對蝦養(yǎng)殖中人工基質(zhì)的作用范文

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《海洋科學雜志》2016年第9期

摘要:

目前中國對蝦養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展,同時也伴隨近海養(yǎng)殖水體日益惡化、抗生素和化學藥物被濫用和水產(chǎn)品食品安全等一系列問題。這些問題嚴重制約著對蝦集約化養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展,因此選擇一種更加健康、綠色和安全的養(yǎng)殖模式顯得尤為重要。作者通過介紹人工基質(zhì)這種新型水處理技術(shù)表面生物膜的結(jié)構(gòu)和形成過程,探討了其功能性(水質(zhì)調(diào)節(jié)、飼料補充和病害防治)機理,對其在對蝦養(yǎng)殖業(yè)中的實際應用做了展望。

關(guān)鍵詞:

對蝦;人工基質(zhì);生物膜;機理

在過去數(shù)十年中,中國的對蝦養(yǎng)殖業(yè)在規(guī)模和產(chǎn)量上都有了一個較大的發(fā)展,養(yǎng)殖模式也從過去的低投入、低產(chǎn)出的粗放式養(yǎng)殖模式朝向高投入、高產(chǎn)出和精細管理集約化養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變。但是,當前集約化養(yǎng)殖也存在著一些問題,例如因其較高的養(yǎng)殖密度、單一的人工飼料投喂、相對簡單的生態(tài)系統(tǒng)以及過低的環(huán)境承載力極易造成水體中有毒污染物的快速積累,導致水質(zhì)惡化、病害頻發(fā)[1-2];而抗生素的大量使用,極易造成惡性循環(huán),不僅導致了耐藥性病原菌的出現(xiàn),而且影響產(chǎn)品食用安全和環(huán)境安全[3-5]。因此選擇更加健康、綠色和安全的養(yǎng)殖技術(shù)就顯得尤為重要。人工基質(zhì),也稱人工水草,屬于生物-生態(tài)修復技術(shù)領(lǐng)域,人為將耐酸堿、耐污、柔韌性很強的材料投入水中,在載體表面形成從菌類、藻類到原生動物、后生動物的立體微生物生態(tài)系統(tǒng),提高污水處理的效果,實現(xiàn)治理系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性[6]。人工基質(zhì)可有效富集水中的土著微生物,利用微生物的吸收、分解和同化等作用,去除部分氮磷等富營養(yǎng)物質(zhì);同時利用微生物對污染物的降解作用,可去除水體中的有機污染物、藻類甚至藻毒素等物質(zhì),達到凈化水質(zhì)的目的,從而廣泛用于污水處理中[7-9]。將人工基質(zhì)用于對蝦養(yǎng)殖中起步于20世紀80年代,并取得了良好的效果[10-13]。

1人工基質(zhì)表面生物膜的結(jié)構(gòu)和形成過程

人工基質(zhì)表面生物膜的形成是動態(tài)發(fā)展的過程。生物膜的最初形成是一個物理-化學的自發(fā)反應過程,這個過程在基質(zhì)放入水體中的最初幾秒到幾分鐘之內(nèi)完成,主要指水體中的懸浮物自發(fā)向基質(zhì)表面靠近附著的過程。最初,細菌群落開始在基質(zhì)上附著、生長、繁殖[14];隨后便有藻類、真菌、原生動物、浮游動物和其他無脊椎動物等生物加入菌膜,最終形成多生物種類組成的動態(tài)變化的生物膜[15]。如圖1所示,人工基質(zhì)表面生物膜大致可以分為4層[16]。自內(nèi)向外分別是厭氧水層、好氧水層、附著水層和流動水層。在空氣中的氧氣進入養(yǎng)殖水體之后,伴隨著水體的流動到達基質(zhì)表面的附著水層,再經(jīng)由附著水層向好氧水層內(nèi)部擴散,最終被好氧層中生物的各種有氧代謝消耗殆盡。人工基質(zhì)表面好氧水層、附著水層和流動水層之間的物質(zhì)交換和能量流動最為頻繁,養(yǎng)殖水體中的氨氮等有害代謝產(chǎn)物經(jīng)流動水層進入到附著水層,進而擴散到好氧、厭氧水層被各水層中附著的細菌、藻類吸收利用,維護良好水質(zhì),為養(yǎng)殖生物的健康生長提供了良好的外部環(huán)境。

2人工基質(zhì)的材料選擇及種類

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,人工基質(zhì)的選擇必須滿足以下幾個條件:(1)材料本身無害、無毒,不向水體中釋放有毒、有害氣體或物質(zhì),確保其不對養(yǎng)殖生物產(chǎn)生危害;(2)材料比表面積大、高孔隙率,布水布氣性能好,并且不易堵塞;(3)材料具有一定的機械強度或者韌性,不宜被微生物降解,能夠被重復利用;(4)價格低廉,容易獲取[17]。目前,人工基質(zhì)的材料種類包括無機類載體,如硅酸鹽類、碳酸鹽、炭纖維、礦渣、活性炭等;有機合成高分子基質(zhì),如聚丙烯、聚乙烯、PVC管材等;天然可降解高分子基質(zhì),如稻草、殼聚糖、海藻酸鈉和纖維素等[17]。

3人工基質(zhì)在對蝦養(yǎng)殖中的應用

3.1吸收轉(zhuǎn)化污物,維護良好水質(zhì)

人工基質(zhì)加入養(yǎng)殖水體之后,原有的以水-土界面為主的好氧-厭氧、硝化-反硝化條件擴大到整個水體,其基質(zhì)表面迅速吸附水體中的懸浮顆粒物質(zhì)并逐漸形成一層生物膜狀結(jié)構(gòu),膜中的細菌群落可以對吸附其上的殘餌、糞便等有機碎屑進行徹底地分解利用,減少其在池塘底部沉積,厭氧代謝產(chǎn)生一些有害代謝產(chǎn)物[15]。此外,膜上的附著藻類以及細菌,可從水體中吸收氨氮、硝酸鹽等營養(yǎng)鹽。薛松松[18]掛設(shè)納米材料的人工基質(zhì)對養(yǎng)殖水體的氨氮、亞硝氮、無機磷去除率分別為93.5%、69.3%、40.9%,且提高人工基質(zhì)的面積可顯著增加水處理的速率與效果。同樣,Audelo-Naranjo等[19]使用阿科蔓生態(tài)基(AquaMatsTM)作為人工基質(zhì),實驗組的游離氨(NH3)和銨離子(NH4+)與對照組比分別降低了22%和39%,亞硝酸鹽降低了37.5%。江興龍等[20]在6口養(yǎng)殖對蝦的池塘中設(shè)置專用人工基質(zhì)(生物膜凈水柵,專利號ZL201120032516.6),在養(yǎng)殖135d期間,實驗組的pH、TAN、亞硝酸鹽、無機氮和無機磷濃度分別顯著低于對照組7.5%、78.8%、76.2%、53.2%和66.1%,DO濃度極顯著高于對照組13.5%。同時檢測發(fā)現(xiàn),細菌總數(shù)、水體硅藻相對密度、藻類生物多樣性指數(shù)分別極顯著高于對照組206%、173%、25.6%,藻類密度、藍藻相對密度分別顯著低于對照組64.7%、70%,人工基質(zhì)的使用改善和穩(wěn)定了對蝦養(yǎng)殖水質(zhì)。另一方面,硝化細菌、反硝化細菌在促進氮的循環(huán)中也起到了不可忽視的作用,但是這些細菌有其譬如世代長、生長慢、消化總堿度大、附著性強等問題[17]。添加人工基質(zhì),可以增加硝化細菌和反硝化細菌的附著面積,有利于其快速生長、繁殖,并最終加速氨氮和亞硝酸鹽氮等無機氮的轉(zhuǎn)化、去除,大大降低了有害含氮代謝產(chǎn)物對養(yǎng)殖生物的毒害作用,達到凈化水質(zhì)的目的。吳偉[21]等采用彈性生物填料為人工基質(zhì),水面下50cm處每克填料上的各類微生物的數(shù)量在30d左右達到峰值,細菌總數(shù)、真菌總數(shù)、氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的數(shù)量分別為初始時的1366、257、233、250和225倍,其吸收轉(zhuǎn)化氮的能力得到了極大的提高。

3.2提供附著面積,增加養(yǎng)殖空間

人工基質(zhì)提供了附著面積,改變了對蝦在養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的分布。張波[6]發(fā)現(xiàn)沒有添加人工基質(zhì)的對照組,對蝦在桶底(59%~64%)、水體(14%~21%)以及桶壁(19%~23%)的比例保持相對穩(wěn)定。然而,在添加有人工基質(zhì)的實驗組,人工基質(zhì)上分布對蝦的比例隨著人工基質(zhì)數(shù)量和養(yǎng)殖時間的增加而增加;而在桶底分布狀況卻剛好相反,隨著人工基質(zhì)數(shù)量和養(yǎng)殖時間的增加,桶底分布的對蝦比例卻逐漸減少。在G5組里,實驗結(jié)束時,桶底的對蝦分布比例最小(6%),而人工基質(zhì)上的比例卻達到最大值(62%)。在整個實驗期間,分布于桶壁(16%~23%)和水體(13%~21%)的對蝦比例在實驗組和對照組間沒有顯著性差異。對蝦為底棲生物,其能否健康成長與底質(zhì)的好壞密切相關(guān)。對蝦在人工基質(zhì)上的長時間停留,將大大減少其與池塘底質(zhì)環(huán)境的接觸時間,也減少其受到底質(zhì)中病原菌的感染幾率,這些都將有益于其健康生長。這些研究結(jié)果也為今后探索進行高密度、集約化的養(yǎng)殖管理提供了必要的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。由于人工基質(zhì)增加對蝦的棲息場所,相應降低了對蝦的養(yǎng)殖密度,減少了互相殘食的幾率和發(fā)生應激的概率,提高了對蝦成活率。Sandifer等[10]使用玻璃纖維片為人工基質(zhì),實驗組的對蝦成活率(82%)極顯著高于對照組(58%)。Audelo-Naranjo等[19]在以阿科蔓生態(tài)基(AquaMatsTM)為人工基質(zhì),發(fā)現(xiàn)實驗組的對蝦成活率(81.4%)也是顯著高于對照組(75.0%),單位產(chǎn)量也有極顯著差異(1.302kg/m2和1.144kg/m2)。Moss等[22]、Otoshi等[23]及Samocha等[24]使用其他材質(zhì)人工基質(zhì)也都有相似的研究發(fā)現(xiàn)。

3.3補充額外餌料,降低飼料系數(shù)

研究發(fā)現(xiàn),人工基質(zhì)表面生物膜的組成十分復雜,既包括飼料殘餌、糞便等有機碎屑,也包含各種各樣的藻類、浮游動物和浮游植物等,甚至會有原生動物出現(xiàn)。這些豐富的生物群體本身就是一種優(yōu)質(zhì)的高蛋白質(zhì)生物餌料,可以作為對蝦額外蛋白來源[25-27]。Audelo-Naranjo等[19]發(fā)現(xiàn)使用阿科蔓生態(tài)基的實驗組FCR僅為1.6,極顯著低于對照組1.9。對人工基質(zhì)上的生物膜營養(yǎng)成分分析,其中蛋白質(zhì)占23%~30%,脂質(zhì)占2%~9%,灰分占16%~42%和無氮浸出物占25%~28%,由此可見其營養(yǎng)之豐富[25]。在零換水系統(tǒng)中,Epp等[28]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖凡納濱對蝦(Litopenaeusvan-namei)體內(nèi)31%的氮來自飼料蛋白之外的氮源提供。Abreu等[25]利用同位素示蹤法進一步證實,對蝦體內(nèi)超過49%碳和70%氮可以來源于基質(zhì)表面的生物膜。這些發(fā)現(xiàn)充分顯示了生物膜作為對蝦額外的蛋白補充來源的重要性。生物膜結(jié)構(gòu)作為對蝦食物來源不僅受外界環(huán)境影響小,而且還是24h全天候的天然食物源,不會受到投喂時間、頻次的限制,可隨時為對蝦所攝食利用。如此,在生產(chǎn)實踐過程中,就可以嘗試適當減少投喂量和投喂頻率,促使生物膜中營養(yǎng)物質(zhì)成分盡可能多的為對蝦生長提供所必要的物質(zhì)和能量,也在某種程度上促進了池中生物群體間食物鏈的延伸。

3.4促進有益菌生長,抑制病原菌數(shù)量

致病菌通常適宜在厭氧、有機物含量豐富的水體中(大多為池塘底部)生長繁殖,人工基質(zhì)的出現(xiàn),大大降低了池塘底部的有機物沉積速率,加快了上下層水體間的交換頻率,延緩了上下層水體間的分層[15]。厭氧水域?qū)拥臏p少,有效降低了有害致病病原菌的生存空間,擴展了有益菌的生長、繁殖的空間。從細菌種間競爭的角度來看,一旦水體中有益菌形成占位優(yōu)勢,則可以有效抑制水體中有害弧菌數(shù)量,降低對蝦感染弧菌病的幾率[29]。Zhang[12]檢測發(fā)現(xiàn),設(shè)置人工基質(zhì)的對蝦養(yǎng)殖水體弧菌數(shù)量(4.75×103CFU/mL)顯著少于對照組(1.70×104CFU/mL)。江興龍等[20]也發(fā)現(xiàn)實驗組的水體弧菌極顯著低于對照組66%。另有研究發(fā)現(xiàn),生物膜上微生物群落除了對養(yǎng)殖水體中含氮代謝物具有較強吸收作用外,生物膜上的細菌和微藻也會產(chǎn)生特定的抗生素類化合物質(zhì),可以有效地抑制致病菌的生長繁殖速度[30-32]。江興龍等[20]發(fā)現(xiàn)人工基質(zhì)表面生物膜上弧菌的檢出率為零。Austin等[33]發(fā)現(xiàn)斑節(jié)對蝦攝食人工基質(zhì)的生物膜后,能拮抗溶藻弧菌、鰻弧菌、副溶血性弧菌和創(chuàng)傷弧菌的感染。當然,對于這些細菌和藻類產(chǎn)生抗生素類化合物的機制、目的和釋放周期等原因尚不清楚,需要做進一步的研究。

4小結(jié)與展望

人工基質(zhì)應用于對蝦養(yǎng)殖水體中,除了可以有效調(diào)控水質(zhì)、減少換水之外,還兼具了餌料補充、為對蝦提供棲息場所、降低致病菌感染幾率等諸多作用,顯示出人工基質(zhì)在對蝦水產(chǎn)養(yǎng)殖中具備著廣闊的應用前景。但是,目前仍然有需要解決的問題,其中包括:

(1)人工基質(zhì)選材。正如前文所述,人工基質(zhì)的材料很多,其中既有價格昂貴的商業(yè)人工基質(zhì)產(chǎn)品如阿科蔓生態(tài)基,也不乏價格低廉的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品,例如稻桿、甘蔗渣、竹竿等等。這些材料雖來源廣、價格低、易獲取,但是具體的使用方法、使用效果不一,沒有統(tǒng)一使用規(guī)范。

(2)人工基質(zhì)使用量。受對蝦規(guī)格、養(yǎng)殖密度、日常管理等影響外,還受不同地域的環(huán)境、氣候、養(yǎng)殖水體理化性質(zhì)等諸多因素的影響,因此要想得到一個統(tǒng)一的、合乎實際的人工基質(zhì)量,仍需要更多的研究作為支撐。

(3)基質(zhì)表面生物膜的成熟和強化。人工基質(zhì)表面生物膜中生物群落的成熟,通常為一個自然馴化成熟的過程,該過程較為緩慢,一般需要30d左右才能夠完成。但是,對于膜中各個微生物群落的結(jié)構(gòu)組成、具體功能、群落演替規(guī)律來說,目前仍然是一個“黑匣子”,其中的秘密也等待著更多學者的更多努力和研究來揭示。因此,今后對人工基質(zhì)在對蝦養(yǎng)殖中的應用研究中,可以借助其他技術(shù)手段,例如與現(xiàn)代分子生物學技術(shù)結(jié)合,培育高效的污染物降解菌;與納米材料技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建高親和力的生物膜載體材料;還可以結(jié)合當代固定化微生物技術(shù),對選育出來的菌株進行固定、包埋,使之能夠更加持久、高效的發(fā)揮作用等。

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作者:張家松 陳亮亮 馮震華 段亞飛 董宏標 李華 劉青松 單位:中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所 上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院