聚-β-羟基丁酸脂作为生物絮凝缓释碳源的添加策略研究

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生物絮凝技术(Bio-floc Technology,BFT)常用的碳源为水溶性碳源,但存在添加量计算复杂、添加过量及不足的风险。聚-β-羟基丁酸脂(Poly-β-hydroxybutyrate,PHB)、聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)等可降解生物聚合物(Biodegradable polymers,BDPs)作为固体碳源,可以酶解缓释碳源,不需要反复添加,作为水溶性碳源的替代受到了关注。PHB已经被证实可以成为生物絮凝养殖模式有效的优质碳源,但缺少PHB作为BFT的碳源投放应用策略的相关研究。本实验以PHB为主要研究对象,研究其在不同条件的BFT系统中作为缓释碳源的效果及降解特性,探究PHB作为BFT碳源的应用策略,并研究其对絮团营养组分及罗非鱼生长性能的影响。1.不同TSS条件下PHB的应用效果向设置为不同固体悬浮颗粒物(Total suspended solids,TSS)浓度的BFT系统中投入相同质量的PHB作为碳源,设置TSS 300 mg/L组(A组)、TSS 600mg/L组(B组)和TSS 900 mg/L组(C组),每组三个平行,每组添(20.00±0.00)g PHB,实验周期48 d。实验期间每4 d天监测水质指标,实验结束后,取絮团检测营养指标,扫描电镜(SEM)检测及傅里叶红外光谱检测PHB表面。实验期间各组氨氮(TAN)质量浓度低于2 mg/L,亚硝酸盐氮(NO2--N)质量浓度低于0.5 mg/L,实验后期C组TAN及NO2--N比A、B组更稳定。三组维持的溶解性有机碳比总氮(DOC/TN)比值依次为C组高于B组,A组最低。B组及C组在实验后期可以稳定将DOC/TN维持在15以上。罗非鱼的生长性能随着TSS水平的增加相对更好。各组絮团指标A组的碳氮比(10.11±1.87)%显著高于B组(8.59±0.91)%及C组(7.80±0.38)%(P<0.05),各组絮团17种常见氨基酸含量没有显著差异(P>0.05)。不同TSS下的PHB作为碳源进行红外光谱检测主要吸收峰值组间及实验前基本一致,主要官能团未发生变化;扫描电镜下观察可见,随着TSS升高PHB表面降解程度加大。PHB降解耗损质量差异显著(P<0.05),降解耗损质量上随着TSS水平升高而升高,组间耗损率差异并不显著(P>0.05),C组的PHB耗损率最小,实验期间各组耗损率均未超过投放量的30%,PHB随着TSS的提高其耗损率更高。2.不同添加量的PHB的应用效果本部分研究不同添加量的PHB作为缓释碳源对罗非鱼养殖效果及BFT系统的影响。设置添加15 g PHB组(A组)、添加25 g PHB组(B组)及添加40 g PHB组(C组),实验周期48 d,每4 d进行一次水质监测,实验结束检测鱼苗生长情况,取絮团进行营养指标检测,取PHB称重后进行扫描电镜及红外光谱检测。实验期间,C组TAN及NO2--N质量浓度变化幅度更小,C组水质控制效果更好。A组及C组在实验后期可以维持DOC/TN在15以上,各组罗非鱼的存活率等生长指标没有显著差异(P>0.05),在饵料系数上C组显著小于A组和B组(P<0.05)。PHB的降解耗损质量存在显著差异(P<0.05),降解耗损质量随着PHB添加量水平的提高而增大,各实验组PHB的耗损率差异不显著(P>0.05)。在扫描电镜下观察可见,A组的PHB表面相较其它组及未使用的PHB,出现更为显著的蜂窝状降解凹陷结构。本部分实验结果表明,随着PHB添加量的提高,水质更稳定,较低的PHB添加量及较高的PHB添加量可维持更高的C/N。3.PHB不同添加方式的应用效果本部分研究不同添加方式的PHB作为罗非鱼BFT养殖缓释碳源的效果。分别添加20 g PHB粉末(A组);20 g PHB颗粒(B组),以葡萄糖为对照碳源(C组)。实验周期48 d,每3 d进行一次水质监测,实验结束检测罗非鱼生长情况和絮团营养指标。实验期间TAN质量浓度均未超过0.6 mg/L,NO2--N质量浓度均未超过0.5 mg/L,两种PHB形态作为碳源水质控制效果差异不显著。A组实验开始阶段能维持15以上更高的DOC/TN水平,18 d后A组DOC/TN水平低于B组。实验前后各组絮团组间C/N、粗蛋白差异不显著(P>0.05),实验结束时A组粗灰分(35.45±0.65)%和B组粗灰分(34.44±1.59)%显著低于C组粗灰分(37.99±1.25)%(P<0.05)。A组罗非鱼存活率(71.67±10.41)%显著低于C组(88.33±12.58)%(P<0.05)。B组血清中的一氧化氮总量显著低于A组和C组(P<0.05),B组血清中的一氧化氮(NO)浓度显著低于A组和C组(P<0.05),A组血清中总抗氧化能力(T-AOC)显著小于B组及C组(P<0.05),C组肝脏总抗氧化能力显著大于A组及B组(P<0.05),A组血清中总超氧化物歧物酶(T-SOD)活性显著小于B组及C组(P<0.05),肝脏总超氧化物歧物酶活性,A组显著小于B组及C组(P<0.05),血清和肝脏的碱性磷酸酶(AKP)活性,血液及肝脏中的碱性磷酸酶都小于B组及C组(P<0.05)。本部分实验结果表明,粉末状PHB可在投放初期快速释放碳元素维持C/N提升到较高水平,但颗粒PHB作为缓释碳源对罗非鱼生物絮凝养殖有更好的效果。
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