紫外輻照對(duì)海水細(xì)菌、浮游植物及理化性質(zhì)的影響

王旭明,劉嘉卓,劉曉玲,崔龍波

(煙臺(tái)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

海水養(yǎng)殖尤其海水育苗的關(guān)鍵在于對(duì)海水中致病細(xì)菌、有害藻類(lèi)及理化性質(zhì)的控制。弧菌是海水養(yǎng)殖中的主要致病菌,育苗水體中的弧菌會(huì)造成魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)及甲殼類(lèi)苗種大量死亡[1];異養(yǎng)菌能將生物排泄物、生物尸體和殘餌等有機(jī)物降解或分解成無(wú)機(jī)物[2],異養(yǎng)菌過(guò)低會(huì)影響海水中有機(jī)物的降解,但過(guò)高也會(huì)對(duì)海水養(yǎng)殖產(chǎn)生不良影響[3]。海水的理化性質(zhì)對(duì)養(yǎng)殖有較大影響:氮磷含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化,使海水中藻類(lèi)過(guò)量繁殖或死亡,引起溶解氧(DO)耗盡使水體惡化;浮游植物的密度過(guò)高會(huì)引起水華,密度過(guò)低又會(huì)因餌料較少而影響?zhàn)B殖成效。

紫外線(xiàn)能穿透細(xì)菌細(xì)胞核,使核蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,阻礙基因的正常復(fù)制,從而導(dǎo)致細(xì)菌失活[4],故紫外消殺多利用短波紫外線(xiàn)輻照來(lái)對(duì)微生物促失活。同時(shí),細(xì)菌體內(nèi)的光裂解酶在遠(yuǎn)紫外光和可見(jiàn)光作用下又可使失活的細(xì)菌重新獲得活性,發(fā)生光復(fù)活作用[5]。紫外輻照對(duì)自來(lái)水滅菌的報(bào)道較多,對(duì)海水滅菌的報(bào)道則較少。本研究采用4000 W和2500 W功率短波紫外線(xiàn)分別對(duì)海水進(jìn)行不同時(shí)間輻照,檢測(cè)其對(duì)細(xì)菌、浮游植物及理化性質(zhì)的影響,探究這種紫外消殺方式的效果,以期為應(yīng)用于具體養(yǎng)殖奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

吐溫80、TCBS瓊脂、常規(guī)瓊脂等試劑均為分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)。紫外消毒機(jī)(UVC200-4T0100,煙臺(tái)經(jīng)緯電子有限公司)、500 L不銹鋼儲(chǔ)水罐、水質(zhì)分析儀(Proplus,美國(guó)YSI)、光學(xué)顯微鏡(BA-210,麥克奧迪)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU-1901,北京普析)、高壓蒸汽滅菌鍋(D-1-70,北京發(fā)恩科)、恒溫培養(yǎng)箱(PYL-230,天津萊伯特瑞)、超凈工作臺(tái)(SW-CJ-1F,蘇州安泰)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品來(lái)源與輻照 收集煙臺(tái)芝罘島北島海域水樣于500 L儲(chǔ)水罐中,設(shè)置對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組,對(duì)照組不進(jìn)行紫外輻照,實(shí)驗(yàn)組分為1～4號(hào)組,分別使用紫外消毒機(jī)的4000 W和2500 W功率輻照1.5、3、6、10 min(圖1)。各組水樣分別取20 mL于無(wú)菌袋用于細(xì)菌檢測(cè),取1 L與15 mL魯格試劑混合后置于棕色聚乙烯瓶用于浮游植物種類(lèi)和密度檢測(cè),取2 L于聚乙烯瓶中用于理化指標(biāo)檢測(cè)。各組水樣均設(shè)置3個(gè)平行組,分別放置0、24、48 h后進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 紫外消毒機(jī)工作示意圖

1.2.2 檢測(cè)方法 弧菌和異養(yǎng)菌檢測(cè):海水適當(dāng)稀釋后分別接種至TCBS選擇培養(yǎng)基(培養(yǎng)弧菌)和2116E海洋細(xì)菌培養(yǎng)基(培養(yǎng)異養(yǎng)菌),于25 ℃培養(yǎng)箱分別培養(yǎng)2 d和5 d,采用菌落計(jì)數(shù)法檢測(cè)細(xì)菌數(shù)量[6]。

浮游植物檢測(cè):根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[7],將魯哥氏溶液固定后的水樣經(jīng)分液漏斗靜置24 h,使其濃縮至30 mL,取0.1 mL在顯微鏡下觀(guān)察,參考《水生生物學(xué)》[8]和《海藻學(xué)》[9]對(duì)浮游植物進(jìn)行種類(lèi)數(shù)量鑒定。

理化性質(zhì)檢測(cè):按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》[7],采用靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定氨氮(NH3-N)含量,磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定活性磷(DIP)含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 細(xì)菌檢測(cè)結(jié)果

2.1.1 弧菌含量 水樣中弧菌含量情況如圖2所示。4000 W輻照水樣放置0 h時(shí),對(duì)照組弧菌含量為500 cfu/mL,各實(shí)驗(yàn)組弧菌含量均為0 cfu/mL,殺菌率達(dá)100%;放置24 h時(shí),在光復(fù)活作用影響下實(shí)驗(yàn)組海水弧菌含量均有所升高,其中照射時(shí)間較短的1號(hào)組弧菌含量明顯升高但仍低于對(duì)照組,2、3、4號(hào)組弧菌含量較低;放置48 h,各實(shí)驗(yàn)組弧菌含量均明顯上升,且與對(duì)照組弧菌含量相近。2500 W輻照水樣在放置0 h和24 h時(shí),各組弧菌變化趨勢(shì)與4000 W輻照水樣相似,但弧菌含量明顯高于4000W輻照水樣;放置48 h時(shí),實(shí)驗(yàn)組弧菌含量均有所上升,甚至高于對(duì)照組。

圖2 紫外輻照水樣中弧菌含量變化

2.1.2 異養(yǎng)菌含量 水樣中異養(yǎng)菌含量如圖3所示。4000 W輻照水樣放置0 h時(shí),對(duì)照組異養(yǎng)菌含量為4565 cfu/mL,實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌含量均較低,為8～27 cfu/mL;放置24 h時(shí),對(duì)照組變化很小,各實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌含量則均有所升高,其中輻照時(shí)間最長(zhǎng)的4號(hào)組異養(yǎng)菌含量最低;放置48 h時(shí),各實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌含量均進(jìn)一步升高,趨勢(shì)與放置24 h時(shí)一致,4號(hào)組異養(yǎng)菌含量仍為最低。2500 W輻照水樣放置0 h時(shí),對(duì)照組異養(yǎng)菌含量為7200 cfu/mL,輻照時(shí)間最短的1號(hào)組異養(yǎng)菌含量最高,為1473 cfu/mL,其余實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌含量均較低,約為120 cfu/mL;放置24 h時(shí),各實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌均有所上升,接近但仍低于對(duì)照組,其中4號(hào)組異養(yǎng)菌含量最低;放置48 h時(shí),實(shí)驗(yàn)組異養(yǎng)菌含量升高至接近對(duì)照組。

圖3 紫外輻照水樣中異養(yǎng)菌含量變化

2.2 浮游植物密度和種類(lèi)檢測(cè)結(jié)果

2.2.1 浮游植物密度 水樣中浮游植物密度如圖4所示。4000 W輻照水樣放置0 h時(shí),對(duì)照組浮游植物密度為21.6×104個(gè)/L,各實(shí)驗(yàn)組浮游植物密度與輻照時(shí)間成反比,為8.4×104～13.2×104個(gè)/L;放置24 h 和48 h時(shí),各組浮游植物密度均略有降低。2500 W輻照水樣放置0 h時(shí),對(duì)照組浮游植物密度為22.8×104個(gè)/L,各實(shí)驗(yàn)組浮游植物密度與輻照時(shí)間成反比,為8.8×104～16.8×104個(gè)/L;放置24 h 和48 h時(shí)各組浮游植物密度變化趨勢(shì)與4000 W輻照水樣相似。兩種功率輻照水樣在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)所測(cè)得的浮游植物密度排序均為對(duì)照組>1號(hào)組>2號(hào)組>3號(hào)組>4號(hào)組。由結(jié)果可知,輻照時(shí)間越長(zhǎng),浮游植物密度越低,但放置時(shí)間對(duì)浮游植物密度影響不大。

圖4 紫外輻照水樣中浮游植物密度變化

2.2.2 浮游植物種類(lèi) 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到的浮游植物種類(lèi)主要為硅藻、綠藻門(mén)、金藻門(mén)和隱藻門(mén)。對(duì)照組中硅藻為優(yōu)勢(shì)種,但實(shí)驗(yàn)組中硅藻較少,大部分為綠藻(小球藻)和金藻(單鞭金藻、等鞭金藻)。

2.3 水質(zhì)理化指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.3.1 活性磷 水樣中活性磷含量變化如圖5所示。4000 W輻照水樣放置0、24、48 h時(shí),活性磷含量變化范圍分別為0.014 3～0.014 9 mg/L、0.014 0～0.014 9 mg/L、0.013 9～0.014 8 mg/L;各組活性磷含量均隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,且各實(shí)驗(yàn)組在三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的活性磷含量均低于對(duì)照組。由放置0 h時(shí)的數(shù)據(jù)可知,隨著輻照時(shí)間增加,活性磷的去除率先下降(3號(hào)組高于1和2號(hào)組)再上升(4號(hào)組含量最低)。2500 W輻照水樣放置0、24、48 h時(shí),活性磷含量變化分別為0.014 1～0.014 8 mg/L、0.013 6～0.014 7 mg/L、0.013 0～0.014 1 mg/L;各組活性磷含量均隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而降低,除0、24 h時(shí)4號(hào)組活性含量磷高于對(duì)照組以外,其余各時(shí)間節(jié)點(diǎn)均為各實(shí)驗(yàn)組活性磷含量低于對(duì)照組。由放置0 h時(shí)的數(shù)據(jù)可知,隨著輻照時(shí)間增加,活性磷的去除率會(huì)先上升(3號(hào)組低于1和2號(hào)組)再下降(4號(hào)組含量最高)。

圖5 紫外輻照水樣中活性磷含量變化

2.3.2 氨氮 水樣中氨氮含量變化如圖6所示。4000 W輻照水樣放置0、24、48 h時(shí),氨氮含量范圍分別為0.047 6～0.057 3 mg/L、0.046 0～0.064 2 mg/L、0.045 8～0.059 9 mg/L,放置0 h時(shí)對(duì)照組和2號(hào)組氨氮含量相對(duì)較高,1號(hào)組、3號(hào)組和4號(hào)組氨氮含量相對(duì)較低;放置24 h和48 h時(shí),4號(hào)組上升為最高,1號(hào)組降為最低,各組數(shù)據(jù)均有波動(dòng)。2500 W輻照水樣放置0、24、48 h時(shí),氨氮含量范圍分別為0.031 2～0.052 4 mg/L、0.033 2～0.056 7 mg/L、0.032 8～0.056 3 mg/L,4號(hào)組氨氮含量均高于對(duì)照組,1、2、3號(hào)組氨氮含量則均低于對(duì)照組;隨放置時(shí)間延長(zhǎng),1號(hào)組和4號(hào)組的氨氮含量先升高再降低,其余組均為略有降低。由放置0 h時(shí)的數(shù)據(jù)可知,隨輻照時(shí)間延長(zhǎng),兩種輻照功率下水樣氨氮含量變化均呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖6 紫外線(xiàn)輻照水樣中氨氮含量變化

2.3.3 pH 水樣pH變化如圖7所示。4000 W和2500 W輻照水樣放置0、24、48 h時(shí),各實(shí)驗(yàn)組pH均低于對(duì)照組,其中4000 W 輻照水樣中3號(hào)組為最低,2500 W輻照水樣中4號(hào)組為最低。兩種輻照功率下水樣pH與輻照時(shí)間、放置時(shí)間均無(wú)線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系,整體呈現(xiàn)小幅度波動(dòng)。

圖7 紫外線(xiàn)輻照水樣中pH變化

3 討 論

3.1 紫外幅照對(duì)海水中細(xì)菌的影響

紫外輻照對(duì)海水中的弧菌和異養(yǎng)菌消殺效果明顯,可顯著提高海水清潔度,消殺率與輻照時(shí)間和輻照功率呈正相關(guān)。本研究中,紫外輻照后孤菌和異養(yǎng)菌含量均即刻下降,甚至超過(guò)對(duì)照組。細(xì)菌經(jīng)紫外線(xiàn)輻照后在可見(jiàn)光(波長(zhǎng)400～480 nm)下會(huì)發(fā)生DNA修復(fù)從而產(chǎn)生光復(fù)活,紫外輻照時(shí)間越長(zhǎng),輻照劑量越大,細(xì)菌的光復(fù)活作用越弱[5]。本研究中,紫外線(xiàn)功率越大、輻照時(shí)間越長(zhǎng)則除菌效果越好,與楊輝等[10]、楊紀(jì)超[11]的研究結(jié)果相似。放置后的實(shí)驗(yàn)組弧菌和異養(yǎng)菌含量均不同程度高于對(duì)照組,而弧菌和異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)受溫度、鹽度、COD、硝酸鹽等多種因素影響[12],上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因尚有待進(jìn)一步深入考察。為增加紫外對(duì)海水中有害菌的消殺效果,盡可能抑制光復(fù)活發(fā)生,可以延長(zhǎng)輻照時(shí)間,采用UV-氯、UV-過(guò)氧乙酸等化學(xué)試劑結(jié)合的方法[1,10,13],也可用紫外線(xiàn)持續(xù)輻照海水,或?qū)ＫM(jìn)行循環(huán)滅菌[14]。

3.2 紫外幅照對(duì)海水中浮游植物密度和種類(lèi)的影響

輻照時(shí)間越長(zhǎng),浮游植物密度越低,但放置時(shí)間對(duì)浮游植物密度影響不大,推測(cè)認(rèn)為紫外線(xiàn)對(duì)浮游植物有降解作用,輻照時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)造成其含量降低,而放置過(guò)程中光照、溫度和生物攝食量均無(wú)太多變化,故放置時(shí)間對(duì)浮游植物密度影響不大。邢翔[15]研究發(fā)現(xiàn),光強(qiáng)度和時(shí)間的乘積與紫外線(xiàn)劑量呈正比,不同種類(lèi)的浮游植物對(duì)紫外線(xiàn)敏感度不同,降解所需要的紫外線(xiàn)劑量也不同,同種藻類(lèi)在一定的紫外線(xiàn)劑量?jī)?nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn),同樣輻照時(shí)間下,4000 W紫外線(xiàn)對(duì)浮游植物去除率大于2500 W紫外線(xiàn)對(duì)浮游植物的去除率,同樣輻照功率下,隨著紫外輻照時(shí)間延長(zhǎng)浮游植物密度會(huì)隨之下降,與邢翔[15]的結(jié)論較為相符。紫外線(xiàn)輻照可降低藻細(xì)胞抗氧化酶活性,影響藻細(xì)胞的毒素釋放,導(dǎo)致藻鏈斷細(xì)胞裂、細(xì)胞收縮最終導(dǎo)致藻細(xì)胞破裂,從而引起浮游植物降解[16]。浮游植物降解死亡的過(guò)程是不可逆的,故本研究中放置時(shí)間未影響浮游植物去除率。

劉玲靜等[17]研究發(fā)現(xiàn),硅藻和藍(lán)藻對(duì)紫外線(xiàn)的敏感度高于綠藻。本研究發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組中硅藻較少、綠藻(小球藻)和金藻(單鞭金藻、等鞭金藻)相對(duì)多,而對(duì)照組中硅藻為優(yōu)勢(shì)種,推測(cè)紫外輻照對(duì)硅藻的去除率大于綠藻和金藻。

3.3 紫外幅照對(duì)海水理化性質(zhì)的影響

紫外輻照后,水樣中活性磷含量隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而有所降低。曹璐[18]研究發(fā)現(xiàn)磷的循環(huán)與浮游植物的生長(zhǎng)有關(guān),推測(cè)其含量變化與浮游植物持續(xù)生長(zhǎng)消耗相關(guān)。氨氮檢測(cè)結(jié)果顯示,4000 W和2500 W紫外輻照對(duì)水樣中氨氮含量均影響較小,但隨著輻照時(shí)間增長(zhǎng),氨氮含量變化趨勢(shì)一致。張巍巍[19]發(fā)現(xiàn)隨著紫外線(xiàn)輻照時(shí)間的延長(zhǎng),氨氮含量會(huì)呈現(xiàn)鋸齒型循環(huán),與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

本研究所測(cè)水樣的pH在紫外輻照前后均符合一類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),整體趨勢(shì)為隨著輻照時(shí)間的增加而下降,但變化幅度較小,與黃東珊[20]研究結(jié)果一致。

3.4 紫外輻照海水的應(yīng)用

紫外線(xiàn)滅菌殺菌效率高,不產(chǎn)生二次污染,運(yùn)用維護(hù)成本低,相比傳統(tǒng)化學(xué)滅菌方式可以有效減少化學(xué)污染,減少對(duì)pH、氨氮、活性磷等方面的影響[21]。在苗種繁育特別是提供人工餌料的苗種繁育過(guò)程中,紫外輻照海水一方面可以有效抑制細(xì)菌數(shù),防止有害菌傷害苗種,另一方面也可控制浮游植物密度,為人工控制餌料添加以適應(yīng)不同養(yǎng)殖需求奠定基礎(chǔ)。當(dāng)赤潮發(fā)生時(shí),海水中部分藻類(lèi)、原生動(dòng)物甚至細(xì)菌病毒等爆發(fā)式增長(zhǎng),嚴(yán)重影響育苗生產(chǎn),此時(shí)對(duì)海水進(jìn)行紫外輻照滅菌,可為育苗提供物理除菌降藻的有效防治措施[22-23]。

4 結(jié) 論

(1)紫外線(xiàn)功率越大,輻照時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)新鮮海水的滅菌效果越好,但輻照后放置48 h,除4000 W輻照10 min組的異養(yǎng)菌含量較低,其余各組弧菌和異養(yǎng)菌含量基本恢復(fù)到未輻照水平,故在使用設(shè)備消殺海水時(shí),需要在一定時(shí)間周期內(nèi)循環(huán)消殺。

(2)4000 W功率紫外輻照對(duì)浮游植物的去除率大于2500 W,同功率下隨輻照時(shí)間延長(zhǎng),浮游植物密度降低,相對(duì)于綠藻,硅藻對(duì)紫外線(xiàn)的敏感度更大。

(3)在兩種功率紫外輻照下,活性磷含量均隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而降低、隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)呈小范圍無(wú)規(guī)則波動(dòng),而氨氮含量與放置時(shí)間和輻照時(shí)間均呈非線(xiàn)性的波動(dòng)關(guān)系。

(4)紫外輻照對(duì)海水pH影響較小,紫外輻照后的海水pH處于8.09～8.25之間,符合海水養(yǎng)殖水質(zhì)pH標(biāo)準(zhǔn)。