不同頻率超聲波對(duì)養(yǎng)殖水體浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響

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(yíng)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(jì)，養(yǎng)殖過(guò)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(qiáng)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，氮、磷去除率均達(dá)到100%．

無(wú)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(duì)穩(wěn)定的情況下，浮游植物群落結(jié)構(gòu)中會(huì)自然生長(zhǎng)出少數(shù)幾種絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群，占據(jù)水體中絕大部分營(yíng)養(yǎng)成分和生存空間，導(dǎo)致其他種群處于劣勢(shì)地位，劣勢(shì)種群由于沒有足夠的營(yíng)養(yǎng)和生存空間，可能直接在微生態(tài)系統(tǒng)中消亡．有報(bào)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(zhǎng)，但不會(huì)殺滅浮游植物，有良好的抑藻效果[3]．但超聲波對(duì)浮游植物群落結(jié)構(gòu)的影響目前還沒有相關(guān)研究報(bào)道．本試驗(yàn)基于低頻超聲波對(duì)浮游植物的種群抑制作用，探究其對(duì)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(lái)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(gòu)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(dá)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(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因子梯度試驗(yàn)法，設(shè)置試驗(yàn)組及空白對(duì)照組，其中對(duì)照組不進(jìn)行超聲波作用．試驗(yàn)組I、II、III對(duì)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(gè)平行試驗(yàn)．魚缸中水量30 L，養(yǎng)殖20條體長(zhǎng)( 3．2±0．2) cm、體質(zhì)量( 0．51±0．09) g、魚齡(孵化后4個(gè)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(dòng)超聲波作用養(yǎng)殖水體．設(shè)置光照強(qiáng)度3000 lx，光暗周期比為12L∶12D，曝氣充氧，試驗(yàn)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(xì)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(yàn)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(yíng)養(yǎng)來(lái)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(yàn)條件詳見表1．

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

浮游植物分類與定性參照《中國(guó)常見淡水藻類圖譜》[4]．

1．4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

根據(jù)下列公式計(jì)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(shì)度( Y)[5-10]．

式中: V為1 L水樣濃縮后的體積; V'為計(jì)數(shù)框的容積; N為觀察到的物種個(gè)體總數(shù); Pi為第i種的個(gè)體占所有個(gè)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(shì)種屬．

2試驗(yàn)結(jié)果

2．1不同頻率超聲波對(duì)養(yǎng)殖水體浮游植物豐度的影響

試驗(yàn)共歷時(shí)40 d，期間水體中的斑馬魚生存活動(dòng)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(jì)學(xué)意義( P>0．05)．各試驗(yàn)組和對(duì)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(yàn)進(jìn)行的前15 d，浮游植物豐度呈現(xiàn)基本相同的上升趨勢(shì)，至20 d各組浮游植物生長(zhǎng)達(dá)到一個(gè)峰值，20 d后浮游植物豐度都穩(wěn)定維持在一個(gè)范圍內(nèi)．由40 d時(shí)各試驗(yàn)組和對(duì)照組浮游植物豐度數(shù)據(jù)可知，對(duì)照組和試驗(yàn)組I浮游植物豐度差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P>0．05)，試驗(yàn)組II、III與試驗(yàn)組I、對(duì)照組豐度差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P<0．05)，試驗(yàn)組III中浮游植物的豐度最低．與對(duì)照組相比，試驗(yàn)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(duì)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(guò)取樣分析，共鑒定出綠藻門( Chlorophyta)、甲藻門( Dinophyta)、藍(lán)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(guò)40 在養(yǎng)殖水體中生長(zhǎng)繁殖和生態(tài)系統(tǒng)的演化，各試驗(yàn)組和對(duì)照組浮游植物群落種類見圖2．試驗(yàn)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(yàn)組II和試驗(yàn)組III的水體中種類有所減少，分別為12屬和9屬，而在對(duì)照組中，僅鑒定出8屬．

2．3不同頻率超聲波對(duì)養(yǎng)殖水體浮游植物生物多樣性的影響

經(jīng)過(guò)對(duì)浮游植物計(jì)數(shù)與計(jì)算，不同頻率超聲波對(duì)養(yǎng)殖水體浮游植物生物多樣性影響結(jié)果見表2、3．對(duì)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(yàn)組差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P<0．05)，其中小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)豐度達(dá)到4．2×105、0．8×105ind·L-1，為優(yōu)勢(shì)浮游植物．試驗(yàn)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(yàn)組及對(duì)照組的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P<0．05) ;均勻度指數(shù)( D)為0．613±0．011，與試驗(yàn)組III差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義( P>0．05)，但高于試驗(yàn)組II和對(duì)照組;其中小球藻屬( Chlorella)、柵藻屬( Scenedesmus)和小環(huán)藻屬( Cyclotella)豐度達(dá)到1．8×105、1．4×105、0．8×105ind·L-1，為優(yōu)勢(shì)浮游植物．試驗(yàn)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(dá)到0．9×105、1．2×105、0．6×105、0．7×105ind·L-1，為優(yōu)勢(shì)浮游植物．試驗(yàn)組III中小球藻屬( Chlorella)和柵藻屬( Scenedesmus)豐度達(dá)到0．9×105、0．9×105ind·L-1，為優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(shí)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?jī)商?次，作用時(shí)間2 min等條件下，超聲波對(duì)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(duì)照組相比，浮游植物豐度在養(yǎng)殖水體中生長(zhǎng)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(shì)，至作用頻率達(dá)40 kHz時(shí)，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(jī)理說(shuō)法不一．潘彩萍等[12]認(rèn)為超聲波抑制浮游植物生長(zhǎng)主要是機(jī)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(guò)程中，產(chǎn)生相對(duì)高速的射流，強(qiáng)烈沖擊波導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞; Broekman等[13]報(bào)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(jìn)入程序性死亡過(guò)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(duì)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(xì)胞壁原本結(jié)構(gòu); Wu等[15]研究也認(rèn)為自由基效應(yīng)對(duì)浮游植物抑制作用更大．

盡管超聲波對(duì)浮游植物的抑制作用在機(jī)理上目前尚有爭(zhēng)議，但都肯定了其對(duì)浮游植物的抑制效果．本試驗(yàn)設(shè)置低頻超聲波作用養(yǎng)殖水體，試驗(yàn)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(shì)浮游植物4屬，相對(duì)于對(duì)照組，浮游植物多樣性有所提高，生態(tài)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，有利于降解養(yǎng)殖水體中由于飼料無(wú)法全部被魚類同化剩余的殘?jiān)图S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(duì)抑制水體中浮游藻類豐度有明顯作用，同樣對(duì)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(gè)浮游植物屬種以及個(gè)體對(duì)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(zhǎng)繁殖．在對(duì)照組中，小球藻生長(zhǎng)迅速，最終豐度達(dá)到4．2×105ind·L-1，優(yōu)勢(shì)度( Y)達(dá)0．7925，呈現(xiàn)絕對(duì)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，并且占據(jù)了大部分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生存空間，導(dǎo)致其余物種呈現(xiàn)的相對(duì)劣勢(shì)，符合自然條件中水體生態(tài)結(jié)構(gòu)的特征．而試驗(yàn)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(duì)照組，也可能是絕對(duì)優(yōu)勢(shì)物種受超聲波作用抑制的結(jié)果．

低頻超聲波在本試驗(yàn)設(shè)置的環(huán)境因子中對(duì)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(duì)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(jìn)一步的研究．