Επιλογή μέσων Biofilter για Largemouth Bass- Χαρακτηριστικά βιοφίλμ και απόδοση ανάπτυξης
Λαβράκι με μεγάλο στόμα (Micropterus salmoides), γνωστό και ως μπάσο Καλιφόρνια, ανήκει στους Actinopterygii, Perciformes, Centrarchidae, Micropterus. Είναι εγγενές στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ και έχει πλεονεκτήματα όπως γρήγορη ανάπτυξη, νόστιμη γεύση, πλούσια διατροφή και υψηλή οικονομική αξία. Έχει γίνει ένα από τα σημαντικά είδη υδατοκαλλιέργειας γλυκού νερού στην Κίνα. Τα τελευταία χρόνια, στο πλαίσιο του μετασχηματισμού και της αναβάθμισης της αλιείας και της δυναμικής ανάπτυξης της ψηφιακής και έξυπνης αλιείας, εμφανίστηκε σταδιακά η βιομηχανοποιημένη υδατοκαλλιέργεια ανακυκλοφορίας. Ο τρόπος υδατοκαλλιέργειας του μεγάλου λαβρακιού μετατοπίζεται επίσης από την παραδοσιακή καλλιέργεια λιμνών στην πράσινη και αποτελεσματική λειτουργία ανακυκλοφορίας υδατοκαλλιέργειας. Η ανακυκλοφορία της υδατοκαλλιέργειας έχει πλεονεκτήματα όπως εξοικονόμηση νερού και γης, υψηλή πυκνότητα αποθεμάτων και βολική διαχείριση. Μέσω φυσικών, βιολογικών, χημικών μεθόδων και εξοπλισμού, τα στερεά αιωρούμενα στερεά και οι επιβλαβείς ουσίες στο υδάτινο σώμα αφαιρούνται ή μετατρέπονται σε αβλαβείς ουσίες, έτσι ώστε η ποιότητα του νερού να ανταποκρίνεται στις κανονικές ανάγκες ανάπτυξης των καλλιεργούμενων ειδών, πραγματοποιώντας έτσι την ανακύκλωση του νερού σε συνθήκες υδατοκαλλιέργειας υψηλής-πυκνότητας. Έχει επιτύχει καλά οικονομικά οφέλη σε πολλαπλά καλλιεργούμενα είδη.
Επί του παρόντος, η έρευνα για την ανακυκλοφορία υδατοκαλλιέργειας μεγαλόστομων λαβρακιών επικεντρώνεται κυρίως στην αναπαραγωγή, τη διατροφή των ζωοτροφών, την επιλογή στελεχών, την ακριβή διατροφή, τις αλλαγές στο υδάτινο περιβάλλον και τη διατροφική ποιότητα. Η έρευνα για την βιομηχανοποιημένη υδατοκαλλιέργεια εσωτερικών χώρων ανακυκλοφορίας λαβράκι εστιάζεται κυρίως στην καλλιέργεια νεαρών ψαριών μεγάλου-μεγέθους και η εκτροφή ενηλίκων ιχθύων πλήρους-κύκλου δεν έχει προωθηθεί ευρέως. Η κύρια πρόκληση που αντιμετωπίζει η υδατοκαλλιέργεια με ανακυκλοφορία λαβρακιού είναι η διατήρηση ενός καλού υδάτινου περιβάλλοντος υπό συνθήκες υψηλής{4} πυκνότητας για να διασφαλιστεί η κανονική ανάπτυξη των καλλιεργούμενων ειδών. Η επεξεργασία του νερού είναι ο πυρήνας της υδατοκαλλιέργειας ανακυκλοφορίας και τα αποτελεσματικά μέσα βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού αποτελούν τη βάση του συστήματος επεξεργασίας νερού. Αν και υπάρχουν πολλές αναφορές για τον καθαρισμό του νερού με βιοφίλτρα, δεν υπάρχουν αναφορές ειδικά για βιομηχανοποιημένη ανακυκλοφορία υδατοκαλλιέργειας λαβράκι, ειδικά σχετικά με τον έλεγχο αποτελεσματικών μέσων βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού, τη δομή της μικροβιακής κοινότητας των βιοφίλμ σε διαφορετικά μέσα βιοφίλτρου, τις επιπτώσεις της επεξεργασίας και τις επιπτώσεις στην ανάπτυξη των καλλιεργούμενων ειδών. Επιλέχθηκαν τρεις τύποι μέσων βιοφίλτρου, μεταξύ των οποίων τα μέσα βιοφίλτρου με τετράγωνο σφουγγάρι και σφαίρα ρευστοποιημένης κλίνης είναι χαμηλού-κοστού και απλούστατου στη λειτουργία τους και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην επεξεργασία του νερού της ουράς υδατοκαλλιέργειας. Το Mutag Biochip 30 (συντομογραφία Biochip) είναι ένας νέος τύπος μέσων βιοφίλτρου που έχει εμφανιστεί τα τελευταία χρόνια, με πλεονεκτήματα αντοχής στην κρούση και μεγάλη διάρκεια ζωής, αλλά τα αποτελέσματα της πρακτικής εφαρμογής του δεν έχουν αναφερθεί. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία αλληλούχισης υψηλής απόδοσης 16S rDNA για την ανάλυση της κατάστασης σχηματισμού βιοφίλμ των τριών μέσων βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού, ενώ ταυτόχρονα αναλύθηκε η κατάσταση ανάπτυξης του μπάσου μεγάλου στόματος, προκειμένου να εξακριβωθούν τα πρακτικά μέσα βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού και να παρασχεθούν αποτελεσματικά μέσα επεξεργασίας νερού για μεγάλα μπάσα επεξεργασίας νερού.
1. Υλικά και Μέθοδοι
1.1 Υλικά δοκιμής
Τα μέσα βιοφίλτρου που επιλέχθηκαν για αυτή τη δοκιμή ήταντετράγωνο σφουγγάρι, Biochip, καιμπάλα ρευστοποιημένου κρεβατιού, όπως φαίνεται στοΕικόνα 1. Το τετράγωνο υλικό σφουγγαριού είναι πολυουρεθάνη, σε σχήμα κύβου με μήκος πλευράς 2,0 cm, ειδική επιφάνεια (3,2~3,5)×104 m²/m3. Το υλικό Biochip είναι πολυαιθυλένιο, σε σχήμα κύκλου με διάμετρο 3,0 cm, πάχος περίπου 0,11 cm, ειδική επιφάνεια 5,5×10³ m²/m³. Το υλικό της σφαίρας ρευστοποιημένης κλίνης είναι πολυαιθυλένιο, αποτελεσματικής ειδικής επιφάνειας 500~800 m²/m³.
1.2 Πειραματική Ομαδοποίηση
Η ομάδα επεξεργασίας μέσων βιοφίλτρου με τετράγωνο σπόγγο ορίστηκε ως ομάδα Τ1, το αντίστοιχο βιοφίλμ μέσου ονομάστηκε Β1 και το αντίστοιχο νερό υδατοκαλλιέργειας ονομάστηκε W1. Η ομάδα επεξεργασίας μέσων βιοφίλτρου Biochip ορίστηκε ως ομάδα Τ2, το αντίστοιχο βιοφίλμ μέσου ονομάστηκε Β2 και το αντίστοιχο νερό υδατοκαλλιέργειας ονομάστηκε W2. η ομάδα επεξεργασίας μέσων βιοφίλτρου με σφαίρα ρευστοποιημένης κλίνης ορίστηκε ως ομάδα Τ3, το αντίστοιχο βιοφίλμ μέσου ονομάστηκε Β3 και το αντίστοιχο νερό υδατοκαλλιέργειας ονομάστηκε W3.
1.3 Σύστημα Υδατοκαλλιέργειας
Το πείραμα διεξήχθη σε ένα σύστημα ανακυκλοφορίας υδατοκαλλιέργειας στην Ολοκληρωμένη Πειραματική Βάση Balidian του Ινστιτούτου Αλιείας Γλυκών Νερών Zhejiang.Υπήρχαν συνολικά 9 δεξαμενές καλλιέργειας, όγκος 500 L, ενεργός όγκος νερού 350 L. Η δεξαμενή βιοφίλτρου ήταν κατασκευασμένη από πλαστικό ενυδρείο μήκους 80 cm, πλάτους 50 cm και ύψους 50 cm, όγκος 200 L, ενεργού όγκου νερού 120 L. Η δεξαμενή καλλιέργειας και η δεξαμενή βιοφίλτρου συνδέθηκαν με μια αντλία νερού για να σχηματίσουν μια εσωτερική κυκλοφορία, ταχύτητα ροής 3~4 L/min, με αερισμό για οξυγόνωση, διαλυμένο οξυγόνο στο νερό που διατηρείται πάνω από 5 mg/L. Τα μέσα βιοφίλτρου ομαδοποιήθηκαν τυχαία, κάθε τύπος μέσου βιοφίλτρου είχε 3 επαναλήψεις, κάθε δεξαμενή βιοφίλτρου φορτώθηκε με 2,0 kg μέσου βιοφίλτρου, ενώ ταυτόχρονα ανέστειλε μια πηγή άνθρακα αργής-αποδέσμευσης. Κατά την περίοδο καλλιέργειας βιοφίλμ, το 10% του νερού άλλαζε καθημερινά.Αρχικοί δείκτες ποιότητας νερού: Ολικό Άζωτο (TN) 9,41 mg/L, Ολικός Φώσφορος (TP) 1,02 mg/L, Άζωτο Αμμωνίας (TAN) 1,26 mg/L, Νιτρώδη άζωτο (NO2-{3}}N) 0,04 mg/L (♠Περμαγγανικό άλας)x33.
1.4 Διαχείριση ιχθύων και καλλιέργειας
Ως καλλιεργούμενο είδος χρησιμοποιήθηκε λαβράκι με μεγάλο στόμα. Πριν από την έναρξη της δοκιμής, εγκλιματίστηκαν στο νερό ανακυκλοφορίας για 7 ημέρες.Το τεστ διεξήχθη από τις 11 Αυγούστου 2022 έως τις 22 Σεπτεμβρίου 2022, διάρκειας 42 ημερών. Λαβράκι χωρίς επιφανειακά τραύματα, υγιή και ζωηρά, επιλέχθηκαν για ομαδοποίηση, 60 ψάρια αποθηκεύτηκαν σε κάθε δεξαμενή καλλιέργειας, ταΐζονταν δύο φορές την ημέρα, οι ώρες σίτισης ήταν 07:00 το πρωί και 16:00 το απόγευμα, η ημερήσια ποσότητα σίτισης αντιστοιχούσε περίπου στο 1,0%~1,5% της συνολικής μάζας σώματος ψαριού. Η αρχική μάζα σώματος του ψαριού δοκιμής ήταν (20,46 ± 0,46) g.
1.5 Συλλογή δειγμάτων
Δείγματα νερού από τη δεξαμενή βιοφίλτρου συλλέγονταν κάθε 2 ημέρες, καταγράφοντας δείκτες όπως η θερμοκρασία του νερού, το διαλυμένο οξυγόνο, η τιμή του pH και η μέτρηση του αζώτου αμμωνίας και του νιτρικού αζώτου. Καταγράφηκε η ποσότητα σίτισης, η μάζα σώματος των ψαριών στην αρχή και το τέλος του πειράματος και το ποσοστό επιβίωσης. Μετά το πείραμα, συλλέχθηκε 1 λίτρο νερού από κάθε δεξαμενή καλλιέργειας χρησιμοποιώντας αποστειρωμένους σάκους συλλογής νερού, διηθήθηκε μέσω μεμβράνης φίλτρου 0,22 μm και αποθηκεύτηκε σε καταψύκτη -80 μοιρών για μεταγενέστερη χρήση. Δείγματα βιοφίλτρου 0,5 g λήφθηκαν ασηπτικά από κάθε δεξαμενή βιοφίλτρου, αποθηκεύτηκαν σε αποστειρωμένο απεσταγμένο νερό, ανακινήθηκαν έντονα για να απομακρυνθούν οι μικροοργανισμοί από την επιφάνεια του βιοφίλμ, κατόπιν διηθήθηκαν μέσω μεμβράνης φίλτρου 0,22 μm και αποθηκεύτηκαν σε καταψύκτη -80 βαθμούς για μελλοντική χρήση.
1.6 Μέθοδοι μέτρησης
1.6.1 Μέτρηση Ποιότητας Νερού
Η θερμοκρασία του νερού, το διαλυμένο οξυγόνο και η τιμή του pH ανιχνεύθηκαν χρησιμοποιώντας αΦορητός αναλυτής ποιότητας νερού HACH Hq40d. Η συγκέντρωση αζώτου αμμωνίας μετρήθηκε χρησιμοποιώντας τη φασματοφωτομετρική μέθοδο αντιδραστηρίου Nessler. Η συγκέντρωση αζώτου νιτρωδών ανιχνεύθηκε χρησιμοποιώντας τη φασματοφωτομετρική μέθοδο υδροχλωρικού οξέος ναφθυλαιθυλενοδιαμίνης.
1.6.2 Μέτρηση απόδοσης υδατοκαλλιέργειας
Οι τύποι υπολογισμού για το ρυθμό αύξησης βάρους, την αναλογία μετατροπής τροφής και το ποσοστό επιβίωσης των ψαριών είναι οι εξής.
l Ποσοστό αύξησης βάρους= (Τελική μάζα σώματος ψαριού - Αρχική μάζα σώματος ψαριού) / Αρχική μάζα σώματος × 100%;
l Αναλογία μετατροπής ροής= Κατανάλωση τροφοδοσίας / Αύξηση βάρους.
l Ποσοστό επιβίωσης= (Αριθμός ψαριών στο τέλος του πειράματος / Αρχικός αριθμός ψαριών στην αρχή του πειράματος) × 100%.
1.6.3 Αλληλουχία μικροβιακής υψηλής απόδοσης-
Το βακτηριακό DNA εξήχθη από νερό και βιοφίλμ χρησιμοποιώντας κιτ εξαγωγής βακτηριακού DNA (OMEGA Biotech, ΗΠΑ). Ειδικοί εκκινητές 338F (5'–ACTCCTACGGGAGGCAGCAG–3') και 806R (5'–GGACTACHVGGGTWTCTAAT–3') χρησιμοποιήθηκαν για την ενίσχυση των περιοχών V3 και V4 του βακτηριακού 16S rDNA. Η PCR χρησιμοποίησε το σύστημα αντίδρασης TransGen AP221-02: 4 μL ρυθμιστικού διαλύματος 5×FastPfu, 2 μL 2,5 mmol/L dNTPs, 0,4 μL πολυμεράσης FastPfu, 0,8 μL έκαστος από 5 μmol/L εμπρός και ανάστροφου εκκινητές, 0,2 μL συμπληρωμένο με BSA, 0,2 μL DNA ddH2O έως 20 μL. Συνθήκες αντίδρασης PCR: 95 βαθμοί για 3 λεπτά. 95 μοίρες για 30 δευτ., 53 μοίρες για 45 δευτ., 72 μοίρες για 1 λεπτό, 28 κύκλοι. Επέκταση 72 μοιρών για 10 λεπτά. Η ενίσχυση PCR πραγματοποιήθηκε σε ένα όργανο αντίδρασης PCR 9700 (Applied Biosystems® GeneAmp®, USA). Τα προϊόντα PCR καθαρίστηκαν χρησιμοποιώντας Beads και στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε ανάλυση αλληλουχίας. Η αλληλούχιση ανατέθηκε στη Shanghai Majorbio BioPharm Technology Co., Ltd.
1.6.4 Ανάλυση μικροβιακής ποικιλότητας
Τα ακατέργαστα δεδομένα που ελήφθησαν από την αλληλουχία συνδέθηκαν πρώτα, ακολουθούμενη από φιλτράρισμα ποιοτικού ελέγχου της ποιότητας ανάγνωσης και του εφέ ματίσματος και διόρθωση κατεύθυνσης ακολουθίας, με αποτέλεσμα βελτιστοποιημένα δεδομένα. Μετά την κανονικοποίηση των τελικώς ληφθέντων δεδομένων Clean, η ανάλυση ομαδοποίησης OTU (Operational Taxonomic Units) και η ταξινομική ανάλυση πραγματοποιήθηκαν με ομοιότητα 97%. Τα ιστογράμματα των δειγμάτων σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας το Excel και οι χάρτες θερμότητας σχεδιάστηκαν χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα Majorbio Cloud.
1.7 Ανάλυση Δεδομένων
Για την ανάλυση σημαντικότητας των διαφορών χρησιμοποιήθηκε το στατιστικό λογισμικό SPSS 16.0 και για πολλαπλές συγκρίσεις χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Duncan στην ανάλυση διακύμανσης (ANOVA).
2. Αποτελέσματα και Ανάλυση
2.1 Χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου
Όπως φαίνεται στοΕικόνα 2,υπό συνθήκες φυσικού σχηματισμού βιοφίλμ, η περιεκτικότητα σε άζωτο αμμωνίας στο νερό της δεξαμενής βιοφίλτρου παρουσίασε μια τάση ταχείας αύξησης ακολουθούμενη από σταδιακή μείωση.Η περιεκτικότητα σε άζωτο αμμωνίαςστο νερό της δεξαμενής βιοφίλτρου που αντιστοιχεί στο τετράγωνο σφουγγάρι έφτασε στο αποκορύφωμά του στις 17 ημέρες, στα 8,13 mg/L, και στη συνέχεια μειώθηκε σταδιακά,φτάνοντας το χαμηλότερο στις 41 ημέρες, στη συνέχεια παραμένει περίπου 0,20 mg/L, υποδεικνύοντας ότιο χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ για το τετράγωνο σφουγγάρι ήταν περίπου 17 ημέρες. Οι αλλαγές στην περιεκτικότητα σε άζωτο αμμωνίας στο νερό των δεξαμενών βιοφίλτρου που αντιστοιχούν στο Biochip και στη σφαίρα ρευστοποιημένης κλίνης ήταν βασικά οι ίδιες, παρουσιάζοντας κυμαινόμενες αλλαγές. Η κορυφή του αζώτου αμμωνίας εμφανίστηκε στις 21 ημέρες, στα 7,88 mg/L και 7,57 mg/L αντίστοιχα, υποδεικνύοντας ότιο χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ για το Biochip και το μέσο βιοφίλτρου με μπάλα ρευστοποιημένης κλίνης ήταν περίπου 21 ημέρες. Η περιεκτικότητα σε άζωτο αμμωνίαςστις δεξαμενές βιοφίλτρου που αντιστοιχούνΑυτά τα δύο μέσα έπεσαν στο χαμηλότερο επίπεδο στις 43 ημέρες και 45 ημέρες αντίστοιχα.
2.2 Αλλαγές στην τιμή pH του νερού σε διαφορετικές δεξαμενές καλλιέργειας
ΑπόΕικόνα 3, φαίνεται ότι η αρχική τιμή pH του νερού καλλιέργειας ήταν 7,3. Καθώς ο χρόνος καλλιέργειας επεκτάθηκε, η τιμή του pH του νερού σε κάθε δεξαμενή καλλιέργειας παρουσίασε πτωτική τάση. Μετά από 12 ημέρες, η τιμή pH όλων των δεξαμενών καλλιέργειας ήταν μικρότερη από 6,0, κάτι που δεν είναι ευνοϊκό για την ανάπτυξη του καλλιεργούμενου είδους.Επομένως, μετά από 12 ημέρες σχηματισμού βιοφίλμ, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στη ρύθμιση της τιμής του pH του νερού της δεξαμενής καλλιέργειας.
2.3 Ανάλυση της σύνθεσης της μικροβιακής κοινότητας σε βιοφίλμ διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου και στο νερό
2.3.1 Σύνθεση Μικροβιακής Κοινότητας σε Επίπεδο Φυλής
Όπως φαίνεται στοΕικόνα 4,σε επίπεδο φυλής, τα κυρίαρχα βακτήρια στα βιοφίλμ των τριών μέσων βιοφίλτρου ήταν τα ίδια, όλα τα Proteobacteria, Actinobacteriota, Bacteroidota και Chloroflexi. Η συνδυασμένη σχετική αφθονία τους ήταν 68,96%, 64,74% και 65,45% αντίστοιχα. Τα κυρίαρχα βακτήρια στο αντίστοιχο νερό καλλιέργειας ήταν διαφορετικά. Το κυρίαρχο βακτήριο στο W1 ήταν το Actinobacteriota, με σχετική αφθονία 64,66%. Τα κυρίαρχα βακτήρια στα W2 και W3 ήταν τα Proteobacteria, με σχετική αφθονία 34,93% και 50,10% αντίστοιχα.
Εικ. 4 Κοινοτική σύνθεση βακτηρίων σε διαφορετικό βιοφίλμ και νερό σε επίπεδο φυλής
2.3.2 Σύνθεση Μικροβιακής Κοινότητας σε Οικογενειακό Επίπεδο
Όπως φαίνεται στοΕικόνα 5, στις βιομεμβράνες των τριών μέσων, περίπου το 48% των βακτηρίων ήταν βακτηριακές κοινότητες με σχετική αφθονία όλα μικρότερη από 3%. Τα κυρίαρχα βακτήρια των Β1 και Β2 ήταν τα ίδια, και τα δύο ήταν Xanthomonadaceae, με σχετική αφθονία 11,64% και 9,16% αντίστοιχα. το κυρίαρχο βακτήριο του Β3 ήταν το JG30-KF-CM45, με σχετική αφθονία 10,54%. Τα κυρίαρχα βακτήρια στο νερό καλλιέργειας ήταν διαφορετικά από εκείνα στο μέσο βιοφίλτρου. Τα Microbacteriaceae ήταν τα απόλυτα κυρίαρχα βακτήρια στο W1, με σχετική αφθονία 62,10%. Τα κυρίαρχα βακτήρια στο W2, εκτός από τα Microbacteriaceae (13,82%), περιελάμβαναν επίσης ένα ορισμένο ποσοστό Rhizobiales (8,57%). το κυρίαρχο βακτήριο στο W3 ήταν το Rhizobiales, με σχετική αφθονία 38,94%, ακολουθούμενο από τα Flavobacteriaceae, με σχετική αφθονία 15,89%.
Καταμετρήθηκαν τα κορυφαία 50 είδη σε επίπεδο γένους. Μετά την επεξεργασία των αριθμητικών τιμών, οι αλλαγές αφθονίας διαφορετικών ειδών στα δείγματα εμφανίστηκαν μέσω της χρωματικής διαβάθμισης των μπλοκ χρώματος. Τα αποτελέσματα φαίνονται στοΕικόνα 6. Η Leifsonia ήταν το κυρίαρχο βακτήριο στο W1, με σχετική αφθονία 56,16%. Τα κυρίαρχα βακτήρια στο W2 ήταν τα Leifsonia (10,30%) και Rhizobiales_Incertae_Sedis (8,47%). το κυρίαρχο βακτήριο στο W3 ήταν το Rhizobiales_Incertae_Sedis, με σχετική αφθονία 38,92%. Μεταξύ των αναγνωρίσιμων βακτηρίων στα βιοφίλμ, το Thermomonas ήταν το κυρίαρχο γένος στο Β1, με σχετική αφθονία 4,71%. Τα κυρίαρχα γένη στα Β2 και Β3 ήταν τα Nitrospira, με σχετική αφθονία 4,41% και 2,70% αντίστοιχα.
Εικ. 5 Κοινοτική σύνθεση βακτηρίων σε διαφορετικό βιοφίλμκαι νερό σε οικογενειακό επίπεδο
Εικ. 6 Χάρτης θερμότητας σύνθεσης βακτηριακής κοινότητας σε διαφορετικό βιοφίλμ και νερό σε επίπεδο γένους
2.4 -Ανάλυση ποικιλότητας μικροβιακών κοινοτήτων σε βιοφίλμ διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου και στο νερό
Όπως φαίνεται στοΠίνακας 1, ο δείκτης Shannon των μικροβιακών κοινοτήτων στα βιοφίλμ διαφορετικών μέσων ήταν μεγαλύτερος από αυτόν του αντίστοιχου νερού καλλιέργειας, ενώ ο δείκτης Simpson ήταν το αντίθετο. Αναλύοντας το αντίστοιχο νερό καλλιέργειας, ο δείκτης βακτηριακής κοινότητας Shannon του W2 ήταν ο υψηλότερος, σημαντικά υψηλότερος από αυτόν των W1 και W3, ενώ ο δείκτης Simpson ήταν σημαντικά χαμηλότερος από αυτόν των W1 και W3, υποδεικνύοντας ότι η -ποικιλότητα του ήταν η υψηλότερη. Διαφορετικά από την -ποικιλότητα του νερού καλλιέργειας, παρόλο που ο δείκτης Shannon της βακτηριακής μικροβιακής κοινότητας στο μέσο Β2 ήταν ο μεγαλύτερος και ο δείκτης Simpson ήταν ο μικρότερος, δεν υπήρχε σημαντική διαφορά μεταξύ των τριών μέσων βιοφίλτρου. Η κάλυψη αλληλουχίας όλων των δειγμάτων ήταν πάνω από 0,990, υποδεικνύοντας ότι το βάθος ανάλυσης αλληλουχίας θα μπορούσε να αντικατοπτρίζει το πραγματικό επίπεδο των δειγμάτων.
2.5 Επιδράσεις διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου στην ανάπτυξη του μπάσου μεγάλου στόματος
Πίνακας 2δείχνει την κατάσταση ανάπτυξης του μπάσου με μεγάλο στόμα στις διάφορες ομάδες μέσων βιοφίλτρου. Μετά από 44 ημέρες καλλιέργειας, η τελική σωματική μάζα και ο ρυθμός αύξησης βάρους του μπάσου μεγαλόστομου στην ομάδα καλλιέργειας τετράγωνου σφουγγαριού ήταν σημαντικά υψηλότεροι από εκείνους στις ομάδες ρευστοποιημένου κρεβατιού και Biochip και η αναλογία μετατροπής τροφής ήταν σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των άλλων ομάδων. Το ποσοστό επιβίωσης των λαβράκι σε κάθε ομάδα ήταν πάνω από 97%, χωρίς σημαντική διαφορά μεταξύ των ομάδων.
3. Συμπέρασμα και Συζήτηση
3.1 Χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου
Τα βιοφίλμ προσκολλώνται στην επιφάνεια των μέσων βιοφίλτρου. Το υλικό, η δομή και η ειδική επιφάνεια των μέσων βιοφίλτρου είναι οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν το σχηματισμό βιοφίλμ. Υπάρχουν δύο κοινές μέθοδοι για την καλλιέργεια βιοφίλμ: η μέθοδος σχηματισμού φυσικού βιοφίλμ και η μέθοδος σχηματισμού ενοφθαλμισμένου βιοφίλμ. Διαφορετικές μέθοδοι σχηματισμού βιοφίλμ επηρεάζουν τον χρόνο ωρίμανσης του βιοφίλμ. Οι Hu Xiaobing et al. χρησιμοποίησε τέσσερις διαφορετικές μεθόδους για το σχηματισμό βιοφίλμ και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όταν χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι όπως η προσθήκη χιτοζάνης, ιόντων σιδήρου και ο εμβολιασμός με εκκενωμένη ιλύ για σχηματισμό βιοφίλμ, ο χρόνος ωρίμανσης του βιοφίλμ ήταν μικρότερος από εκείνον της μεθόδου σχηματισμού φυσικού βιοφίλμ. Αν και η προσθήκη ωφέλιμων μικροοργανισμών ή δραστικών ουσιών μπορεί να συντομεύσει το χρόνο σχηματισμού βιοφίλμ, υπάρχουν προβλήματα όπως η δυσκολία στην απόκτηση του εμβολίου, η σύνθετη κατασκευή της διαδικασίας και το υψηλό κόστος. Οι Guan Min et al., υπό συνθήκες χαμηλής περιεκτικότητας σε οργανική ύλη, χρησιμοποίησαν απευθείας ακατέργαστο νερό για το σχηματισμό βιοφίλμ και η δεξαμενή βιοφίλτρου ξεκίνησε με επιτυχία μέσω του φυσικού σχηματισμού βιοφίλμ μετά από περίπου 38 ημέρες. Αυτό το ερευνητικό αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι κάτω από τις ίδιες συνθήκες σχηματισμού βιοφίλμ, ο χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ του τετράγωνου σπόγγου ήταν μικρότερος από εκείνον των άλλων δύο μέσων βιοφίλτρου. Αυτό μπορεί να σχετίζεται με τη μεγάλη ειδική επιφάνεια, την ισχυρή υδροφιλία και την ευκολία προσκόλλησης βιοφίλμ του τετράγωνου σφουγγαριού. Η ειδική επιφάνεια του τετράγωνου σφουγγαριού είναι τόσο υψηλή όσο 32.000~35.000 m²/m³, πολύ μεγαλύτερη από τα άλλα δύο μέσα. Επιπλέον, το υλικό του τετράγωνου σφουγγαριού είναι πολυουρεθάνη, η οποία διαστέλλεται όταν εκτίθεται στο νερό, έχει υψηλή υδροφιλία και ευνοεί την προσκόλληση και ανάπτυξη μικροοργανισμών στο νερό. Τα αποτελέσματα της έρευνας των Li Yong et al. έδειξε επίσης ότι η απόδοση εκκίνησης{20}και η απόδοση αφαίρεσης αζώτου αμμωνίας του σπόγγου πολυουρεθάνης ήταν καλύτερες από εκείνες του πολυπροπυλενίου, κάτι που συνάδει με τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης. Επιπλέον, σε αυτή τη μελέτη, η ειδική επιφάνεια του μέσου βιοφίλτρου Biochip ήταν τόσο υψηλή όσο 5.500 m²/m³, πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μέσων βιοφίλτρου με σφαίρα ρευστοποιημένης κλίνης, αλλά ο χρόνος σχηματισμού βιοφίλμ ήταν βασικά ο ίδιος με εκείνον του μέσου σφαιρών ρευστοποιημένης κλίνης. Αυτό μπορεί να σχετίζεται με το μέγεθος των πόρων. Ορισμένες μελέτες έχουν επισημάνει ότι η εσωτερική χωρική κλίμακα των μέσων βιοφίλτρου επηρεάζει την ανάπτυξη των βιοφίλμ. Αν και ορισμένα μέσα βιοφίλτρου έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια, οι πόροι τους είναι λεπτοί και το μέγεθος πόρων είναι πολύ μικρότερο από το πάχος του ώριμου βιοφίλμ, το οποίο μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε απόφραξη πόρων, δυσκολεύοντας το βιοφίλμ στους πόρους να φτάσει στη μέγιστη συσσώρευση. Οι πόροι του Biochip είναι μικροί, με αποτέλεσμα πιο αργή ανάπτυξη βιοφίλμ και μεγαλύτερο χρόνο σχηματισμού βιοφίλμ.
3.2 Μικροβιακή Κοινότητα Σύνθεση μέσων βιοφίλτρου και νερό καλλιέργειας
Σε αυτή τη μελέτη, τα κυρίαρχα βακτήρια στα μέσα βιοφίλτρου και στο αντίστοιχο νερό καλλιέργειας ήταν διαφορετικά. Ο δείκτης Shannon των βιοφίλμ στο μέσο βιοφίλτρου ήταν μεγαλύτερος από αυτόν του αντίστοιχου νερού καλλιέργειας, υποδεικνύοντας ότι τα μέσα βιοφίλτρου έχουν ως αποτέλεσμα τον εμπλουτισμό των μικροοργανισμών. Αυτό είναι συνεπές με τα ερευνητικά αποτελέσματα των Hu Gaoyu et al. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τη δομή της μικροβιακής κοινότητας, όπως ο τύπος φορέα, το βάθος φίλτρου, η αλατότητα, η συγκέντρωση οργανικής ύλης, κ.λπ. Τα ίδια μέσα βιοφίλτρου, υπό διαφορετικές συνθήκες καλλιέργειας, θα έχουν διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες στο βιοφίλμ. Ο συγγραφέας κάποτε μελέτησε την κατάσταση σχηματισμού βιοφίλμ των μέσων βιοφίλτρου με μπάλα ρευστοποιημένης κλίνης σε ένα σύστημα υδατοκαλλιέργειας ανακυκλοφορίας για γιγάντιες γαρίδες γλυκού νερού (Macrobrachium rosenbergii). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κυρίαρχη ομάδα στο βιοφίλμ του ήταν τα Firmicutes, ενώ σε αυτή τη μελέτη, η κυρίαρχη ομάδα στο βιοφίλμ της μπάλας ρευστοποιημένης κλίνης ήταν τα Proteobacteria. Ο κύριος λόγος αυτής της διαφοράς μπορεί να είναι τα διαφορετικά περιβάλλοντα υδατοκαλλιέργειας. Τα τρία μέσα βιοφίλτρου που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη είχαν τις ίδιες αρχικές συνθήκες για την καλλιέργεια βιοφίλμ. Είναι πιθανό ότι λόγω των διαφορετικών φυσικών χαρακτηριστικών των μέσων, το διαμορφωμένο πάχος του βιοφίλμ και το εσωτερικό περιβάλλον ήταν επίσης διαφορετικά, με αποτέλεσμα να υπάρχουν διαφορές στις μικροβιακές κοινότητες. Επομένως, η διαφορά στους φορείς είναι ο κύριος λόγος για τις διαφορές στις μικροβιακές κοινότητες. Επιπλέον, κατά τη διαδικασία της υδατοκαλλιέργειας, το υδάτινο περιβάλλον και η μικροβιακή κοινότητα επηρεάζουν το ένα το άλλο. Οι λόγοι για τις διαφορές στις μικροβιακές κοινότητες μπορεί να σχετίζονται με περιβαλλοντικούς παράγοντες. Για παράδειγμα, η έρευνα του Yuan Cuilin έδειξε ότι ο συνολικός αριθμός των ετερότροφων βακτηρίων στο σώμα? Οι Fan Tingyu et al. πιστεύεται ότι η τιμή του pH μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη συνολική περιεκτικότητα σε άζωτο στο νερό και παίζει βασικό ρόλο στην κατανομή των υδρόβιων βακτηριακών κοινοτήτων στα τμήματα των ποταμών της ενδοχώρας. Το άζωτο της αμμωνίας, ο ολικός φώσφορος και η χλωροφύλλη α επηρεάζουν επίσης τη σύνθεση των βακτηριακών κοινοτήτων στο υδάτινο σώμα σε διάφορους βαθμούς. Οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που προκαλούν τις διαφορές στη σύνθεση της μικροβιακής κοινότητας σε αυτή τη μελέτη χρειάζονται ακόμη περαιτέρω επιβεβαίωση.
3.3 Επιδράσεις διαφορετικών μέσων βιοφίλτρου στην ανάπτυξη του μπάσου μεγάλου στόματος
Από τα αποτελέσματα ανάπτυξης, το μπάσο μεγάλου στόματος στην ομάδα τετράγωνων σφουγγαριών αναπτύχθηκε ταχύτερα, με ρυθμό αύξησης βάρους σημαντικά υψηλότερο από αυτόν των άλλων δύο μέσων και τη χαμηλότερη αναλογία μετατροπής τροφοδοσίας. Αυτό είναι σύμφωνο με προηγούμενα ερευνητικά αποτελέσματα. Σε αυτή τη μελέτη, ο σχηματισμός βιοφίλμ και η υδατοκαλλιέργεια διεξήχθησαν ταυτόχρονα. Κρίνοντας από το χρόνο σχηματισμού βιοφίλμ, το τετράγωνο βιοφίλμ σπόγγου ωρίμασε νωρίτερα, και μετά την ωρίμανση του βιοφίλμ, οι συγκεντρώσεις αζώτου αμμωνίας και νιτρικού αζώτου στο νερό ήταν πάντα χαμηλότερες από εκείνες των άλλων δύο μέσων. Επιπλέον, ο τετράγωνος σπόγγος έχει μια ορισμένη ικανότητα διήθησης, η περιεκτικότητα σε στερεά αιωρούμενα στερεά στο νερό καλλιέργειας ήταν χαμηλότερη και το νερό ήταν σχετικά διαυγές. Η καλύτερη ανάπτυξη του μεγάλου μπάσου στην ομάδα των τετράγωνων σφουγγαριών μπορεί να σχετίζεται με την καλή ποιότητα του νερού. Ωστόσο, τα αποτελέσματα καθαρισμού των τετράγωνων μέσων σπόγγου στο συνολικό άζωτο, τον ολικό φώσφορο και τον δείκτη υπερμαγγανικού στο νερό χρήζουν περαιτέρω μελέτης. Αξίζει να σημειωθεί ότι κατά τη διάρκεια του πειράματος, η τιμή του pH παρουσίασε συνολική πτωτική τάση. Μετά από 12 ημέρες καλλιέργειας, η τιμή pH όλων των δεξαμενών καλλιέργειας ήταν μικρότερη από 6,0, κάτι που είναι σύμφωνο με τα ερευνητικά αποτελέσματα των Zhang Long et al. Η μείωση της τιμής του pH οφείλεται στο ότι ένας μεγάλος αριθμός ιόντων υδρογόνου παράγεται κατά τη διαδικασία καλλιέργειας του βιοφίλμ, οδηγώντας σε μείωση της τιμής του pH του νερού. Ως εκ τούτου, κατά τη διαδικασία σχηματισμού βιοφίλμ, είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί αμέσως η τιμή του pH του νερού της δεξαμενής καλλιέργειας για να διασφαλιστεί ότι βρίσκεται εντός του φυσιολογικού εύρους ανάπτυξης του καλλιεργούμενου είδους. Λαμβάνοντας υπόψη το οικονομικό κόστος, η τιμή αγοράς του τετραγωνικού σφουγγαριού είναι 70~100 RMB/kg και το κόστος του είναι μεταξύ των άλλων δύο μέσων βιοφίλτρου. Σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα ανάπτυξης, βραχυπρόθεσμα, το τετράγωνο σφουγγάρι είναι ένα σχετικά πρακτικό μέσο βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού για την ανακυκλοφορία υδατοκαλλιέργειας. Ωστόσο, το τετράγωνο σφουγγάρι έχει κακή σκληρότητα και μικρή διάρκεια ζωής. Τα αποτελέσματα της μακροπρόθεσμης χρήσης του και τα αποτελέσματα της υδατοκαλλιέργειας-χρειάζονται περαιτέρω επαλήθευση.
Συνοπτικά,κάτω από φυσικές συνθήκες σχηματισμού βιοφίλμ, το τετράγωνο μέσο βιοφίλτρου σπόγγου έχει τον μικρότερο χρόνο σχηματισμού βιοφίλμ, μέτρια τιμή και η τελική μάζα σώματος και ο ρυθμός αύξησης βάρους του μπάσου μεγαλόστομου στην ομάδα τετράγωνου σφουγγαριού ήταν σημαντικά υψηλότεροι από εκείνους των άλλων δύο μέσων βιοφίλτρου. Βραχυπρόθεσμα, είναι ένα σχετικά πρακτικό μέσο βιοφίλτρου επεξεργασίας νερού για την ανακυκλοφορία υδατοκαλλιέργειας.