随着人们对养殖水产品需求量的不断增加,养殖方式逐渐向高密度、高投喂的集约化养殖模式转变,而这种养殖方式会导致水体中溶解氧降低和养分不断富集,进而引起水质恶化。这不仅影响了养殖业本身的可持续发展,而且也对周边水域环境和生态系统产生不利的影响。另外,随着国家对水产养殖尾水排放标准的逐步提高和管理措施的不断加强,水产养殖尾水达标排放已越来越引起政府和社会的极大关注,寻找一种新型的养殖水净化技术就显得迫在眉睫。1、养殖水原位净化装置的设计与制造本装置基于自然水体中分布有硝化细菌、聚磷菌等微生物,及其能吸附在固体表面和具有高效吸收水中氨氮、亚硝酸盐氮、磷等成分进行繁殖和生长等生物学特性,设计制造出一个能悬浮在养殖水体中、以微生物附着基为核心的养殖水原位净化装置。装置主要由支架和浮力系统、微生物附着基、上升流系统、底增氧系统、光伏发电和供气系统5部分组成。该装置具有结构紧凑、净化功能强大、适用范围广等优点。2、养殖水原位净化装置微生物膜的构建与净化效果试验研究了该装置在1mg/L、3mg/L、5mg/L三种不同氨氮浓度的淡、海水环境下,生物膜构建过程以及完成后,对养殖水中氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷的净化效果。结果表明:在水温22～25℃、溶解氧6～9mg/L、p H 7.0～8.5的条件下,不同氨氮浓度淡水试验组装置的生物膜构建都在第16d完成,且各试验组装置在生物膜构建过程中对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总磷的日净化量差异不明显(P>0.05)。以第18d计,1mg/L、3mg/L、5mg/L3个浓度组中氨氮的日消减量分别为304.587g、283.748g和314.753g,亚硝酸盐氮日消减量分别为297.032g、292.566g和304.356g,硝酸盐氮的日产量分别为297.934g、276.239g和312.108g,总磷的日消减量为0.485 g、0.427 g和0.462 g;在水温27℃～31℃、溶解氧6mg/L～8mg/L、p H 7.0～8.5的条件下,不同氨氮浓度海水试验组的装置生物膜构建都在第21d完成,各试验组装置在生物膜构建过程中对氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的日净化量差异显著(P<0.05)。以第24d计,1mg/L组、3mg/L组和5mg/L组中氨氮日消减量分别为243.327g、258.132g和279.372g;亚硝酸盐氮日消减量分别为231.974g、256.479g和284.273g;硝酸盐氮日产量分别为243.16g、271.905g和285.505g;装置对氨氮、亚硝酸盐氮的消减能力与硝酸盐氮的生产能力随着氨氮浓度的增加而提高。而不同浓度梯度装置对总磷的日消减量差异性不大(P>0.05),以第24d计,日消减量分别为0.566 g、0.595 g和0.493 g。综上,本装置在稳定工作后,对氨氮保持强大的净化能力,而对总磷的净化作用远小于对三态氮的净化。3、生物膜微生物的群落结构与功能分析本研究采用高通量测序技术,对淡、海水3mg/L试验组装置水面下10cm、45cm、80cm 3种不同水层以及海水1mg/L、3mg L、5mg/L试验组装置水面下45cm处的填料生物膜进行菌群分析。结果表明:淡水装置三个水层样品从物种丰度、物种多样性、物种组成相似性方面比较,中层与下层差异性小(P>0.05),且较上层丰富;在门水平上,三个样品菌群主要由变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)组成,三个样品变形菌门占比差异不大(P>0.05),中层样品的硝化螺旋菌门(Nitrospirae)占比较上下层略高,上下层占比差异不大(P>0.05);在属水平上,三个样品共检测出5种硝化菌属和14种聚磷菌属,其中硝化菌类包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、Candidatus＿Nitrotoga和硝化螺菌属(Nitrospira),且为3个样品所共有,其中氨氧化细菌(AOB)菌群的占比分别为16.88%、17.88%、12.40%,亚硝酸盐氧化细菌(NOB)菌群的占比分别为52.54%、54.86%、49.18%,两种菌群均呈现中层>上层>下层,三个样品的聚磷菌属占比分别为2.79%、2.52%、3.46%,呈现下层>上层>中层。海水样品从物种丰度、物种多样性、物种组成相似性方面比较,装置中下水层样品间差异不大(P>0.05),而上层较丰富;3mg/L样品>1mg/L样品(5mg/L样品通量检测失误,不做参考)。在门水平上,4个样品菌群主要由变形菌门(Proteobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)组成,其中变形菌门占比差异不大(P>0.05),中层样品硝化螺旋菌门(Nitrospirae)占比较上下层略高,1mg/L样品占比最小;在属水平上,4个样品共检测出6种硝化菌属和13种聚磷菌属,其中硝化菌类包括亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、硝化螺菌属(Nitrospira)、硝化刺菌属(Nitrospina)和硝化球菌属(Nitrococcus),且为4个样品所共有,其中AOB菌群的占比分别为20.60%、22.04%、21.70%、22.07%,呈现中层>下层>上层,1mg/L组与3mg/L组差异不显著(P>0.05);NOB菌群的占比分别为51.46%、56.32%、55.37%、50.77%,呈现中层>下层>上层,3mg/L组>1mg/L组。四个样品的聚磷菌占比分别为3.71%、3.52%、3.02%和2.85%,呈现上层>中层>下层,3mg/L组>1mg/L组。综上,淡、海水装置在生物膜构建完成后,中、下水层的微生物群落在物种丰度、物种多样性、物种组成相似性方面,差异不大;中水层的AOB菌群与NOB菌群占比均要高于上、下水层。淡、海水试验氨氮浓度梯度越高的装置,其硝化细菌的整体占比也越大。淡海水试验装置的聚磷菌属的占比远小于硝化菌属。