生物絮團(tuán)養(yǎng)殖池塘中浮游植物的群落結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

王慧博，宋聃，黃曉麗，霍堂斌，王秋實(shí)，都雪

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

生物絮團(tuán)技術(shù)（Biofloc Technology，BFT）通過(guò)人為添加有機(jī)碳（C）源調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體中的碳/氮（C/N）比例，促進(jìn)水體中異養(yǎng)菌大量繁殖生長(zhǎng)，同化作用將水體中的無(wú)機(jī)氮（N）等有害N 源，轉(zhuǎn)化成可被養(yǎng)殖生物攝食利用的菌體蛋白，具有穩(wěn)定、調(diào)控養(yǎng)殖水體水質(zhì)、循環(huán)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、提高養(yǎng)殖產(chǎn)量的作用[1-3]，是目前較為先進(jìn)的水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)之一。BFT 技術(shù)比傳統(tǒng)大排放水的水產(chǎn)養(yǎng)殖模式更能保持養(yǎng)殖水質(zhì)穩(wěn)定，降低養(yǎng)殖成本病害的發(fā)生，減少水資源的浪費(fèi)和交叉污染[4]。

目前，有關(guān)BFT 技術(shù)的研究主要集中在C 源添加、C/N 比例調(diào)節(jié)和BFT 技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)的影響等[5,6]，而關(guān)于BFT 技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖水體浮游生物群落影響的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。浮游植物對(duì)養(yǎng)殖水體有機(jī)物同化和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的移除起關(guān)鍵作用，是魚蝦、貝類等生物的重要餌料來(lái)源[7,8]。浮游植物的群落組成、時(shí)空分布等可以間接反映水環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，是養(yǎng)殖水體健康情況的重要指標(biāo)之一[9]。本文通過(guò)研究BFT 技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖池塘浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響，探討B(tài)FT 技術(shù)下養(yǎng)殖水體浮游植物的群落變化，以期為BFT 技術(shù)在養(yǎng)殖池塘中進(jìn)一步研究和推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所呼蘭實(shí)驗(yàn)站6 個(gè)740m2、深約2 m 的池塘中進(jìn)行。在2015 年5 月初，清理了試驗(yàn)池塘的水生植被，蓄滿自來(lái)水，用鼓風(fēng)機(jī)通過(guò)納米微孔曝氣盤進(jìn)行曝氣，接受室外陽(yáng)光直射，假設(shè)試驗(yàn)開始時(shí)各試驗(yàn)池沉積物組成沒(méi)有差異。每個(gè)池塘放養(yǎng)鏡鯉Cyprinus carpio specularis、鰱Hypophthalmichthys molitrix 和鳙Aristichthys nobilis，體質(zhì)量分別為（200.00±6.18）g、（561.00±12.11）g 和（619.00±21.96）g，密度分別為135 g/m2，45 g/m2和15 g/m2。

隨機(jī)選擇3 個(gè)池塘作為BFT 組試驗(yàn)池，以葡萄糖和淀粉（1∶1，v/v）作為有機(jī)C 源，以異養(yǎng)細(xì)菌（芽孢桿菌屬Bacillus）作為絮凝菌種培育生物絮團(tuán)。根據(jù)BFT 技術(shù)常規(guī)方法[5]，每?jī)芍芡都右淮蜟 源，每次投加7.5 g/m3；每4 周投加一次異養(yǎng)細(xì)菌，每次投加0.225 g/m3。其余3 個(gè)池塘作為對(duì)照組試驗(yàn)池，不添加有機(jī)C 源和異養(yǎng)細(xì)菌。每天投喂3 次34%粗蛋白質(zhì)含量的顆粒飼料。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)日投飼率為魚體質(zhì)量的5%，逐漸降至2%。采樣期間除補(bǔ)償自然蒸發(fā)水量之外，沒(méi)有其他水交換。

1.2 樣品采集及處理

放養(yǎng)1 周后，2015 年5 月21 日—9 月4 日，每2周11:00 am—12:00 am 取水樣1 次。用5L 有機(jī)玻璃采水器采集1L 水樣后，用魯哥氏液固定。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，沉淀48h 后，棄除上清液，留取30 mL 濃縮液作定量樣品。在光學(xué)顯微鏡下鑒定、計(jì)數(shù)，浮游植物濕重參考文獻(xiàn)[10]。根據(jù)《淡水浮游生物研究方法》進(jìn)行浮游植物定性、定量[11]。

參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[12]，測(cè)定水樣的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、可溶性磷酸鹽（SRP）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、總有機(jī)碳（TOC）含量；用YSI6600水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水溫（WT）、溶解氧（DO）和pH。

1.3 數(shù)據(jù)處理

浮游生物的優(yōu)勢(shì)種用優(yōu)勢(shì)度（Y）確定；用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H'）、物種豐富度指數(shù)（SR）和Pielou 均勻度指數(shù)（J'）研究浮游植物群落多樣性。各計(jì)算公式為：

浮游生物優(yōu)勢(shì)度（Y）：

物種多樣性指數(shù)Shannon-Wiener（H'）：

物種豐富度指數(shù)Richness（SR）：

物種均勻度指數(shù)Pielou（J'）：

式中，S 為群落中的物種數(shù)目；fi為第i 種的出現(xiàn)頻率；Pi為第i 種個(gè)體數(shù)量在總個(gè)體數(shù)量的比例；Y為優(yōu)勢(shì)度，Y＞0.02 的種類定為優(yōu)勢(shì)種[13]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用SPSS 24.0 軟件進(jìn)行Pearson 相關(guān)分析研究環(huán)境因子對(duì)試驗(yàn)池浮游植物群落多樣性的影響。

采用R 軟件分析浮游植物物種與環(huán)境因子的關(guān)系。物種生物量數(shù)據(jù)進(jìn)行Hellinger 轉(zhuǎn)化，除pH 外的水環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)og（x+1）轉(zhuǎn)換[14]；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析（Detrended correspondence analysis，DCA），檢驗(yàn)典范對(duì)應(yīng)分析（Canonical correspondence analysis,CCA）單峰模型排序是否比冗余分析（Redundancy analysis，RDA）排序?qū)?shù)據(jù)分析更適宜，發(fā)現(xiàn)前者對(duì)數(shù)據(jù)分析更適宜；采用CCA 分析方法，進(jìn)行物種—環(huán)境因子關(guān)系排序，用雙序圖表示排序結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 BFT 組和對(duì)照組池塘水體環(huán)境因子

由表1 可知，BFT 組和對(duì)照組池塘水體水溫和TOC、NO2-N、TN、CODMn含量均呈升高趨勢(shì)，其他環(huán)境因子變化不顯著。

有機(jī)C 源添加后，2 個(gè)試驗(yàn)組水體的TOC 含量顯著升高，5 月21 日試驗(yàn)剛開始時(shí)，對(duì)照組TOC 值高于BFT 組，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行BFT 組逐漸高于對(duì)照組，到9 月4 日BFT 組的TOC 含量為對(duì)照組的2倍。BFT 組試驗(yàn)池CODMn值逐漸升高，到9 月4 日升到最高值，而對(duì)照組變化不明顯。2 個(gè)試驗(yàn)組的TN含量逐漸升高，BFT 組增速要高于對(duì)照組。對(duì)照組NO2-N 和NO3-N 含量高于BFT 組，NO2-N 值于8 月20 日開始迅速升高，剛開始每組NO3-N 的含量變化都不大，7 月6 日迅速升高到最大值，之后逐漸降低。

2.2 BFT 組和對(duì)照組池塘水體浮游植物種類及數(shù)量

2 組試驗(yàn)池共鑒定出浮游植物7 門9 綱73 屬，其中綠藻門Chlorophyta 種類數(shù)最多，共2 綱5 目13科40 屬，其次是藍(lán)藻門Cyanophyta 1 綱3 目8 科16屬和硅藻門Cryptophyta 2 綱5 目5 科9 屬，隱藻門Cryptophyta、裸藻門Euglenophyta、甲藻門Dinophyta和黃藻門Xanthophyta 均為2 屬。

BFT 組浮游植物總平均生物量為57.70 mg/L，對(duì)照組總平均生物量為75.96 mg/L。試驗(yàn)前期階段2 個(gè)試驗(yàn)組浮游植物生物量差異不大，6 月21 日開始2組均迅速升高，到7 月6 日對(duì)照組浮游植物生物量趨于最高值，而BFT 組在7 月21 日生物量趨于最高值并超過(guò)對(duì)照組，之后逐漸下降。到8 月5 日，對(duì)照組迅速升高再次超過(guò)BFT 組，之后逐漸下降。

BFT 組和對(duì)照組浮游植物優(yōu)勢(shì)種均為藍(lán)藻門，其中BFT 組優(yōu)勢(shì)種分別為席藻Phormidium、細(xì)小平裂藻Merismopedia minima、廣州平裂藻Meriamopedia cantonensis 和隱球藻Aphanocapsa；對(duì)照組優(yōu)勢(shì)種分別為微囊藻Microcystis、席藻、顫藻Oscillatoria、細(xì)小平裂藻和廣州平裂藻。

表1 不同采樣時(shí)間BFT 組和對(duì)照組池塘水體理化因子特征Table 1 Physical and chemical factors in BFT and control ponds during experimental period

2.3 浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性

2.3.1 浮游植物多樣性與環(huán)境因子的Pearson 相關(guān)分析

BFT 組浮游植物的Shannon-Wiener 指數(shù)、物種豐富度指數(shù)和Pielou 指數(shù)變化范圍分別為1.95～2.53，平均值為2.20；21～38，平均值為31；0.60～0.69，平均值為0.64。對(duì)照組浮游植物的相應(yīng)指數(shù)變化范圍分別為0.96～2.53，平均值為2.12；13～35，平均值為27；0.35～0.71，平均值為0.64。

由表2 可知，BFT 組浮游植物物種豐富度指數(shù)與水溫、TN 呈極顯著正相關(guān)；Shannon-Wiener 指數(shù)與水溫、TN 呈顯著正相關(guān)；Pielou 指數(shù)與環(huán)境因子沒(méi)有明顯相關(guān)性。對(duì)照組浮游植物物種豐富度指數(shù)與水溫、NH4+-N、TN 呈顯著正相關(guān)；Shannon-Wiener 指數(shù)和Pielou 指數(shù)與環(huán)境因子都沒(méi)有明顯相關(guān)性。

2.3.2 BFT 組試驗(yàn)池浮游植物與環(huán)境因子的CCA分析

選取BFT 組浮游植物優(yōu)勢(shì)種和出現(xiàn)頻率≥60%的種類，與環(huán)境因子進(jìn)行CCA 分析，環(huán)境因子數(shù)據(jù)見表1。在CCA 排序中，排序軸1 和排序軸2 分別解釋物種與環(huán)境因子關(guān)系的30.4%和15.0%，前兩軸共解釋物種與環(huán)境因子關(guān)系的45.4%，物種和環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)都達(dá)到1，表明排序能夠較好地反映物種與環(huán)境因子間的關(guān)系。物種的兩個(gè)排序軸之間相關(guān)系數(shù)和環(huán)境因子的兩個(gè)排序軸之間的相關(guān)系數(shù)均為0，表明排序結(jié)果可靠[15]。

圖1 BFT 組和對(duì)照組池塘浮游植物生物量情況Fig.1 Phytoplankton biomass in BFT and control ponds

表2 BFT 組和對(duì)照組浮游植物多樣性指數(shù)與環(huán)境因子的Pearson 相關(guān)分析Tab.2 Pearson correlation analysis between the phytoplankton diversity index and the environmental factors in BFT and control ponds

圖2 BFT 組浮游植物與環(huán)境因子的CCA 排序圖Fig.2 Ordination biplot of canonical correspondence analysis between phytoplankton species and environmental factors in BFT ponds

由圖2 可知，TOC、CODMn、TP 和SRP 是排序軸1 的重要影響因子，其中TOC、CODMn和SRP 與排序軸1 顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.7846、0.6822 和0.5571；TP 與排序軸1 顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.5771；SRP 和WT 是排序軸2 的重要影響因子，與排序軸2 顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.5307 和-0.4985。CCA 排序結(jié)果表明，對(duì)BFT 組浮游植物群落結(jié)構(gòu)及其分布影響較大的環(huán)境因子是TOC、CODMn、TP、SRP 和水溫。CCA 排序圖表明，CODMn與二角盤星藻顯著相關(guān)，TOC 和CODMn同時(shí)與隱藻和四尾柵藻顯著相關(guān)；水溫與針桿藻顯著相關(guān)；TP 與細(xì)小平裂藻、席藻、隱球藻顯著相關(guān)；SRP 與顫藻顯著相關(guān)。

3 討論

BFT 組試驗(yàn)池浮游植物生物量呈先上升、后下降的趨勢(shì)，這與楊希等[16]和聶偉等[17]在生物絮團(tuán)技術(shù)對(duì)浮游植物影響的研究結(jié)果基本一致。生物絮團(tuán)一般從開始形成到成熟需要10～15d[18]，試驗(yàn)從5 月21 號(hào)開始到6 月6 日期間為生物絮團(tuán)形成期。生物絮團(tuán)穩(wěn)定后到6 月21 日，BFT 組浮游植物生物量開始上升，一直到7 月21 日上升到最大值。試驗(yàn)前期生物量上升是由于用BFT 技術(shù)的養(yǎng)殖水體中有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為浮游植物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)物質(zhì)，浮游植物通過(guò)光和作用將無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，為養(yǎng)殖池塘中魚類的生命活動(dòng)提供物質(zhì)和能量。但試驗(yàn)后期浮游植物生物量上升到最大值之后，開始逐漸下降。繼Avnimelech[19]發(fā)現(xiàn)生物絮團(tuán)促進(jìn)羅非魚生長(zhǎng)的同時(shí)可以去除養(yǎng)殖水體無(wú)機(jī)N 濃度和凈化水質(zhì)之后，大量研究進(jìn)一步證明了BFT 技術(shù)在養(yǎng)殖水體中去除三態(tài)N 和凈化水質(zhì)的機(jī)理[20]。本研究中，對(duì)照組試驗(yàn)池中NO3-N 和NO2-N 含量均高于BFT 組。當(dāng)生物絮團(tuán)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后，對(duì)池水中的三態(tài)N 的去除率逐漸增大，導(dǎo)致池塘中可供浮游植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素減少，使后期浮游植物生物量逐漸減退。而7 月6 日對(duì)照組試驗(yàn)池水樣中，綠藻四角盤星藻的爆發(fā)使浮游植物生物量增量遠(yuǎn)高于BFT組，這可能是季節(jié)變化水溫逐漸升高，加上NO3-N 含量較高導(dǎo)致。與對(duì)照組相比，BFT 組生物絮團(tuán)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后對(duì)NO3-N 的去除作用降低了綠藻爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，起到了防止池塘水華導(dǎo)致魚類缺氧和調(diào)控、穩(wěn)定水質(zhì)的作用。BFT 組后期浮游植物生物量逐漸降低，另一個(gè)原因可能是試驗(yàn)后期生物絮團(tuán)大量懸浮，降低了池塘水體透明度，影響了浮游植物的光合作用[14]。

在溫帶水體中，水溫是影響浮游植物季節(jié)變化的主要推動(dòng)力。硅藻最適宜生長(zhǎng)溫度在10～25℃之間[21]，藍(lán)藻和綠藻易在較高溫度（30～40℃）水體中形成優(yōu)勢(shì)，藍(lán)藻的適宜溫度相比更高[22,23]。隨著池塘水溫到夏季逐漸升高，加上BFT 組試驗(yàn)池添加有機(jī)C源，使水溫和TOC 成為影響浮游植物群落的主要環(huán)境因子。浮游植物與環(huán)境因子的相關(guān)性分析表明，TP、SRP、CODMn、TN、NH4+-N 與浮游植物群落有顯著相關(guān)性。TP、SRP 和TN 與藍(lán)藻顯著相關(guān)，其中TP 與細(xì)小平裂藻、席藻、隱球藻顯著相關(guān)；SRP 和TN 與顫藻顯著相關(guān)。BFT 組和對(duì)照組浮游植物優(yōu)勢(shì)種均為藍(lán)藻門，BFT 組席藻優(yōu)勢(shì)度最高，而對(duì)照組隱球藻優(yōu)勢(shì)度最高，多種藍(lán)藻如微囊藻和顫藻變?yōu)閮?yōu)勢(shì)種，使BFT 組浮游植物多樣性指數(shù)高于對(duì)照組。優(yōu)勢(shì)種分析表明，席藻的爆發(fā)與生物絮團(tuán)的形成可能存在一定的相關(guān)性。生物絮團(tuán)技術(shù)增加了池塘水體中異養(yǎng)菌的數(shù)量，異養(yǎng)菌的反硝化聚磷作用[24]導(dǎo)致BFT組TP 低于對(duì)照組，成為影響B(tài)FT 組試驗(yàn)池浮游植物群落的重要環(huán)境因子，也使席藻在BFT 組CCA排序圖中與TP 顯著相關(guān)，藍(lán)藻的生長(zhǎng)反過(guò)來(lái)也會(huì)吸收一定量的TP[25]。所以席藻與TP 的相關(guān)性也反過(guò)來(lái)證明了生物絮團(tuán)生長(zhǎng)與席藻爆發(fā)的相關(guān)性。與浮游植物群落顯著相關(guān)的環(huán)境因子中，除了與藍(lán)藻顯著相關(guān)的環(huán)境因子外，其他因子如CODMn、TOC 和NH4+-N 均與綠藻顯著相關(guān)，其中CODMn和TOC 與隱藻和四尾柵藻顯著相關(guān)，NH4+-N 與小球藻Chlorella、衣藻Chlamydomonas、纖維藻Ankistrodesmus 顯著相關(guān)。藍(lán)藻和綠藻與環(huán)境因子相關(guān)性遠(yuǎn)高于其他藻類，且生物絮團(tuán)對(duì)藍(lán)藻和綠藻均有抑制作用，BFT 組試驗(yàn)池中綠藻門和藍(lán)藻門生物量均低于對(duì)照組，這與聶偉等的研究結(jié)果相同，但是對(duì)其他藻類的抑制作用不明顯。本研究以芽孢桿菌作為絮凝菌種培育生物絮團(tuán)，生物絮團(tuán)對(duì)藻類的抑制作用，除了異養(yǎng)菌與藻類競(jìng)爭(zhēng)N、P 等營(yíng)養(yǎng)鹽，還與芽孢桿菌是一種溶藻菌，通過(guò)直接接觸或者釋放某些特異或非特異性的胞外物質(zhì)溶解藻細(xì)胞有關(guān)[26]。

小結(jié)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，BFT 組試驗(yàn)池浮游植物生物量低于對(duì)照組，呈先上升、后下降的趨勢(shì)。前期浮游植物生物量上升趨勢(shì)是BFT 技術(shù)使水體中有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為浮游植物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)物質(zhì)，供浮游植物生長(zhǎng)。后期下降一是異養(yǎng)菌的大量繁殖使三態(tài)N 的去除率增加，供藻類生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素減少；二是試驗(yàn)后期生物絮團(tuán)大量懸浮導(dǎo)致池塘水體透明度的降低，影響了浮游植物的光合作用。BFT 技術(shù)對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)的影響表現(xiàn)在微生物的同化作用可以轉(zhuǎn)化水體中的無(wú)機(jī)N 等有害N 源為養(yǎng)殖生物攝食利用的菌體蛋白。本文中BFT 組試驗(yàn)池中生物絮團(tuán)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)后對(duì)NO3-N 的去除作用降低了綠藻爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，起到了防止池塘水華導(dǎo)致魚類缺氧和穩(wěn)定、調(diào)控養(yǎng)殖水體水質(zhì)的作用。BFT 技術(shù)應(yīng)用于養(yǎng)殖池塘中需注意，當(dāng)生物絮團(tuán)大量懸浮時(shí)應(yīng)及時(shí)清理過(guò)多的絮團(tuán)顆粒，防止水體透明度過(guò)度降低影響浮游植物和水生植物的光合作用，進(jìn)而影響?zhàn)B殖魚蝦的攝食和生長(zhǎng)。