不同水質(zhì)調(diào)控方式對(duì)海參池塘沉積物酶活性的影響

王祖峰，李東萍，魯曉倩，畢麗仙，周瑋

（1.全國水產(chǎn)技術(shù)推廣總站，中國水產(chǎn)學(xué)會(huì)，北京 100125；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083；3.上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司，上海 200000；4.大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023）

池塘沉積物是水體沉降作用在池底表面形成的活性物質(zhì)[1,2]，是水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的最重要組分之一[3]。沉積物中的酶是物質(zhì)循環(huán)和能量代謝的主要參與者，在養(yǎng)殖水體的有機(jī)質(zhì)降解、營養(yǎng)元素的循環(huán)和轉(zhuǎn)換中發(fā)揮重要作用[1,4-13]。常用脲酶活性評(píng)價(jià)沉積物向水體供應(yīng)無機(jī)氮的能力。相關(guān)研究認(rèn)為，養(yǎng)殖池塘沉積物的脲酶活性與水體中NH4+-N 含量呈顯著負(fù)相關(guān)[14]。張宇等[15]報(bào)道，富營養(yǎng)化程度較為嚴(yán)重的大通湖脲酶活性（0.41 mg/g）顯著高于富營養(yǎng)化程度輕的湖泊脲酶活性[0.29～0.32 mg/（g·d）]。脫氫酶活性多用于分析沉積物活性微生物量及其對(duì)有機(jī)物降解活性的能力。伏小勇等[16]利用蚯蚓處理污泥時(shí)發(fā)現(xiàn)，脫氫酶活性和有機(jī)質(zhì)存在顯著正相關(guān)性（P＜0.01），當(dāng)微生物量提高80%時(shí)加速了有機(jī)質(zhì)的降解，后期脫氫酶穩(wěn)定在1.03mg/（g·h）。磷酸酶活性通常反映沉積物有機(jī)磷的分解能力，或體現(xiàn)沉積物供磷能力。田秀平等[17]報(bào)道，兩種池塘中酸性磷酸酶活性與中等活性有機(jī)磷之間均呈顯著正相關(guān)，兩池塘相關(guān)系數(shù)分別為0.8559 和0.8269。李越蜀等[18]比較了不同養(yǎng)殖模式池塘，認(rèn)為水質(zhì)好的池塘沉積物中脲酶、脫氫酶、磷酸酶活性明顯較低。因此，在不同的沉積物有機(jī)質(zhì)環(huán)境下，脲酶、脫氫酶、磷酸酶與微生物活性密切相關(guān)且反應(yīng)靈敏，是反映環(huán)境質(zhì)量，指導(dǎo)水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的有效指標(biāo)。酶活性與沉積物氮、磷和有機(jī)物代謝關(guān)系密切。

海參養(yǎng)殖是我國北方海水養(yǎng)殖的支柱產(chǎn)業(yè)之一，2019 年全國養(yǎng)殖面積已達(dá)24.67×104hm2，產(chǎn)量17.17×104t[19]，其中池塘養(yǎng)殖是人工養(yǎng)殖主要方式，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位。利用潮汐水位變化，自然納潮換水是傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖唯一的水質(zhì)調(diào)控方式，引發(fā)了生產(chǎn)波動(dòng)，甚至海參死亡事件時(shí)有發(fā)生[20]。長期以來，研發(fā)有效的水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，擺脫靠天吃飯的管理困境是海參養(yǎng)殖穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵。2007 年劉勃、蔣國春等[21,22]從提高溶解氧的角度開發(fā)了微孔曝氣水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，用管道向池塘底部輸入高壓空氣，可將水體溶氧含量提高2～3 mg/L，改善水質(zhì)效果顯著，但該技術(shù)應(yīng)用后氣孔堵塞而無法維護(hù)等問題嚴(yán)重限制了微孔曝氣技術(shù)的應(yīng)用[20]。本團(tuán)隊(duì)在研究溫鹽躍層導(dǎo)致海參死亡課題中，研發(fā)了養(yǎng)水機(jī)[23]水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，旨在強(qiáng)制池塘上下層水體交換打破躍層，同時(shí)利用益生菌作用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)調(diào)控。前期研究顯示，在養(yǎng)水機(jī)調(diào)控下，溫鹽躍層現(xiàn)象有效減少，沉積物有機(jī)質(zhì)量降低，微生物多樣性增加，促進(jìn)營養(yǎng)鹽釋放，生產(chǎn)上海參成活率可提高到95%，單產(chǎn)可提高30%[24]。

本試驗(yàn)通過測(cè)定自然納潮、微孔曝氣、養(yǎng)水機(jī)三種水質(zhì)調(diào)控方式下的海參池塘沉積物中脲酶、脫氫酶、酸性磷酸酶、微生物活性和有機(jī)質(zhì)含量的周年變化，比較三種水質(zhì)調(diào)控方式的效果，進(jìn)一步分析養(yǎng)水機(jī)調(diào)控水質(zhì)的機(jī)理，以期為養(yǎng)水機(jī)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)池塘

試驗(yàn)在遼寧省莊河市大連寶發(fā)海珍品有限公司長605 m、寬85 m、深1.2～2.0 m 的9 口海參池塘中進(jìn)行。池塘泥沙底質(zhì)，均勻鋪設(shè)海參網(wǎng)礁，南北各有一進(jìn)、排水閘門，每月大潮期間（初一、十五）換水3～5 d。各池塘內(nèi)海參放養(yǎng)規(guī)格、密度相同，試驗(yàn)期間不投餌、不投藥，統(tǒng)一管理。試驗(yàn)池塘采用三種水質(zhì)調(diào)控方式：自然納水；池底鋪設(shè)微孔曝氣微裝置，當(dāng)池塘缺氧時(shí)，0.15 W/m2空壓機(jī)開始工作；池塘最深處安置功率750 W 的養(yǎng)水機(jī)，每天從21:00～次日9:00 工作12 h。每種水質(zhì)調(diào)控方式池塘各3 個(gè)。

1.2 養(yǎng)水機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

養(yǎng)水機(jī)[CN200620006141.5]主要分為四部分：進(jìn)水組件[CN2016213645 76.7]、生物包、水動(dòng)力裝置和養(yǎng)殖池塘專用噴頭[CN201410415402.8][23]。

1.3 試驗(yàn)方法

2017 年1 月—12 月，每月大潮前3～5 d 在池塘南端最深處采樣。

沉積物采集：參照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T12763-2007）第6 部分規(guī)定的方法采樣。在采樣點(diǎn)用直徑5 cm 圓形柱狀采泥器采集5 cm 底泥3 份，裝入滅菌自封袋，4℃冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，去除樣品中根系、貝殼等雜質(zhì)，風(fēng)干至恒重后研磨、過篩絹（100 目）、混勻裝袋，4℃下保存待測(cè)。

酶活性測(cè)定：按照關(guān)松蔭[25]的方法，采用比色法測(cè)定脲酶活性、氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法測(cè)定脫氫酶活性、磷酸苯二鈉比色法測(cè)定酸性磷酸酶活性。按照金相燦[3]的方法，采用熒光素雙醋酸酯法測(cè)定微生物活性。按照重鉻酸鉀還原—容量法（GB17378.5-2007）測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量。相關(guān)試劑材料購自上海索橋生物科技有限公司。

數(shù)據(jù)處理：取每種水質(zhì)調(diào)控的3 個(gè)平行池塘的平均數(shù)。使用Excel 2013 和SPSS17.0 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和方差分析，以皮爾森系數(shù)表示相關(guān)性，P＜0.05 為相關(guān)，P＜0.01 為極相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物中脲酶活性的周年變化

由圖1 可知，三種池塘沉積物脲酶活性全年變化趨勢(shì)較一致，整體活性范圍在95.00～279.42 U/g之間，1—4 月脲酶活性（180.66～279.42 U/g）高于5—12 月（95.00～249.70 U/g）。自然納水池塘以1月、2 月、3 月、4 月和9 月為代表8 次處于最高水平，10 月、12 月處于最低水平；微孔曝氣池塘以2月、3 月、4 月、9 月為代表8 次處于中間水平，6 月、7 月、10 月、12 月4 次處于最高水平；養(yǎng)水機(jī)池塘10 次處于最低水平，僅10 月、12 月處于中間水平。變化趨勢(shì)表明，3 月微孔曝氣池塘和養(yǎng)水機(jī)池塘顯著大跌至223.48 U/g 和195.51 U/g，7 月微孔曝氣池塘和自然納潮池塘顯著上漲到187.65 U/g 和171.04 U/g，9 月自然納潮池塘顯著增長到249.70 U/g，10月下降到年較低值122.10 U/g。三種水質(zhì)調(diào)控方式下池塘沉積物脲酶活性波動(dòng)極差值由高至低依次為：自然納潮（181.79 U/g）＞微孔曝氣（147.71 U/g）＞養(yǎng)水機(jī)（131.10 U/g）。

2.2 不同水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物中脫氫酶活性的周年變化

由圖2 可知，三種池塘沉積物脫氫酶活性全年變化趨勢(shì)較一致，活性范圍在1.50～36.84 U/g 之間。7—9 月脫氫酶活性（20.33～36.84 U/g）高于1—6 月和10—12 月（1.50～25.17 U/g）。自然納潮池塘在1—7 月、10 月、12 月為代表9 次處于最高水平，8月處于中間水平，9 月、11 月處于最低水平；微孔曝氣池塘以1 月、3 月、5—7 月、9 月、10 月為代表7次處于中間水平，8 月1 次處于最高水平，2 月、4月、12 月3 次處于最低水平；養(yǎng)水機(jī)池塘1 月、3月、5—8 月、10 月、11 月8 次處于最低水平，2 月、4月、12 月3 次處于中間水平，9 月1 次處于最高水平。從變化趨勢(shì)比較上看，1—5 月自然納潮池塘顯著高于另外兩組。三種方式全年波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，波動(dòng)極差值微孔曝氣（35.34 U/g）＞養(yǎng)水機(jī)（26.67 U/g）＞自然納潮（23.84 U/g）。

2.3 不同水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物中酸性磷酸酶活性的周年變化

由圖3 可知，三種池塘沉積物酸性磷酸酶活性全年變化趨勢(shì)不一致，活性范圍在87.27～973.38 nmol/（g·h）之間。自然納潮池塘沉積物中酸性磷酸酶活性年變化范圍為134.26～839.12 nmol/（g·h），極差為704.86 nmol/（g·h），平均值為470.47 nmol/（g·h）；微孔曝氣池塘沉積物酸性磷酸酶活性年變化范圍為208.10～973.38 nmol/（g·h），極差為765.28 nmol/（g·h），平均值為564.80 nmol/（g·h）；養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物酸性磷酸酶活性年變化范圍為87.27～537.04 nmol/（g·h），極差為449.77 nmol/（g·h），平均值為303.14 nmol/（g·h）。三種調(diào)控方式相比，養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物酸性磷酸酶活性年平均值最小，波動(dòng)最??；微孔曝氣池塘沉積物酸性磷酸酶活性年平均值最大，波動(dòng)最大。

圖3 試驗(yàn)池塘沉積物酸性磷酸酶活性周年變化Fig.3 The annual changes in acid phosphatase activity in sediments of the experimental ponds

2.4 不同水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物中微生物活性的周年變化

由圖4 可知，三種池塘沉積物中微生物活性全年變化趨勢(shì)大致一致，活性范圍在1.66～14.81 μg/（g·min）之間。自然納潮、微孔曝氣和養(yǎng)水機(jī)三種池塘沉積物微生物活性均在3 月達(dá)最大值，分別為8.71 μg/（g·min）、14.81 μg/（g·min）和7.68 μg/（g·min），10 月達(dá)最低值，分別為2.24 μg/（g·min）、3.16 μg/（g·min）和1.66 μg/（g·min）。自然納潮池塘沉積物微生物活性年變化極差為6.47 μg/（g·min），平均值為4.73 μg/（g·min）；微孔曝氣池塘沉積物微生物活性年變化極差為11.65 μg/（g·min），平均值為7.38 μg/（g·min）；養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物微生物活性年變化極差為6.02 μg/（g·min），平均值4.60 μg/（g·min）。三種調(diào)控方式相比，養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物微生物活性年平均值最小，波動(dòng)最??；微孔曝氣池塘沉積物微生物活性年平均值最大，波動(dòng)最大。

圖4 試驗(yàn)池塘沉積物中微生物活性的周年變化Fig.4 The annual changes in microbial activity in sediments of the experimental ponds

2.5 不同水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量周年變化

由圖5 可知，三種池塘沉積物中有機(jī)質(zhì)全年變化趨勢(shì)不一致，含量范圍在0.07%～2.60%之間。自然納潮池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量年變化范圍為1.05%～2.18%，極差為1.13%，平均值為1.54%；微孔曝氣池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量年變化范圍為1.19%～2.60%，極差為1.41%，平均值為1.89%；養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量年變化范圍為0.07%～2.04%，極差為1.97%，平均值為1.07%。三種調(diào)控方式相比，養(yǎng)水機(jī)池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量年平均值最小，微孔曝氣池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量年平均值最大。

圖5 試驗(yàn)池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量周年變化Fig.5 The annual changes of organic matter contents in sediments of the experimental ponds

3 討論

3.1 三種水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物酶活性周年變化分析

本試驗(yàn)三種水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物中脲酶、脫氫酶、酸性磷酸酶活性的周年變化趨勢(shì)與相關(guān)研究結(jié)論基本一致。相關(guān)研究認(rèn)為，酶活性受溫度影響最大，水溫升高可促進(jìn)沉積物微生物的活動(dòng)，表現(xiàn)為酶活性的增大[26-28]。甘茂林等[29]認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)也可以影響池塘沉積物中脲酶活性，大亞灣網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物有機(jī)質(zhì)含量高于非養(yǎng)殖區(qū)35.2%，伴隨著細(xì)菌降解作用，脲酶活性明顯高出其他站位50.7%。本試驗(yàn)中5—7 月，池塘沉積物微生物活性和有機(jī)質(zhì)含量均處于較低水平，因而其脲酶活性明顯處于低位。劉梅等[30]、黃睿智[31]認(rèn)為，植物或藻類對(duì)有機(jī)質(zhì)降解也是影響池塘沉積物中脫氫酶活性的重要原因。有機(jī)物降解時(shí)，微生物量增加，脫氫酶活性緩慢增加。藻類和外源輸入因子的季節(jié)變化，產(chǎn)生的分泌物和外源營養(yǎng)物質(zhì)向沉積物的輸入差異，可以帶來與本研究一致的池塘沉積物脫氫酶活性的季節(jié)差異。P 濃度也是影響沉積物酸性磷酸酶活性的重要原因[32-34]，酸性磷酸酶可促進(jìn)有機(jī)磷分解生成無機(jī)磷。沉積物磷濃度低時(shí)，酶作為催化劑使反應(yīng)向正方向移動(dòng)，酸性磷酸酶活性持續(xù)升高。本研究中沉積物微生物活性和有機(jī)質(zhì)研究結(jié)果，較好地體現(xiàn)在沉積物脲酶、脫氫酶、酸性磷酸酶活性中，整體上形成了因果關(guān)系。但是，在有機(jī)質(zhì)降解過程中三種酶與菌群結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，菌群結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)中營養(yǎng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚需要進(jìn)一步研究。

3.2 三種水質(zhì)調(diào)控方式池塘沉積物酶活性比較

海參養(yǎng)殖池塘環(huán)境會(huì)發(fā)生極大的變化，沉積物酶活性對(duì)環(huán)境變化敏感，活性變化可以及時(shí)反映出沉積物質(zhì)量的變化。三種水質(zhì)調(diào)控方式比較表明，養(yǎng)水機(jī)調(diào)控的池塘水體指標(biāo)值均處于最低值，自然納潮調(diào)控方式的脲酶、脫氫酶兩項(xiàng)指標(biāo)值的交替變化中略顯優(yōu)勢(shì)，微孔曝氣方式的酸性磷酸酶活性、微生物活性、有機(jī)質(zhì)含量指標(biāo)值的交替變化中略顯優(yōu)勢(shì)。根據(jù)甘茂林等[29]、劉梅等[30]、黃睿智[31]、蔡樹美等[34]觀點(diǎn)，在微生物對(duì)沉積物有機(jī)質(zhì)的降解過程中，微生物指標(biāo)受溫度和有機(jī)質(zhì)水平的影響，影響了脲酶、脫氫酶、酸性磷酸酶的活性，可以在養(yǎng)水機(jī)調(diào)控方式相關(guān)觀測(cè)結(jié)果中得到系統(tǒng)印證。本研究中，微孔曝氣池塘沉積物初始有機(jī)質(zhì)含量（2.60%）顯著高于另外兩種池塘（自然納潮池塘1.33%，養(yǎng)水機(jī)池塘1.33%，P＜0.05），微孔曝氣調(diào)控方式在脲酶、脫氫酶、酸性磷酸酶、微生物活性等指標(biāo)值的交替變化與沉積物中有機(jī)質(zhì)含量波動(dòng)有關(guān)。

3.3 三種水質(zhì)調(diào)控方式對(duì)沉積物作用機(jī)理分析

在三種水質(zhì)調(diào)控方式中，納潮換水方式海參池塘獲得的沉積物有機(jī)質(zhì)量最上，在沉積物有機(jī)質(zhì)自然沉降，但躍層現(xiàn)象會(huì)影響沉降效果；微孔曝氣方式是高壓空氣從池底充入，氣泡與水體接觸增加了水體溶解氧，也對(duì)水體形成了擾動(dòng)；養(yǎng)水機(jī)方式是在動(dòng)力作用下將表層海水由底層射出，強(qiáng)制形成水體對(duì)流，也對(duì)水體形成了一定的擾動(dòng)[23,35,36]，這兩種方式均能破壞水體躍層現(xiàn)象。皮坤等[37]、任貽超[38]、趙文等[39]研究表明，水體內(nèi)部的擾動(dòng)有助于懸浮顆粒物質(zhì)的沉積，導(dǎo)致沉積有機(jī)質(zhì)含量的增加。從這個(gè)層面上看，微孔曝氣方式和養(yǎng)水機(jī)方式都會(huì)導(dǎo)致池塘由納潮而引入池塘的有機(jī)質(zhì)沉積量增加。然而，對(duì)上述三種水質(zhì)調(diào)控池塘能量代謝周年比較發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)水機(jī)池塘的N、P 代謝全年均處于由池底沉積物向上層水體釋放的狀態(tài)，而自然納潮方式和微孔曝氣方式在3 月、7 月、8 月則處于由上層水體向池底沉積物積累的狀態(tài)（另文報(bào)道）。由此可以解釋養(yǎng)水機(jī)沉積物有機(jī)質(zhì)含量最低的原因。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，微孔爆氣池塘沉積物有機(jī)質(zhì)含量最高，這與大部分學(xué)者的研究結(jié)果不同，分析原因除了微孔爆氣池塘初始有機(jī)質(zhì)含量最高外，可能還由于試驗(yàn)過程中，微孔爆氣過程不及時(shí)或時(shí)間較短，影響了對(duì)沉積物有機(jī)質(zhì)的分解能力。

結(jié)論：養(yǎng)水機(jī)能明顯降低沉積物酶活性、微生物活性和沉積物有機(jī)質(zhì)含量，周年變化相對(duì)穩(wěn)定，有效降低水質(zhì)富營養(yǎng)化水平，改善水質(zhì)，為海參生長提供良好的環(huán)境。實(shí)際生產(chǎn)中，兼顧海參健康生長和降低養(yǎng)殖成本，應(yīng)在海參最適生長時(shí)期堅(jiān)持使用養(yǎng)水機(jī)，在春季冰層融化和秋季結(jié)冰前適當(dāng)延長養(yǎng)水機(jī)工作時(shí)間，池塘結(jié)冰后可暫停使用。