過碳酰胺和四羥甲基硫酸磷對刺參養(yǎng)殖底質(zhì)的改良作用

孫永軍 邵長清 鞠文明 唐曉波

摘?要：為研究過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷（THPS）對刺參（Apostichopus japonicus）養(yǎng)殖底質(zhì)的改良效果，以沸石粉和膨潤土1∶4的混合物為載體，將過碳酰胺和四羥甲基硫酸磷按不同比例投放到刺參養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測定底泥中COD及氨氮、硫化物和亞硝氮含量，并對不同組分底質(zhì)改良劑的改良效果進(jìn)行評價(jià)，篩選出最佳的底質(zhì)改良劑配方。研究結(jié)果表明，過碳酰胺的濃度變化對底質(zhì)環(huán)境影響較四羥甲基硫酸磷更為顯著（P=0.031），過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷及載體含量比例為15∶15∶75的底質(zhì)改良劑配方對底質(zhì)改善效果最為顯著。

關(guān)鍵詞：刺參（Apostichopus japonicus）;過碳酰胺;四羥甲基硫酸磷;底質(zhì)改良劑

底質(zhì)改良劑在池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中廣泛使用，為養(yǎng)殖過程中改善養(yǎng)殖環(huán)境、預(yù)防病害、提高產(chǎn)量的重要手段。市場上底質(zhì)改良劑種類較多，根據(jù)其主要成分和作用，可分為吸附型、氧化型和微生態(tài)制劑3種底質(zhì)改良劑[1]。吸附型底質(zhì)改良劑是較為傳統(tǒng)的改良劑的一種，主要成分有沸石粉、活性碳、石粉、膨潤土等。由于其功能的有限性，單獨(dú)使用效果不佳，更多的是與微生態(tài)制劑或氧化型改良劑搭配使用。微生態(tài)制劑主要通過益生菌的作用降解養(yǎng)殖環(huán)境中有機(jī)污染物來改善養(yǎng)殖環(huán)境，目前益生菌的種類主要有硝化細(xì)菌、芽孢桿菌、雙歧桿菌、光合細(xì)菌等。氧化型改良劑通過氧化作用改良水質(zhì)和底質(zhì)，以鹵素類、過氧化物類等作為主要成分。與鹵素類相比，過氧化物類改良劑一方面具有強(qiáng)氧化性和增氧性，與水接觸后會(huì)產(chǎn)生初生態(tài)氧，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解，提高底泥的氧化還原電位，改良底泥環(huán)境;另一方面具有良好的環(huán)保性，產(chǎn)物不會(huì)對養(yǎng)殖生物和養(yǎng)殖水體造成二次污染。

過氧化物代表有雙氧水、過碳酸鈣等，由于水體缺氧是導(dǎo)致底質(zhì)惡化、養(yǎng)殖生物生長緩慢、疾病頻發(fā)的主要原因之一，而這方面的研究相對落后，針對刺參（Apostichopus japonicus）養(yǎng)殖的增氧型底質(zhì)改良劑的系統(tǒng)性研究更是空白，造成市面上增氧劑產(chǎn)品種類極少，無法滿足養(yǎng)殖生產(chǎn)的需要。

前期研究結(jié)果表明，單獨(dú)使用過碳酸鈉和過碳酰胺兩種過氧化物均可有效增加水體的溶解氧，改善底質(zhì)環(huán)境，且最佳使用濃度分別為1.50 mg/L和0.75 mg/L[2-3]，但是對兩種過氧化物復(fù)合使用效果及使用比例尚無研究報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)采用不同比例的過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷和吸附劑（沸石粉和膨潤土）等多種組分，經(jīng)合理復(fù)配并制成圓柱形顆粒，可迅速沉降于水體底部，通過化學(xué)增氧、氧化、化學(xué)絡(luò)合、沉淀、吸附等作用，改善底質(zhì)環(huán)境質(zhì)量，從而改善養(yǎng)殖生物生存條件，增加養(yǎng)殖環(huán)境容量，防止養(yǎng)殖生物病害和突發(fā)性死亡，提高養(yǎng)殖生物的產(chǎn)量和質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)研究的底質(zhì)改良劑集成吸附、絡(luò)合、增氧等功能于一體，旨在優(yōu)化不同成分的最佳配比，以期研究出一種具有復(fù)合型功能且環(huán)保的底質(zhì)改良劑，為發(fā)展高效健康的刺參養(yǎng)殖技術(shù)提供依據(jù)。

1?材料和方法

1.1?底質(zhì)改良劑的配置

采用過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷（THPS）和載體（沸石粉和膨潤土1∶4的混合物）作為刺參養(yǎng)殖底質(zhì)改良劑的基礎(chǔ)成分，三種成分分別用A成分、B成分、C成分表示，采用3因子3水平正交設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較不同組分底質(zhì)改良劑的改良效果。按底質(zhì)改良劑3種成分不同分為9組，各組3種成分比例見表1。三種成分混合均勻后用壓片機(jī)壓制成直徑6 mm，質(zhì)量50 mg的片劑，裝袋備用。

1.2?刺參養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用刺參購于山東青島田橫刺參養(yǎng)殖場，選取健康無病、大小一致（10±0.12 g）的刺參作為實(shí)驗(yàn)材料，將其放于圓桶中暫養(yǎng)14 d以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室條件。將暫養(yǎng)后的刺參稱重隨機(jī)分配到30個(gè)鋪設(shè)有5 cm底泥的玻璃鋼（50 cm×40 cm×30 cm）中，每缸5頭，分為10組，每組3個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)周期為4周，每天10：00投放底質(zhì)改良劑，16：00投餌一次;不換水，試驗(yàn)期間控制水溫15 ℃，鹽度31‰～32‰，pH 7.8～8.2，連續(xù)微量充氧。

1.3?樣品采集、處理和測定

1.3.1?樣品采集與處理?實(shí)驗(yàn)于第0、7、14、21和28天采集表層0～2 cm底泥樣，將采集的底泥樣品經(jīng)德國CHRIST- LYO冷凍干燥器（型號：FD-1C-50）干燥處理后，研磨、粉碎并過100目篩，置于干燥器中暫存[4]。

1.3.2?樣品測定?實(shí)驗(yàn)采集的底泥樣品用2 mol/L的KCl溶液浸提2 h后，離心取上清液測定COD、氨氮、硫化物和亞硝酸鹽含量。根據(jù)國標(biāo)GB 17378.4的方法，采用重鉻酸鉀法、靛酚藍(lán)法、碘量法和萘乙二胺分光光度法分別測定COD、氨氮、硫化物和亞硝酸鹽含量。

1.3.3?數(shù)據(jù)計(jì)算與處理?實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)組底泥中COD、氨氮、硫化物和亞硝酸鹽與對照組相比的相對變化率（W：%）通過計(jì)算1-9號實(shí)驗(yàn)組各指標(biāo)實(shí)驗(yàn)前后的變化與對照組實(shí)驗(yàn)前后變化的相對百分比表示，計(jì)算公式如下：

W=（xEt-xE0-xCt-xC0）xCt-xC0×100%

式中W表示實(shí)驗(yàn)組與對照組相比的相對變化率（%）;x表示實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，即COD、氨氮、硫化物和亞硝酸鹽含量;下標(biāo)E和C分別表示實(shí)驗(yàn)組和對照組;下標(biāo)t和0分別表示實(shí)驗(yàn)后和實(shí)驗(yàn)前。

利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和正交比較分析，以P<0.05作為差異顯著水平。

2?結(jié)果

2.1?施用底質(zhì)改良劑后底泥理化指標(biāo)的變化

施用底質(zhì)改良劑后，底泥中COD、氨氮、硫化物和亞硝酸鹽含量隨時(shí)間變化的情況分別如表2至表5所示。由表中可以看出，盡管在實(shí)驗(yàn)過程中，因?yàn)楹⒌呐判购蜌堭D的影響，對照組及各實(shí)驗(yàn)組的4項(xiàng)指標(biāo)均呈上升趨勢，但是施用底質(zhì)改良劑的1到9號實(shí)驗(yàn)組，各指標(biāo)相對于對照組的相對變化率均為負(fù)值，表明實(shí)驗(yàn)組施用底質(zhì)改良劑各指標(biāo)上升幅度相對較小，呈相對降低趨勢。其中COD（表2）、硫化物（表4）和亞硝酸鹽（表5）均在6號實(shí)驗(yàn)組的降低幅度最大，獲得最好的改良效果;氨氮在5號實(shí)驗(yàn)組的降低幅度最大，6號實(shí)驗(yàn)組次之（表3）。

2.2?底質(zhì)改良劑組分篩選與驗(yàn)證

將實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以上四項(xiàng)指標(biāo)的相對降低率相加匯總，得到底質(zhì)改良劑對水體和底泥作用的四項(xiàng)指標(biāo)綜合降低率，即為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后將四項(xiàng)指標(biāo)綜合降低率列于表6進(jìn)行直觀分析?？梢妼τ泻χ笜?biāo)降低率最高的是第6號實(shí)驗(yàn)處理組，即三種成分過碳酰胺、THPS和載體的用量比例為15∶15∶75。根據(jù)各實(shí)驗(yàn)因子的總和可以看出：A成分含量取15為好（A因素的T2值最高，為413.19），B成分含量取15為好（B因素的T3值最高，為350.50），C成分含量取75為好（C因素的T1值最高，33505），即最優(yōu)組合是A、B、C三種成分含量比例為15∶15∶75，這與實(shí)驗(yàn)直接觀察結(jié)果一致。比較差值可以看出，A因素R值為61.49，居于第一位，對四項(xiàng)指標(biāo)的綜合降低率影響較大。方差分析結(jié)果表明，A因素（過碳酰胺）對有害指標(biāo)的降低率差異最為顯著（P=0031），說明A因素為關(guān)鍵因素，與直觀分析結(jié)果相符合。研究結(jié)果表明，RA>RB>RC，三因素對底質(zhì)改良影響大小依次為過碳酰胺>THPS>載體。獲得底質(zhì)改良劑的最適配方為過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷及載體含量比例為15∶15∶75，通過方差分析得出底質(zhì)改良劑中過碳酰胺為主效應(yīng)因素（P=0.031）。

注：T為因素同一水平之和; X為各水平的平均值;R為各水平平均數(shù)的差值。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果篩選的改良劑組成成分比例進(jìn)行了三批驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。結(jié)果表明，以第6號實(shí)驗(yàn)組的改良劑的四項(xiàng)指標(biāo)的綜合降低率顯著高于對照組（P<0.05），結(jié)果穩(wěn)定。

3?討論

3.1?改良劑的組成成分

在目前市場已有的底質(zhì)改良劑和前期對過碳酰胺對底質(zhì)改良情況研究的基礎(chǔ)上，本研究以影響刺參健康生長的幾個(gè)關(guān)鍵底質(zhì)環(huán)境參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，選擇過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷、膨潤土和沸石粉作為改良劑的基本成分，研發(fā)集增氧、絡(luò)合、吸附為一體的底質(zhì)改良劑配方。綜合分析不同組分的底質(zhì)改良劑對COD及氨氮、硫化物和亞硝酸鹽含量的影響，通過正交實(shí)驗(yàn)得到底質(zhì)改良劑的最優(yōu)配方為過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷及載體含量比例為15∶15∶75。

3.2?過碳酰胺選擇的依據(jù)

溶解氧是刺參賴以生存的重要條件之一，是影響刺參養(yǎng)殖池塘水質(zhì)的核心指標(biāo)[5]。養(yǎng)殖水體中溶解氧的含量對刺參的生長、生存、肥滿度、餌料系數(shù)以及底質(zhì)環(huán)境中有害氣體的產(chǎn)生都產(chǎn)生顯著影響。溶解氧充足時(shí)，刺參活動(dòng)頻繁，攝食量大，抗逆能力強(qiáng)，生長速度快[6]。宋宗巖等[6]認(rèn)為養(yǎng)殖池塘的溶解氧含量需要保持在4～5 mg/L以上，充足的溶解氧有助于刺參養(yǎng)殖水環(huán)境的穩(wěn)定。由此可見，溶解氧是刺參養(yǎng)殖的關(guān)鍵，提高養(yǎng)殖水體溶解氧水平是刺參養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)[7]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本改良劑可以顯著降低水體和底泥中有害物質(zhì)的含量，且過碳酰胺的含量是主效應(yīng)。說明本改良劑可以減少氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)的含量，降低化學(xué)耗氧量，可以有效修復(fù)和改善池塘水質(zhì)和底質(zhì)。且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含量比例為15的過碳酰胺組合的改良效果比過碳酰胺含量比例為20的組合更好，可能原因是過碳酰胺含量比例15的組合與其含量更高的組合相比緩釋效果會(huì)更好。因?yàn)檫^碳酰胺含量越高釋放氧氣量也越大，容易將改良劑顆粒沖散加快過碳酰胺的分解，放氧時(shí)間縮短，進(jìn)而降低改良效果。

3.3?四羥甲基硫酸磷（THPS）選擇的依據(jù)

養(yǎng)殖環(huán)境底泥中的無機(jī)硫主要形態(tài)為硫酸鹽、硫化物和單質(zhì)硫，其中硫化物含量高低是衡量底質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)[8]。水體和底泥中的硫化物可與養(yǎng)殖對象血液中的血紅蛋白結(jié)合產(chǎn)生硫血紅蛋白，降低其血液的攜氧能力;而且由于硫化物的氧化，還能消耗水體中大量的溶解氧[9]。THPS的中心磷原子通過SP3雜化軌道與四個(gè)羥甲基相連，形成一個(gè)十分穩(wěn)定的四面體結(jié)構(gòu)。由于磷屬于第五主族元素，其半徑較大，導(dǎo)致THPS具有較強(qiáng)的極化作用，周圍的正電荷增加，所以更容易與養(yǎng)殖池塘底泥中帶負(fù)電的物質(zhì)產(chǎn)生靜電吸附作用[10]，所以THPS具有很強(qiáng)的絡(luò)合作用。研究發(fā)現(xiàn)，THPS可以吸附底泥中帶負(fù)電荷的物質(zhì)，進(jìn)而提高底泥表層環(huán)境的氧化還原電位，F(xiàn)rey等[11]研究表明THPS可以有效抑制水環(huán)境中硫還原細(xì)菌的生長，Larsen等[12]研究也表明THPS可與底泥中硫化物絡(luò)合生成可溶性化合物，因此，THPS具有有效降低池塘底泥硫化物水平的功能，提高底質(zhì)氧化還原電位。除此之外，THPS還具有很好的生物降解性和環(huán)境安全性[13];THPS作用之后能被氧化成無殺生活性的低毒的三羥甲基氧化磷（THPO），THPO又易被生物降解為對養(yǎng)殖生物無害的正磷酸鹽[14]。

4?結(jié)論

本研究基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化了改良劑成分的比例，即底質(zhì)改良劑的最適配方為過碳酰胺、四羥甲基硫酸磷及載體含量比例為15∶15∶75，改良劑可提高水體中氮磷比，且底質(zhì)改良劑中過碳酰胺為主效應(yīng)因素。

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