不同碳氮比對(duì)生物絮凝技術(shù)(BFT)養(yǎng)殖水體中土腥味物質(zhì)積累量的影響

崔佳勤,章海鑫,2,羅國(guó)芝,3,4,譚洪新,3,4

(1 上海海洋大學(xué)上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,上海 201306;2 江西省水產(chǎn)科學(xué)研究所,江西 南昌 330039;3 上海市水產(chǎn)動(dòng)物良種創(chuàng)制與綠色養(yǎng)殖協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201306;4 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,上海 201306)

土腥味物質(zhì)包括多種化學(xué)物質(zhì),組成復(fù)雜,其中二甲基異莰醇(2-Methylisoborneol,2-MIB)和土臭素(Geosmin,GSM)是主要組成成分[1]。2-MIB和GSM在水中的人體嗅覺(jué)閾值分別是5～10 ng/L和1～10 ng/L[2],在魚(yú)肉中的嗅覺(jué)閾值分別為0.6 μg/kg和0.9 μg/kg[3-4],因此,即使較低濃度的土腥味物質(zhì)也會(huì)對(duì)水產(chǎn)品品質(zhì)造成巨大的影響。研究表明,2-MIB和GSM主要是由放線(xiàn)菌和以藍(lán)藻為首的浮游藻類(lèi)分泌并傳播到水中的[5-8],魚(yú)蝦養(yǎng)殖過(guò)程中的殘飼、排泄物促進(jìn)了養(yǎng)殖水體中藍(lán)藻和細(xì)菌的生長(zhǎng),需要控制魚(yú)蝦養(yǎng)殖過(guò)程中土腥味物質(zhì)的濃度。

生物絮凝技術(shù)(Biofloc technology,BFT)具有凈化水質(zhì),促進(jìn)養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)和增強(qiáng)機(jī)體免疫的作用[9-10]。由于放線(xiàn)菌是生物絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的重要組成部分[10],且在零換水的BFT養(yǎng)殖模式下,更易導(dǎo)致土腥味物質(zhì)的產(chǎn)生和積累。有研究表明BFT養(yǎng)殖斑點(diǎn)叉尾鮰試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水體中的GSM質(zhì)量濃度高達(dá)396 ng/L[11]。因此,BFT養(yǎng)殖過(guò)程中的土腥味問(wèn)題也需要引起高度重視。目前的研究主要集中在去除水體和魚(yú)體中已經(jīng)積累的GSM和2-MIB[12-14]。而調(diào)控BFT養(yǎng)殖中的環(huán)境因子,可以對(duì)這兩種物質(zhì)的產(chǎn)生源頭進(jìn)行控制,有效改善水產(chǎn)品土腥味問(wèn)題,碳氮比在生物絮團(tuán)的形成和改善水質(zhì)的過(guò)程中是比較重要的影響因素。

本研究通過(guò)改變碳源的添加量,設(shè)置不同的初始DOC/DIN(Dissolved Organic Carbon,DOC;Dissolved Inorganic Nitrogen,DIN)梯度,探究BFT水體中的C/N對(duì)GSM和2-MIB這兩種物質(zhì)積累量的影響,對(duì)土腥味物質(zhì)發(fā)生源頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊种坪陀行У姆揽?為提高BFT養(yǎng)殖的水產(chǎn)品品質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 生物絮團(tuán)裝置

本試驗(yàn)選用9個(gè)10 L聚乙烯透明桶作為試驗(yàn)反應(yīng)器,每個(gè)桶工作容積為8 L,用透明硅膠軟管(內(nèi)徑5 mm、外徑7 mm)一端連接羅茨鼓風(fēng)機(jī)(型號(hào)HG-750,森森集團(tuán)股份有限公司),另一端接入石英曝氣石沉于桶底正中央曝氣,控制溶氧(Dissolved Oxygen,DO)>8 mg/L。分別以葡萄糖(C6H12O6,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)作為有機(jī)碳源和魚(yú)用膨化飼料磨成粉作為氮源,飼料由南昌湘大駱駝飼料有限公司加工制作,含36.25%粗蛋白、8.12%粗脂肪、10.26%粗灰分及9.31%水分,并添加碳酸氫鈉(NaHCO3)控制堿度為200～230 mg/L。每個(gè)桶放入加熱棒(型號(hào)CN-008-50 W,中山市日寶電器有限公司)設(shè)置溫度(Temperature,T)為25℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為A、B和C共3個(gè)組,每組設(shè)置3個(gè)平行(n=3),每組投入30 g飼料,其中A組為對(duì)照組,不添加葡萄糖;B、C組添加葡萄糖調(diào)節(jié)C/N分別為10和20,試驗(yàn)設(shè)置為7 d。該試驗(yàn)周期參考Man等[13]研究使用BFT-SGRs去除養(yǎng)殖水中的GSM和2-MIB試驗(yàn)與魏繼紅等[15]研究不同C/N對(duì)生物絮凝硝化作用強(qiáng)度的影響試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)指標(biāo)與檢測(cè)方法

2.1 水質(zhì)理化指標(biāo)

2.2 絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)

取試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的絮團(tuán),粗灰分測(cè)定采用高溫灼燒法[17],粗蛋白測(cè)定采用杜馬斯燃燒定氮法[18],粗脂肪的測(cè)定采用索氏抽提法使用石油醚提取[19]。

2.3 BFT水體中GSM和2-MIB含量測(cè)定

GSM和2-MIB的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 GSM和2-MIB的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.1 GSM and 2-MIB standard curves

取試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的水樣,檢測(cè)初始和結(jié)束時(shí)水體中的GSM和2-MIB含量,計(jì)算試驗(yàn)期間GSM和2-MIB的積累量。用0.45 μm濾膜分別抽濾50 mL生物絮團(tuán),取濾液5 mL裝入頂空萃取瓶中,送往上海交通大學(xué)進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)(GC-MS)分析測(cè)定GSM和2-MIB含量。具體操作參考閆莉等[20]。

將 GSM和2-MIB這2種標(biāo)準(zhǔn)品母液(色譜純,Supleco,USA)用超純水分別稀釋至質(zhì)量濃度為20、10 、4、2、0.8、0.4、0.2、0.05、0.02 μg/L,進(jìn)行上機(jī)檢測(cè)。分別以GSM和2-MIB質(zhì)量濃度比為橫坐標(biāo),以其峰面積響應(yīng)值為縱坐標(biāo),繪制這2種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。GSM和2-MIB標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的R2分別為0.999 8和1,線(xiàn)性良好(圖1)。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2022軟件進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì),采用Origin 8.5軟件進(jìn)行圖表繪制。試驗(yàn)數(shù)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)形式表示,采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行ANOVA單因素方差分析,P<0.05表示差異性顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)期間水質(zhì)的變化

試驗(yàn)期間溶氧為8.14±0.03 mg/L, pH為8.68±0.02,水溫為24.84±0.10℃,堿度為223±2.64 mg/L,TSS為1 076.92±16.72 mg/L,各組間均無(wú)顯著性差異(P>0.05,表1)。

表1 試驗(yàn)期間各組水質(zhì)指標(biāo)的平均值Tab.1 Average values of water quality indexes in different group during the test period

注:A組(C/N為6)、B組(C/N為10)、C組(C/N為20),下同圖2 試驗(yàn)期間各組水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic changes of water quality indexes in each group during the test period

3.2 試驗(yàn)前后生物絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)成分的變化

相較于接種的初始絮團(tuán),試驗(yàn)后各組C/N、絮團(tuán)粗蛋白含量均出現(xiàn)了下降,A、B組絮團(tuán)粗灰分和B、C組絮團(tuán)粗脂肪的含量上升。比較試驗(yàn)后各組,A、B和C組絮團(tuán)粗蛋白、粗灰分含量均存在顯著差異(P<0.05),粗灰分含量為A組>B組>C組,粗蛋白含量為B組>C組>A組;A組與B、C組絮團(tuán)C/N、粗脂肪含量分別呈顯著性差異(P<0.05),B、C組之間差異不顯著(P>0.05),粗脂肪含量為B組>C組>A組,絮團(tuán)C/N為A組>B組>C組(表2)。

表2 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)成分含量Tab.2 Nutrient content of bioflocs at the end of the test

3.3 試驗(yàn)前后水體中土腥味物質(zhì)含量的變化

試驗(yàn)結(jié)束時(shí),GSM和2-MIB在3個(gè)組中均被檢出,質(zhì)量濃度范圍分別為33.32～87.30 ng/L和13.22～17.84 ng/L。A、B、C組GSM濃度較初始值顯著升高(P<0.05),GSM質(zhì)量濃度在A組最高為87.31±2.83 ng/L,B組最低為33.32±1.37 ng/L;A、C組2-MIB濃度較初始值顯著升高(P<0.05),B組2-MIB濃度較初始值無(wú)顯著性差異,2-MIB質(zhì)量濃度在A組最高為17.84±1.28 ng/L,B組最低13.22±0.91 ng/L。對(duì)比各組試驗(yàn)開(kāi)始與結(jié)束時(shí)的GSM和2-MIB含量,發(fā)現(xiàn)B組GSM和2-MIB的積累量最低,分別為22.41 ng/L和-0.19 ng/L,顯著低于A組(76.4 ng/L和4.43 ng/L)和C組(50.98 ng/L和3.52 ng/L,P<0.05)(圖3和圖4)。各組中GSM濃度均高于2-MIB濃度,可見(jiàn)在本研究中BFT水體中主要土腥味物質(zhì)是GSM。

圖3 試驗(yàn)開(kāi)始前、后各組GSM的質(zhì)量濃度Fig.3 Geosmin in each group before and after experiment

圖4 試驗(yàn)開(kāi)始前、后各組2-MIB的質(zhì)量濃度Fig.4 2-MIB in each group before and after experiment

4 討論

4.1 不同C/N對(duì)水質(zhì)的影響

4.2 不同C/N對(duì)生物絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)成分的影響

研究發(fā)現(xiàn)生物絮團(tuán)干物質(zhì)中粗蛋白含量一般為25 %～50 %,粗脂肪為0.5 %～15 %[30],吳盛凱等[31]發(fā)現(xiàn)在BFT養(yǎng)殖過(guò)程中,絮團(tuán)的粗灰分含量會(huì)逐漸升高至30%左右。本試驗(yàn)絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)成分含量均在以上水平范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)不添加葡萄糖的對(duì)照組絮團(tuán)粗蛋白和粗脂肪含量顯著低于添加葡萄糖的兩個(gè)組。這與Rajkumar等[32]、譚竟宏等[33]研究得出的結(jié)果相同。有研究表明添加碳源能促使水體中的異養(yǎng)微生物大量繁殖,生長(zhǎng)速率為自養(yǎng)細(xì)菌的10倍,這些異養(yǎng)細(xì)菌將水中氨氮轉(zhuǎn)化為自身的菌體蛋白,因此提高了絮團(tuán)中的粗蛋白含量[34-36],雖然添加葡萄糖提高了絮團(tuán)中的粗蛋白含量,但本試驗(yàn)結(jié)果表明碳氮比為20∶1的絮團(tuán)粗蛋白含量顯著低于碳氮比為10∶1的組,王廣軍等[37]也發(fā)現(xiàn)碳氮比越高,絮團(tuán)的粗蛋白含量越低。與本試驗(yàn)結(jié)果相似,徐金祥等[28]、楊章武等[38]在研究中也發(fā)現(xiàn)添加碳源能提高絮團(tuán)中粗脂肪含量。與粗蛋白和粗脂肪的結(jié)果相反,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)添加葡萄糖的兩個(gè)組絮團(tuán)粗灰分含量顯著低于不添加葡萄糖的對(duì)照組,這與徐金祥等[28]、譚竟宏等[33]、吳霞等[39]試驗(yàn)結(jié)果相符。有研究指出因?yàn)樗w中的碳氮比會(huì)影響絮團(tuán)中的微生物群落結(jié)構(gòu),而絮團(tuán)的營(yíng)養(yǎng)組成又與其微生物群落組成相關(guān),從而C/N導(dǎo)致了絮團(tuán)粗蛋白、粗脂肪及粗灰分含量上的差異[30]。

4.3 不同C/N對(duì)土腥味物質(zhì)積累量的影響

水中的2-MIB 和 GSM 嗅覺(jué)閾值是5～10 ng/L和1～10 ng/L,本試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組的GSM和2-MIB濃度均超出嗅覺(jué)閾值,其中試驗(yàn)后的GSM濃度更是顯著高于試驗(yàn)前,由此說(shuō)明BFT的水體環(huán)境易致使GSM和2-MIB(尤其是GSM)的積累。相比不額外添加葡萄糖的組,添加葡萄糖會(huì)抑制土臭素和二甲基異莰醇的生成,不同碳氮比下的土腥味物質(zhì)積累存在顯著差異,C/N為10組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)BFT水體中GSM和2-MIB濃度顯著低于C/N為20組。有研究表明放線(xiàn)菌容易利用葡萄糖作為生長(zhǎng)碳源,抑制次級(jí)代謝[40]。Sivonen等[41]研究表明,葡萄糖、果糖和甘露醇是芬蘭天然水域中分離出來(lái)的18個(gè)放線(xiàn)菌菌株生長(zhǎng)中最廣泛使用的碳源。Schrader等[42]發(fā)現(xiàn)甘油作為碳源比葡萄糖更有利于鏈霉菌生成GSM。因此,試驗(yàn)中添加葡萄糖抑制了GSM和2-MIB的生成,但碳源添加過(guò)多會(huì)引起微生物大量繁殖,分解GSM和2-MIB的放線(xiàn)菌的生物量也迅速增加,致使C/N為20組的BFT水體中的GSM和2-MIB含量高于C/N為10的組。汪世山等[43]、汪鷹[44]通過(guò)固定碳源改變氮源以及比例,固定氮源改變碳源以及比例和改變培養(yǎng)鏈霉菌的碳氮比等策略皆表明了C/N對(duì)鏈霉菌的生物量及其生成GSM和2-MIB有著不同的影響。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,當(dāng)添加葡萄糖控制碳氮比為10∶1時(shí),試驗(yàn)結(jié)束時(shí)GSM和2-MIB的積累量比不添加葡萄糖,以及添加葡萄糖控制碳氮比為20∶1時(shí)少,后續(xù)可以縮小碳氮比的范圍進(jìn)一步研究抑制GSM和2-MIB生成的最佳碳氮比條件及最佳碳源。

5 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同碳氮比(C/N為6、10和20)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)、絮團(tuán)營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定以及對(duì)水體中兩種主要土腥味物質(zhì)的檢測(cè),結(jié)果表明:在BFT中,向水體添加葡萄糖可以減少GSM和2-MIB的生成積累量,同時(shí)可降低水體中氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽和磷的含量,凈化水質(zhì);當(dāng)碳氮比為10∶1時(shí),水體中GSM和2-MIB的生成積累量最少,同時(shí)試驗(yàn)后絮團(tuán)的粗蛋白含量最高。因此在BFT中添加葡萄糖能影響水體中土腥味物質(zhì)的積累,同時(shí)有改良水質(zhì)和提高絮團(tuán)粗蛋白含量的效果。