水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)利用過(guò)程中堿度的變化及調(diào)控

羅國(guó)芝，陳曉慶，譚洪新

(上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海，201306)

堿度(Alkalinity)表示水體維持pH穩(wěn)定的能力，也被用來(lái)表征水體與強(qiáng)酸中和的能力[1]。養(yǎng)殖水體含碳酸鹽、重碳酸鹽、氫氧化物、磷酸鹽等，其中碳酸鹽和重碳酸鹽是堿度的主要組分[2]。堿度有三種單位：mmol/L，德國(guó)度和mg/L CaCO3，三者之間的數(shù)量關(guān)系是1 mmol/L=2.804 德國(guó)度=50.05 mg/L CaCO3。在已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)中，絕大多數(shù)以mg/L CaCO3表示，意為水體中具有的堿度的量相當(dāng)于含有相當(dāng)濃度的CaCO3具有的抵抗pH變化的能力[1]。

養(yǎng)殖水體的堿度主要受水體中的微生物學(xué)過(guò)程、光合作用和魚(yú)蝦呼吸作用的影響。堿度較低的養(yǎng)殖池塘中，光合作用能夠明顯提高pH;堿度較高的池塘，pH受光合作用的影響比較小[3]。流水養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖中的堿度主要受所在水體的影響，要刻意維持比較困難。封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(RAS)需要處理養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以保證養(yǎng)殖水的可循環(huán)利用性，理論和實(shí)踐結(jié)果均表明，養(yǎng)殖水循環(huán)利用過(guò)程中堿度會(huì)明顯降低[4]。堿度的降低會(huì)對(duì)養(yǎng)殖水體中的生物學(xué)過(guò)程產(chǎn)生明顯影響，也會(huì)影響水體中的某些物質(zhì)存在的狀態(tài)而影響?zhàn)B殖動(dòng)物[5]。因此，堿度是影響?zhàn)B殖水可循環(huán)利用能力的重要指標(biāo)之一。

本文對(duì)循環(huán)利用的養(yǎng)殖水體中堿度的變化規(guī)律和調(diào)控策略進(jìn)行了總結(jié)，為維持循環(huán)水高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的穩(wěn)定提供參考。

1 水產(chǎn)養(yǎng)殖水體中堿度的標(biāo)準(zhǔn)

天然海水的平均堿度116 mg/L CaCO3，淡水的平均堿度47.5 mg/L[6]。Piper等[7]和 Heinen等[8]推薦養(yǎng)殖水需要100～400 mg/L CaCO3的堿度。我國(guó)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB11607-89)中沒(méi)有對(duì)堿度進(jìn)行限定，本文成稿時(shí)能夠查閱到的制定了養(yǎng)殖水體的堿度標(biāo)準(zhǔn)的有澳大利亞和新西蘭，均規(guī)定淡水養(yǎng)殖水體中堿度應(yīng)維持在20 mg/L[6]。

Rojas等[9]的研究表明提高堿度能夠提高羅非魚(yú)(Oreochromisniloticus)的生長(zhǎng)效率。銀鲇幼魚(yú)的最佳堿度是 80 mg/L CaCO3[10]。Davidson等[11]的研究表明虹鱒(Oncorhynchusmykiss)幼魚(yú)的封閉式循環(huán)養(yǎng)殖水體中的堿度維持在195 mg/L CaCO3。Summerfelt等[12]的研究表明亞特蘭大鮭魚(yú)(Atlanticsalmonsmolt)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)， 70 mg/L CaCO3和 200 mg/L CaCO3沒(méi)有明顯差別，出于成本考慮，建議 70 mg/L CaCO3。海水養(yǎng)殖凡納濱對(duì)蝦水體中含160 mg/L CaCO3的堿度長(zhǎng)得最好[13]。研究表明，羅氏沼蝦(M.rosenbergii)的生長(zhǎng)率和存活率隨著堿度的增加而降低， 250 mg/L CaCO3堿度條件下會(huì)出現(xiàn)明顯的死亡[14]。用生物絮凝技術(shù)海水養(yǎng)殖凡納濱對(duì)蝦(Litopenaeusvannamei)，養(yǎng)殖密度165 PL/m3的堿度范圍40～160 mg/L CaCO3[15]。Furtado等[16]利用生物絮凝養(yǎng)殖凡納濱對(duì)蝦，不換水，堿度70 mg/L CaCO3以上(此時(shí)pH 在7.38以上)可以形成生物絮團(tuán)和生物膜，堿度高的條件下(300 mg/L)硝化率更高。

養(yǎng)殖水體中現(xiàn)有堿度的標(biāo)準(zhǔn)是基于養(yǎng)殖對(duì)象的需求而定。養(yǎng)殖水循環(huán)利用過(guò)程中會(huì)涉及到參與處理的微生物學(xué)過(guò)程，也應(yīng)考慮水體中微生物對(duì)堿度的需求。自養(yǎng)硝化過(guò)程是養(yǎng)殖用水去除氨氮的常用方法。堿度低，pH不穩(wěn)定，影響微生物菌群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，自養(yǎng)硝化效率降低，氨氮和亞硝酸氮會(huì)升高并積累[17]，影響?hù)~(yú)蝦的生長(zhǎng)和存活。Rusten等[18]的研究表明，當(dāng)堿度從115 mg/L (pH 7.3) 降低到 57 mg/L (pH 6.7)時(shí)移動(dòng)床生物過(guò)濾中的硝化效率會(huì)降低一半。一般認(rèn)為自養(yǎng)硝化過(guò)程需要 40 ～100 mg/L CaCO3的堿度[19-21]。

Chen 等[22]建議自養(yǎng)硝化過(guò)程處理養(yǎng)殖水的封閉式養(yǎng)殖水體中堿度至少應(yīng)該維持在 200 mg/L CaCO3以上。Ebeling 等[23]認(rèn)為循環(huán)利用率大于90%的養(yǎng)殖用水中應(yīng)該維持100～150 mg/L CaCO3。 Boyd等[24]認(rèn)為至少池塘養(yǎng)殖水體中應(yīng)該維持75 mg CaCO3/L以上的堿度。生物絮凝技術(shù)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，氨氮的異養(yǎng)同化過(guò)程會(huì)消耗堿度(3.57 g CaCO3/g總氮)，自養(yǎng)硝化過(guò)程也會(huì)消耗堿度(7.07 g CaCO3/g總氮)，堿度也會(huì)作為碳源被消耗[24-25]。Furtado等[26]認(rèn)為，BFT系統(tǒng)中，100 mg/L以下的堿度會(huì)影響硝化效率，但Li等[27]的研究表明，堿度高于200～250 mg/L 會(huì)導(dǎo)致不完全硝化過(guò)程。Furtado等[28]進(jìn)一步比較了堿度對(duì)BFT凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖的效果，75 mg/L CaCO3堿度組與150和300 mg/L CaCO3堿度組相比，氨氮和亞硝酸鹽積累更明顯，認(rèn)為高堿度更有利于生物絮團(tuán)的形成、穩(wěn)定和硝化過(guò)程的進(jìn)行。Piérri等[15]在生物絮凝中培養(yǎng)凡納濱對(duì)蝦，在165尾/m3的密度下，凡納濱對(duì)蝦可以在40～160 mg/L CaCO3堿度條件下存活。

2 堿度和其他水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系

堿度對(duì)魚(yú)蝦不會(huì)產(chǎn)生直接影響，會(huì)改變某些物質(zhì)的存在形態(tài)，進(jìn)而影響?hù)~(yú)蝦的生長(zhǎng)和生存。

2.1 堿度與重金屬

重金屬離子能與水體中的碳酸鹽絡(luò)合成化合物，降低游離重金屬離子濃度，減少游離重金屬對(duì)魚(yú)蝦的毒性[29]。堿度對(duì)重金屬離子的溶解性有決定性影響。Mustapha[30]的研究表明，水體中鎘離子的濃度與水體中的堿度(105 ～245 mg/L CaCO3)有明顯關(guān)系。

2.2 堿度和pH

堿度描述的是水體中和酸根的能力，因此被用來(lái)描述水體穩(wěn)定pH的能力，也被稱(chēng)為緩沖能力。堿度較高的養(yǎng)殖水體中，pH比較穩(wěn)定，堿度較低的養(yǎng)殖水體中，pH晝夜變化明顯(圖1)。

圖1 高堿度和低堿度水中pH的晝夜變化[2]Fig.1 pH changes during a 24 h period in waters with high and low alkalinity levels[2]

圖2 pH和總堿度關(guān)系示意[31]Fig.2 The relationship between the pH and total alkalinity[31]

pH 4.3以下時(shí)，水體中沒(méi)有堿度，只有游離的礦物酸度(Free Mineral Acidity,FMA) 和CO2。pH 4.3～8.3時(shí)，溶解的CO2開(kāi)始轉(zhuǎn)變成碳酸氫根；pH 超過(guò)8.3，碳酸氫根轉(zhuǎn)化成碳酸根， pH 為10.2 時(shí)，幾乎所有的碳酸氫根轉(zhuǎn)化成碳酸根；pH在10.2以上時(shí)，只能測(cè)得氫氧根和碳酸根(圖2)。堿度的酸滴定測(cè)定時(shí)有兩個(gè)突躍點(diǎn)， pH 8.3 附近和pH 4.2 附近，前者用酚酞指示劑，測(cè)定的堿度是酚酞堿度；后者用甲基橙做指示劑，測(cè)定的堿度被稱(chēng)為甲基橙堿度。因此，甲基橙堿度是總堿度，酚酞堿度只包括氫氧根堿度和碳酸根堿度的一半。

pH直接決定氨氮中分子氨的占比，高堿度導(dǎo)致pH升高，會(huì)由此帶來(lái)分子氨的增加，影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)和存活。

2.3 堿度和CO2

水體中的碳酸根和碳酸氫根是堿度最重要的組分，所以堿度是和CO2緩沖系統(tǒng)聯(lián)系在一起的，與pH和CO2有明顯的相關(guān)性(見(jiàn)圖2)。Gendel等[32]的研究表明，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中充分曝氣(CO2濃度不高于 7 mg/L)和較低的pH會(huì)導(dǎo)致水體的堿度比較低，緩沖能力比較弱。為了維護(hù)水體中的CO2低于15 mg/L，需要維持70 ～ 190 mg/L CaCO3的堿度[3]。

水體中的堿度和pH、水溫、CO2有緊密聯(lián)系，如果已知總堿度、pH和水溫，可根據(jù)表1計(jì)算出此時(shí)水體中溶解的CO2[33]。

以養(yǎng)殖池中pH 7.2，溫度25 ℃，總堿度103 mg/L ，從表1可以查到折算系數(shù)是0.121,則可計(jì)算此時(shí)水體中的CO2含量為103(mg/L CaCO3)×0.124=12.8 mg/L。需要注意的是，需在30 min內(nèi)測(cè)定pH值。這個(gè)方法也會(huì)有誤差，在有條件的情況下還是直接測(cè)得比較合適。

2.4 堿度和硬度

水體總硬度是指水中所有金屬離子的濃度，多以二價(jià)、三價(jià)金屬離子為主。碳酸鹽硬度是指Ca2+、Mg2+以碳酸鹽和碳酸氫鹽形式存在的部分如CaCO3、MgCO3。非碳酸鹽硬度是指Ca2+、Mg2+以硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物等形式存在的部分如CaSO4、MgSO4。養(yǎng)殖水體中硬度以Ca2+、Mg2+為主，但是錳離子(Mn2+)、鐵離子(Fe2+)、鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象也非常重要。如果堿度均由Ca2+和Mn2+離子組成的話(huà)，硬度高，堿度就會(huì)高；如果主要由Na+和K+組成，則硬度高，堿度就不一定高[34]。Ca2+，Mg2+硬度比較高的水體中，Cu2+、Zn2+等重金屬的毒性影響會(huì)明顯減低。酸性的、硬度比較低的水體中，重金屬離子的毒性會(huì)表現(xiàn)得比較明顯。水體總堿度是指水中堿基物質(zhì)的總量，包括有CaCO3、MgCO3和Na2CO3、KOH等能調(diào)節(jié)中和水體氫離子的物質(zhì)。正是這種調(diào)節(jié)中和水體氫離子的能力，我們稱(chēng)之為水體的緩沖能力，這也是堿度不能等同于硬度的最大區(qū)別所在。當(dāng)堿度等于硬度時(shí)，水體中的碳酸鹽和碳酸氫鹽只是鈣和鎂。當(dāng)堿度大于硬度時(shí)，水體中的碳酸鹽和碳酸氫不僅只是鈣和鎂，還有鉀鹽和鈉鹽等；當(dāng)堿度小于硬度時(shí)，水體中鈣和鎂不僅只有碳酸鹽和碳酸氫鹽，還有硫酸鹽、鹽酸鹽和硝酸鹽等非碳酸鹽。

表1 根據(jù)水溫、pH和總堿度估算光合作用可利用的CO2系數(shù)[33]Tab.1 Coefficient of photosynthesis exploitable CO2 estimated by water temperature,pH,and total alkalinity

b總堿度(mg/L CaCO3) ×系數(shù)=CO2(mg/L)

pH、CO2、硬度和堿度間的關(guān)系對(duì)于維持養(yǎng)殖水質(zhì)的穩(wěn)定至關(guān)重要，但在實(shí)際使用過(guò)程中很難把握。養(yǎng)殖水循環(huán)利用過(guò)程中這些指標(biāo)的變化及之間的關(guān)系和池塘養(yǎng)殖會(huì)有不同，需要獲得更加基礎(chǔ)、大量的一手?jǐn)?shù)據(jù)，

3 養(yǎng)殖水體中影響堿度的主要微生物學(xué)過(guò)程

3.1 光合作用

用水生植物進(jìn)行養(yǎng)殖水處理既能去除高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中積累的CO2，又能恢復(fù)一部分由于自養(yǎng)硝化過(guò)程消耗的堿度。關(guān)于利用水生植物處理養(yǎng)殖水的研究多集中于對(duì)氮、磷的去除效果方面[36]，對(duì)CO2的去除效率和堿度的提高未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

3.2 自養(yǎng)硝化

自養(yǎng)硝化過(guò)程是去除養(yǎng)殖用水氨氮最常用的方法，養(yǎng)殖密度越高，飼料投入就越多，產(chǎn)生的不能被利用的氮素就越多，需要處理的氨氮就越多，硝化作用強(qiáng)度就比較大，堿度消耗就比較明顯。為了保障養(yǎng)殖用水的可循環(huán)利用性，需要補(bǔ)充因?yàn)樽责B(yǎng)硝化過(guò)程消耗的堿度。具體補(bǔ)充方法可以根據(jù)氨氮產(chǎn)生的量估算需要補(bǔ)充的堿性物質(zhì)的量。首先可根據(jù)投餌率計(jì)算氨氮的產(chǎn)生量[34]:

PTAN=F×PC×0.092

PTAN表示氨氮的日產(chǎn)生量(kg/天)，F(xiàn)表示每天的投餌量(kg/天)，PC表示飼料中蛋白質(zhì)含量(%)。上述公式應(yīng)用的假設(shè)前提：蛋白質(zhì)含氮量16%，80%的投喂氮被攝入，被攝入的氮的80%被排泄，被排泄的氮最終會(huì)有90%的成為T(mén)AN+尿素。另外，殘餌和糞便會(huì)被固液分離移出，不進(jìn)入硝化裝置。根據(jù)自養(yǎng)硝化過(guò)程的堿度消耗量(7.05 g CaCO3/g N)[22]，則應(yīng)補(bǔ)充的被自養(yǎng)硝化過(guò)程消耗的堿度的量就應(yīng)該是：7.05×F×PC×0.092 = 0.648×F×PC 。

3.3 異養(yǎng)反硝化

3.4 氨氮異養(yǎng)同化

PTAN=F×PC×0.144

氨氮的異養(yǎng)同化過(guò)程是一個(gè)消耗堿度的過(guò)程，同化1 g N 要消耗3.57 g CaCO3堿度(3.57 g CaCO3/g N)，根據(jù)投餌率補(bǔ)充堿度的量就應(yīng)該是0.514×PC×F。

除了上述微生物學(xué)過(guò)程對(duì)養(yǎng)殖水體中的堿度，對(duì)養(yǎng)殖水的理化處理也可能影響堿度的含量。在養(yǎng)殖水體中加入臭氧是常用的水質(zhì)改善方法之一[40]，Whangchai等[41]和Matsumura等[42]的研究表明，臭氧處理會(huì)引起養(yǎng)殖水體中堿度和pH的明顯降低。

4 水產(chǎn)養(yǎng)殖循環(huán)利用水體堿度的調(diào)節(jié)方法

表2 堿度補(bǔ)充的方法[45]Tab.2 The methods of adding alkalinity[45]

注：Na化合物一般在水中的溶解性較高，Mg的溶解性較弱。Ca的溶解性介于Na和Mg之間。

可以添加2%～4%的安全海水提高淡水養(yǎng)殖水體中的堿度[47]。與淡水相比，海水的緩沖能力較高，含有較高濃度的碳酸根和碳酸氫根[6]，可以中和掉一部分的H+，提高pH[44]。

5 結(jié)論

水的堿度不僅可以通過(guò)改變水體中某些物質(zhì)的存在形態(tài)進(jìn)而影響?zhàn)B殖對(duì)象，同時(shí)能影響?zhàn)B殖水體的自養(yǎng)硝化、異養(yǎng)反硝化和氨氮異養(yǎng)同化過(guò)程的效率。水的堿度受水中光合作用和呼吸作用的影響會(huì)發(fā)生變化，養(yǎng)殖水循環(huán)利用過(guò)程中微生物學(xué)過(guò)程也能使堿度會(huì)明顯降低，水體中pH、CO2與水體緩沖系統(tǒng)與堿度變化規(guī)律有緊密聯(lián)系。通過(guò)補(bǔ)充堿度或者替換新水的方式提高養(yǎng)殖水體中堿度到一定的水平，以滿(mǎn)足自養(yǎng)硝化和氨氮的同化過(guò)程所消耗的堿度從而實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體的原位凈化。關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖水循環(huán)利用過(guò)程中堿度的變化機(jī)制基本從池塘養(yǎng)殖中借鑒，需開(kāi)展大量基礎(chǔ)的研究，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用水體堿度控制和維持循環(huán)水高密度養(yǎng)殖系統(tǒng)pH的穩(wěn)定提供參考。

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