水产养殖环境生物修复技术的研究进展
Advances in bioremediation researches on aquacultural environment
冯敏毅，马牲，文国棵，于明超
(1 ．中国海洋大学教育部海水养殖重点实验室，山东青岛 266003 ； 2 ．中国水产科学研究院南海水产研究所 广州 510300)
中图分类号： S949 文献标识码： A 文章编号： 1000-3096(2006)09-0085-04
据预测，人类对鱼类的消费量在今后 15 a 内将增加 50 ％，水产养殖业发展迅猛。但是由于水产养殖业发 展不规范，养殖与水域生态环境的矛盾也越来越突出， 水产养殖已对周围环境产生·了较大压力。中国是世界水 产养殖第一大国，养殖对周边生态环境的影响也更为严 峻，李秋芬等的调查表明中国黄渤海沿岸重要对虾养 殖区已经受到了严重的有机污染，许多地区难以满足对 虾养殖的需要，更不能满足苗种生产的需要。
许多学者的研究表明在养殖过程中饵料利用率 较低，残饵、养殖生物粪便等是水产养殖环境污染的主 要来源，主要污染是有机氮污染，造成水体的富营养化 和底泥的 C 、 N 、 P 富集污染以及底泥氧化还原电位降 低。因此，水产养殖环境修复技术的研究已经成为迫切 的需要。
环境修复技术有物理修复、化学修复法及生物修 复。物理、化学修复力·法主要是通过清淤、沉淀、过滤 等物现过程去除污染物或施用化学试剂等使污染物质 发生一定的化学变化，转化为无害物质的技术工程，速 度快但费用较高，而且二次污染的可能性大。生物修复 方法是利用微生物、植物及其他生物，将环境中的危险 性污染物降解为二氧化碳和水或转化为其他无害物质 的工程技术系统，可分为原位修复和异位修复。相对 于其他修复技术来说，生物修复具有费用低廉，处理操 作简单以及安全性较高等优点，是一项发展潜力较大、 环境友好的处理技术。把生物修复技术应用到水产 养殖环境修复中，对恢复和优化水产养殖环境，推动中 国水产养殖业的可持续发展具有重大意义。
1 水产环境生物修复技术的研究现状
1 ． 1 微生物修复技术
1 ． 1 ． 1 微生物修复原理
微生物修复在生物修复中应用较早，早期生物修复 就是专指微生物修复。微生物修复的原理是：微生物分 解有机物作为碳源和能源而生活，有机物在微生物各种 酶的作用下，经过厌氧或好氧的过程，发生…—系列的化 学反应，最后被降解，转化为无害物质的过程”，。微生物 修复早期主要应用于石油泄漏造成的环境污染， Pilchard 等 [12,13] 利用微生物进行阿拉斯加石油泄漏后的 环境修复，取得很好的效果。
由于微生物修复技术的优点，生物修复技术在水环 境修复方面的研究引起重视，逐渐应用到水产养殖的污 染处理中。在养殖环境中主要利用微生物的脱氮作用， 去除养殖污水的氮和分解有机污染物。微生物脱氮主要 是通过硝化和反硝化来完成的。硝化是指 NH4 氧化为 N02 —，然后再氧化为 N 03 ' 的过程。反硝化作用就是在 厌氧的条件下由反硝化菌将 N 03 ' 还原为 N ：的过程。
1 ． 1 ． 2 微生物修复在水产养殖环境修复中的研究现状
微生物修复技术在水产养殖中主要应用于养殖环 境的原位修复中，主要处理底泥的有机污染和水体的富 营养化问题。
在底泥有机物处理方面， 1994 年日本利用枯草杆 菌处理鱼池底泥取得显著效果，底泥中的有机污染得到 有效处理。李卓佳用芽孢杆菌为主的复合微生物制 剂分解养殖鱼池的有机污染实验，—个月池底 3 — 5cm 的污染底质被分解。在菌类筛选方面，李秋报道， 从虾池底泥中分离出 331 株细菌，筛选到 10 株有机降 解菌， 72h 内化学耗氧量 (CODMn) 去除率分别在 60 ％ 和 70 ％以上，同时李秋芬对虾池修复作用菌生长影响 因子作了研究。近几年来，固定化细菌处理工艺等高效 处理系统也在研究应用中。 Lekang 等 2001 年报道了 一种生物膜处理法，生物膜能大量吸附小颗粒物质，能 去除 43 ． 2 ％的总磷和 7 ． 3 ％的总氮。 2002 年， Paniagua 报道用玻璃纤维固定化细菌处理对虾养殖废水，在 20d 的处理周期中氨氮和亚硝氮的去除率分别达到 97 ％和 95 ％。
微生物修复优点明显，微生物修复已经逐渐从应用 机理和基础研究转向实际应用方面，并且取得了明显的 效果，但仍没能真正大规模、大范围地应用到水产养殖 的环境修复上程中。微生物修复也有缺点：对磷的处理 方面的研究较少，而且微生物处理相对于物理化学方法 来说处理速度较慢，受处理环境变化的影响较大。因此 建议加强以下几个对养殖环境的微生物修复方面的研 究： (1) 加强修复作用菌的研究，筛选出高效作用菌或 利用现代生物技术构建高效基因工程菌 (2) 加强环 境因子对修复菌修复能力影响的研究，提高微生物修复 在实际应用中的效率： (3) 加强微生物修复技术的应用 性以及大范围推广的研究以及微生物技术在中国水产 环境修复的应用。
1 ． 2 植物修复技术
1 ． 2 ． 1 植物修复的原理
植物修复就是利用植物根系 ( 或茎叶 ) 吸收、富 集、降解或固定受污染土壤、水体、空气中的污染物， 以实现消除或降低污染环境的污染强度，达到修复环境 的目的。植物修复主要是通过以下几种方式实现： (1) 植物提取； (2) 植物挥发； (3) 根系过滤： (4) 植物钝化。植物修复相对于其他修复技术方式有着自身 的优点：适用于大面积、低浓度的污染位点，成本 低；适用范围广，可处理多种污染物和多种环境；是一 个自然过程，安全性更高；收获相对容易，而且有相当 的种类可获得额外的经济效益。
植物对污染物的修复研究最多的是关于植物对各 种有机物污染、重金属污染的处理，均取得不错的效果。 把植物修复应用到水产养殖环境的修复中主要是利用 高等水生植物或者藻类的根系、茎叶等功能单位吸收提 取养殖废水巾的氮、磷等主要污染物以达到净化底质水 质的目的。
1 ． 2 ． 2 植物修复在水产养殖环境修复中的研究现状
在植物种类筛选方面，刘剑彤对高效去除污水‘千 的氮、磷的植物作了筛选研究。研究表明，以皇草 (Pennisetum purpurem schumach X Pennisetum alopecaroides) 为植被的垄沟系统具有较高的净化效能， N 和 P 的去除率分别为 83 ． 2 ％和 76 ． 3 ％：以水稻远诱 1 号 (Oryza sativa L.) 和水稻 Suakoko8(Oryza glaber rima) 为植被的漫灌系统对污水中的氮有很高的去除利用效 能，去除率分别为 84 ． 7 ％和 84 ． 3 ％。 Wang 等在实验 室中对几种湿地植物在生物修复方面的应用作了研究， 其中的两栖蓼 (Polygonum amphibium L ． ) 对氮、磷有着 较强的吸收能力。在应用处理方面，吴振斌等研究了 淡水沉水植物：苦草 (Vallisneria spiralis L ． ) 、狐尾藻 (Myriophullum spicatum L ． ) 、菹草 ( 户 otamogetom crispus L ． ) 等对富营养化水体的处理效果，结果表明其对降低化 学耗氧量 (CODcr) 和 5 日生化需氧量 (BOD5) 作用明 显， CODo 和 BOD5 只为对照的一半，并能有效处理水 体中的氮、磷。藻类应用于海水养殖废水处理的效率高、 费用低，有着巨大的前景，研究方向着重于大型海藻 方面。 Chung 等讨论了大型藻类为生物滤器处理鱼类 养殖产生的富氮废水的可能性，认为大型海藻是非常好 的水质净化生物滤器。 Haglund 及 Troell 等分别利用 细基江篱 (Gracilaria tenuistip) 处理鱼类养殖用水获得 了很好的效果。 Troell 等使用细基江篱也同样效果良 好。 Troell 等的研究表明，江篱能去除负类养殖过程 中排放到环境中可溶性铵的 50 ％ ~95 ％。 Brown 等 研究了几种耐盐植物对盐碱地养殖废水的处理，结果表 明，其可有效去除养殖废水中的总氮 (98 ％ ) 、无机氮 (94 ％ ) 、总磷 (99 ％ ) 和溶解活性磷 (97 ％ ) 。 Nelson 提出利用可食用红藻类处理对虾养殖废水，藻体的氮含 量从 l ％上升到 3 ％，收获 100kg 藻就从废水中提取 3kg 氮，效果显著。
植物修复的优点让植物修复技术的研究得到不断 的加强，但是植物修复也存在不足之处：植物修复过程 较慢：营养物质集中在植物体内并没有真正去除，植物 的收获需要增加额外的费用；环境因子对植物的生长和 去除效率影响较大。因此建议加强植物修复技术以下几 个方面的研究： (1) 高效高适应性植物品种的选择或通 过现代生物技术研究新型植物： (2) 加强经济修复植物 的研究，降低处理成本提高效益； (3) 修复植物大规模 生产培育技术以及实际应用过程中：正程管理技术的研 究有待加强。
1 ． 3 其他生物修复技术
除了微生物修复以及植物修复以外，还有一些特殊 的生物应用到水产环境的修复中，这一类的修复技术主 要是通过一些底栖生物或者滤食性生物对养殖环境中 的残饵等有机碎屑利用，减少人工投入的有机物浸出物 对水体的污染，并可获得一定的经济效益，相对于前两 种修复技术来说此类研究报道较少。
1993 年堤裕昭报道了使用多毛类处理养殖池底 的有机污染的效果明显。 Brooks 等在三文鱼养殖场使 用化学方法和环节动物方法来修复养殖底质，有效地降 低底泥中硫化物的含量，提高底泥中的氧化还原电位。 Jones 等利用澳洲囊牡蛎 (Saccostrea commercialis (Iredale and Roughley)) 、可食江蓠 (G ． edulis) 等处理系统 处理对虾养殖废水，结果表明，牡蛎能使废水中的细菌 数量降到对照的 35 ％，总颗粒物 (2 ． 28 ～ 35 ． 2um) 降为 对照组的 29 ％，总氮和总磷分别下降为对照组的 66 ％ 和 56 ％。此类生物修复方式研究很少，选择使用的多为适应 养殖环境的养殖池塘土著生物，个体生物量较小或者生 长周期长， 单位时间内对养殖中产生的大量残饵利用 少，而几对残饵等有机碎屑利用后同样产生废物排泄。 滤食性生物能大量减少水体中的有机颗粒，减少颗粒 浸出物质对水质的影响，但是由于滤食性生物的假粪、 生物沉降作用，生物密度过大会加快池塘底质的有机污 染。因此，此类修复技术的使用要求较高，单独使用 难度较大。
1 ． 4 综合生物修复技术
由于各种生物修复技术都有一定的缺点，因此近几 年来对高效综合生物修复系统进行了一些研究，主要利 用现有的各种修复技术的优点，综合使用两种或两种以 上的修复技术高效处理养殖污水。
Lin 等在实验室中研究丁人工湿地系统对养殖废 水的处理，主要是通过湿地系统中沉淀、沉积、吸附等 物理过程去除颗粒，微生物的脱氮作用以及植物吸收处 理水体溶解性污染物。实验的结果表明，人工湿地系统 能去除 86 ％～ 98 ％的氨态氮， 95 ％～ 98 ％的总无机氮， 磷的去除率是 32 ％～ 71 ％。王晓玥等利用菩提子和美 人蕉湿地系统处理西湖非点源污染，构建的人工湿地充 氧能力较强，对总氮的去除率维持在 73 ％以上，总磷的去 除率为 49 ％～ 71 ％，出水水质总体达到国家 II 、 III 类地面 水标准，认为该人工湿地可用于中等程度污水的治理。
Jones 等在实验室设计了一种综合对虾养殖污水 处理系统，通过 3 个步骤处理水体中的污染物质：第一 步通过自然玥沉积去除悬浮颗粒污染物，第二步通过滤 食性贝类 ( 牡蛎等 ) 进一步处理颗粒磷污染物，还能处 理细菌和微藻。第三步经过大型藻类 ( 江蓠等 ) 吸收去 除溶解性营养盐。实验结果表明处理效果明显， TSS 、 TN 、 TP 、 NH3+ 、 N03- 、 P043- 等降为初始浓度的 12 ％、 28 ％、 14 ％、 76 ％、 30 ％和 35 ％，细菌数量降为初始的 30 ％，叶绿素 a 降为初始的 0 ． 7 ％。 综合生物修复技术结合了多种修复技术的优点，能 对养殖污水进行多方面处理，处理效率较高，并且养殖 者能获得一定的额外经济效益，是一种有潜力的养殖废 水处理技术。但综合生物修复技术相对复杂，需要更高 的管理技术与工程技术，近年来的研究主要还是停留在 实验水平上，建议加强以下方面的研究： (1) 加强综合 处理系统基础研究，进一步提高效率： (2) 加强相关应 用工程技术开发以及规模化应用的可行性分析； (3) 加 强生态效益与经济效益的综合评价。
• 总结
无论从养殖产量还是从养殖规模来说，中同都是世 界第一水产养殖大国，但是中国的水产养殖技术水平相 对较低，养殖废水的排放也没有相关的法律法规约束， 因此给局部环境造成了非常大的压力，水产养殖的可持 续发展受到了严重挑战，养殖环境的修复已经刻不容 缓。养殖环境生物修复技术在 20 世纪 80 年代末 90 年 代初起步，相对于物理化学修复技术而言其低费用、高 安全性、简单易行等引起了许多科学工作者的关注，近 年来在基础性研究方面取得了较大的进步，实践应用也 取得了一定的成果。把现代生物技术应用到修复生物的 改良中，加快生物修复技术规模化、工程化培育等应用 技术以及相关领域的研究，生物修复技术必定能在修复 养殖环境中起到重要作用。