物转变为简单的化合物,保证水质的正常功能,从而维持水生生态系统中水生生物,病原,水质间的平衡.其主要通过以下几个循环发生作用:

1.微生物在碳循环中作用
    在水中,微生物参与碳循环的转化,主要是通过它们对各种含碳化合物,特别是含碳无氮有机物的作用而进行,其主要作用是常见的发酵和氧化作用.大多水生环境的表层为有氧区,进行氧化作用,有机物如纤维素,淀粉,几丁质被各种细菌和真菌分解后通常使之完全转化为CO2.在深水区和淤泥中则是无氧区,进行无氧发酵作用,有机物主要借细菌发酵产生有机酸,CH4,H2和 CO2.其生成的CO2再被植物光合作用合成复杂有机物,并进而被动物利用合成复杂的动物有机物,从而形成一个复杂的动态循环.

2.微生物在氮循环中的作用
    在水生环境中,共生性固氮系统是不常见的,大量的氮是由自由生活的蓝绿藻固定的.氮循环是水产养殖生态系统中物质循环的重要环节,养殖水体氮的多少能促进或限制水产养殖生态系统中物质能量的转化,也是浮游植物生长限制性营养元素之一.氮的各种形式的转化是参与构成整个养殖环境循环的重要过程,微生物在这个复杂的动态循环中起了决定作用,其重要过程有:
(1)氨化作用,就是含氮有机物经微生物分解而产氨,可在有氧或无氧条件下进行,其主要受PH值影响,以中性,弱碱性环境最佳.常见的氨化微生物很多,包括细菌,放线菌和真菌.

(2)硝化作用,就是氨经过亚硝酸的中间阶段而氧化为硝酸的过程.其作用受水体中溶氧,PH值和温度的影响,以弱碱性为最佳环境.

(3)反硝化作用,就是硝酸盐还原为较简单的氮化物的所有过程.主要受PH,N2,NO3-的浓度以及溶氧的影响,许多细菌真菌能起反硝化作用.

(4)固氮作用,就是使游离分子氮活化而成氮化物的作用.水体中的某些微生物和蓝藻类,具有一些特殊的酶系统,能把一般生物不能利用的单质氮转化为生物能利用的化合物形式,许多放线菌,真菌和藻类具有这种功能.

3.微生物在磷循环中的作用
    磷作为浮游植物生长的限制营养元素,其需要量比氮少,对水体初级生产力的限制性营养元素之一,其需要量比氮少,对水体初级生产力的限制作用往往比氮更强.P的三种形式:溶解无机磷(DIP),溶解有机磷(DOP),颗粒磷(PP),三种形式的转化在微生物的作用下构成磷的一个重要复杂的动态循环.磷的动态循环可以看成是增磷作用与耗磷作用的矛盾运动过程,而养殖水体中含磷量的变化量即增加或减少量就是由这对矛盾决定的.

4.微生物在硫循环中的作用
    硫有三种形式:氧化态-II(硫氢基,R-SH,以及硫化物H2S),氧化状态0(元素,S0),氧化状态+(硫酸盐,SO42-).许多微生物和植物可用硫酸盐作为硫的唯一来源,以氧化态(R-HS)把它转变成为有机的硫氢基化合物.微生物产生的H2S对大多需氧微生物有毒性,并且它可以与许多的金属离子起反应,使之生成沉淀,从而起净化作用.

    总之,在水体生态环境中,C循环中微生物分解有机物释放CO2,经植物的光合作用合成复杂的有机物,为底栖动物,鱼虾提供O2和多糖类物质;N循环中微生物通过氨化作用,硝化作用,反硝化作用,固氮作用把N2变为有机氮,为水产养殖提供饵料和肥料等蛋白质物质,生成硝酸盐为藻类所利用,从而降低水体中的NH3,氨氮(NH4-N)与亚硝酸氮(NO2-N),起到了净化作用;P循环中微生物使水中的溶解态的磷被悬浮颗粒吸咐形成颗粒态磷,经凝絮作用转为沉淀,有效地降低了水体的磷元素,同时也为动物提供了其需要P元素;S循环中微生物的作用下产生硫酸盐和H2S等,其中H2S对许多需氧微生物有毒作用,同时H2S与金属生成 沉淀,降低了有害的H2S,硫酸盐可为动物提供需要的含硫氨基酸等.总的来说微生物在C,N,P,S循环中都起了非常重要的作用,可以促进四大元素在生态链中转化,保持了水产环境的动态平衡,从而抑制有害生物,形成有益微生物菌落,分解有机物,消除有害物质(NH3,H2S,过量的N,P等),有效地净化了水质,减少水产动物疾病,提高了存活率,促进生长.

三.有益微生物对水生生态系统生物修复的功能和途径.
水生生态系统是一个维持水质,病原,水生生物之间平衡关系的极为复杂的系统.在探讨水产动物病害发生的原因,对水环境微生物的研究(特别是细菌)时,往往都认为是有害的,微生物生态学和微生态的研究表明水环境和水生生物中存在大量的有益微生物,这些微生物直接影响水质和水产养殖.其实微生物无论从群体还是从个体说,它都是具有两重性,既有致病作用,也有生理作用,致病作用和生理作用是相对的,只有在特殊状态下,才会表现致病作用.

1.有益微生物对水质净化的作用机理.
    水生生态环境中的有益微生物(硝化细菌,光合细菌,硫化细菌,芽孢杆菌等净水微生物)它们的使养殖者在不中断养殖过程的情况下,清除池塘长时间养殖水域底部,尤其是老虾池底积累大量的残余饲料,排泄物,动植物残体以及有害气体(氨,硫化氢等),使之先分解为小分子(多肽,高极脂肪酸等),后为更小分子有机物(氨基酸,低极脂肪酸,单糖,环烃等),最终分解为二氧化碳,硝酸盐,硫酸盐等有效地降低了水中COD,BOD,使水体中的氨氮(NH4-N)与亚硝酸氮(NO2-N)降低,起到了净化水质的作用.且能为单细胞藻类为主的浮游植物的繁殖提供营养物质,促进藻类为主的浮游植物的繁殖,这些藻类为主的浮游植物的光合作用,又为池内底栖动物,水产动物的呼吸,有机物的分解提供氧气,从而形成一个良性的生态循环,有利于水产动物的迅速生长,其主要营养物质循环.同时由于净水微生物的大量繁殖,在池内形成优势种,可抑制病原微生物的繁殖,减少疾病发生.

2.有益微生物对养殖环境的生物修复功能
(1).去碳,去氮,解磷的功能
    如芽孢杆菌,碱杆菌属,假单孢菌,黄杆菌等复合菌有去除水中碳,氮,磷系化合物的能力,并能转化硫,铁,汞,砷等有害物质.光合细菌能降解BOD的98%的含碳污水,去除总氮的66.7%,报道,光合细菌是水体中C,N,S循环的主要的参与者,可以明显地改善水质,增加水中中的增氧,氨氮,硝氮,并使硫化物降低.
(2).絮凝作用.
    如芽孢杆菌,不动杆菌,专性厌氧的脱硫孤菌,假单孢菌,产碱杆菌,黄杆菌,无色杆菌,微球菌,动胶菌等有生物絮状作用,互相粘连在一起,构成菌胶团,担负氧化分解的任务将有机物结合絮状,使重金属离子,P元素沉淀,使水体净化.
(3).硝化作用.
    硝化作用是微生物将水体中产生的NH3氧化成的硝酸盐,为藻类生长提供养料,这对河流复原因有重大的意义.主要分两个过程:第一阶段是氨被氧化为亚硝酸盐,如亚硝化杆菌,亚硝化螺菌,亚硝化球菌等,第二阶段是亚硝酸盐被氧化硝酸盐,如:硝化杆菌,硝化球菌,硝化刺菌等.
(4).反硝化作用
    如芽孢杆菌,短杆菌,假单杆菌都是好氧菌和兼性厌氧菌,以分子氧为载体,在供氧不充分的时间与空间,可以利用硝酸盐为最终电子载体产生NO2-,N和N2,而起反硝化作用,将硝酸盐移出系统外,提高PH.
(5).去除淤泥
    活性碳除淤泥法是利用活性碳淤泥的微生物在好氧条件下,利用有机物开始生长,有机物部分被微生物降解,水体中的COD和BOD得到降低.日本学者在98年报道用氟石和火成岩砂吸附一种乳杆菌,用以分解虾池底部有机淤泥,结果使有机淤泥发生量减少了1/2-1/3,H2S减少了1/3,虾的成活率提高了10%-20%.
(6).固氮作用
    主要是一些固氮藻类及细菌,如:固氮单胞菌属,肠杆菌,芽孢杆菌,梭状芽孢杆菌,光合细菌,鱼腥蓝细菌,苜蓿根瘤菌等,它们能把N2变为有机氮,为水产养殖提供饵粒和肥料,潜力很大.
   总的来说,生物修复技术被称为生物处理技术的一个里程碑,是一项新兴的可靠的环保技术,将会在世界范围内日益得到重视和应用.

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