基于珊瑚骨基質(zhì)的凡納濱對蝦內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的構(gòu)建與運(yùn)行效果

牛原青　孫好芬　陸繼哲　徐愛玲　宋志文

摘 要：采用珊瑚骨作為生物膜載體，利用海水素配制人工海水，構(gòu)建鹽度為15‰（海水）和5‰（淡水）的兩個(gè)凡納濱對蝦內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過添加硝化細(xì)菌菌劑和氮源，分別用8 d和13 d建立硝化功能。按照500尾/m3密度投入蝦苗后，海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)分別運(yùn)行97 d和83 d。在運(yùn)行期間淡水和海水系統(tǒng)養(yǎng)殖水體氨氮濃度始終維持在較低水平，平均濃度分別為（0.015±0.008） mg/L和（0.014±0.008） mg/L;在海水系統(tǒng)運(yùn)行前60 d，亞硝氮濃度維持在較低水平，在60～90 d，亞硝氮濃度呈緩慢上升趨勢，在90 d后，海水系統(tǒng)亞硝氮濃度開始快速增加，最終達(dá)到3.43 mg/L;淡水系統(tǒng)在運(yùn)行前40 d亞硝氮濃度維持在較低水平，40 d后開始小幅上升，運(yùn)行至70 d后，亞硝氮濃度開始快速增加，最終達(dá)到0.52 mg/L。最終海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)凡納濱對蝦存活率分別為51.5%和48.5%。

關(guān)鍵詞：凡納濱對蝦;內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng);生物膜;氨氮;亞硝氮

本研究采用珊瑚骨作為內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)生物膜載體，利用海水素配制人工海水，構(gòu)建了鹽度為5‰和15‰的兩個(gè)凡納濱對蝦內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，比較研究養(yǎng)水和養(yǎng)殖兩個(gè)階段的水質(zhì)變化和養(yǎng)殖效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)在河南省長垣縣志鴻農(nóng)業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地進(jìn)行，選用兩個(gè)4 m×4 m×1 m水泥池，有效水深0.85 m，養(yǎng)殖池底部中心區(qū)域布置6個(gè)曝氣盤。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)菌劑為本試驗(yàn)自行制備的硝化細(xì)菌菌劑，為氨氧化功能微生物和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的復(fù)合培養(yǎng)物。

人工海水由海水素（青島海之絢海洋生物有限公司）人工配制而成，淡水池和海水池鹽度分別為5‰和15‰。

選用珊瑚骨作為掛膜基質(zhì)，將珊瑚骨置于大小為0.68 m×0.48 m×0.40 m的多孔隙塑料筐中，海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)各放置4個(gè)，占養(yǎng)殖系統(tǒng)水體的4%。

海水系統(tǒng)選用海大集團(tuán)淡化至15‰鹽度的P5蝦苗;淡水系統(tǒng)為同批次經(jīng)20 d淡化至5‰鹽度的蝦苗，對蝦平均體長1.5 cm。淡水和海水系統(tǒng)養(yǎng)殖密度均為500尾/m3。

1.3 試驗(yàn)方案

包括養(yǎng)水和養(yǎng)殖兩個(gè)階段。養(yǎng)水階段向海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)投加碳酸氫銨使氨氮初始濃度分別為2 mg/L和5 mg/L，分別加入20 L硝化細(xì)菌菌劑，至養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)氨氮及由氨氮轉(zhuǎn)化的亞硝氮降至檢測不出，即可投放蝦苗。

期間控制水溫26～30 ℃，溶解氧大于6.5 mg/L。試驗(yàn)期間不換水，定期補(bǔ)水，并每日檢測DO、氨氮濃度和亞硝氮濃度，每周檢測硝酸鹽氮濃度。

1.4 分析方法

淡水氨氮采用納氏試劑光度法測定[1];亞硝酸鹽氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定[1];硝酸鹽氮采用酚二磺酸光度法測定[1];海水氨氮采用次溴酸鈉光度法測定[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 養(yǎng)水階段水質(zhì)變化

養(yǎng)水階段海水和淡水系統(tǒng)中氨氮和亞硝酸鹽氮濃度變化情況見圖1。從圖中可以看出，在投放碳酸氫銨之后，海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)氨氮濃度均呈快速下降趨勢，分別在第4天和6天降至檢測不出;亞硝氮濃度均呈現(xiàn)先上升再降低的趨勢，分別在第2天和第6天達(dá)到峰值，峰值濃度分別為1.3 mg/L和6.8 mg/L，在第8天和13天降至檢測不出。

圖1 養(yǎng)水階段水質(zhì)變化

2.2 養(yǎng)殖階段水質(zhì)變化

養(yǎng)水階段日常水質(zhì)指標(biāo)和無機(jī)氮變化情況見表1和圖2～圖4。可以看出，海水和淡水系統(tǒng)運(yùn)行程中，氨氮濃度始終處在較低水平，氨氮平均濃度分別為（0.015±0.008）mg/L和（0.014±0008） mg/L。

海水系統(tǒng)亞硝氮濃度在系統(tǒng)運(yùn)行前60 d無顯著變化，亞硝氮濃度維持較低水平，平均濃度為（0.017±0.06）mg/L;在系統(tǒng)運(yùn)行60～90 d，亞硝氮濃度開始緩慢上升，在90 d后亞硝氮濃度增速加快，在系統(tǒng)運(yùn)行末期達(dá)到3.43 mg/L。淡水系統(tǒng)在前40 d內(nèi)亞硝氮濃度維持在較低水平，該階段亞硝氮濃度最高值為（0.016±0.05）mg/L;在40～70 d，亞硝氮濃度有小幅度上升，該階段亞硝氮平均濃度為（0.16±0.06）mg/L;在運(yùn)行70 d后，亞硝氮濃度增長速度加快，在系統(tǒng)運(yùn)行末期達(dá)到0.52 mg/L。

在海水系統(tǒng)運(yùn)行前5周，硝酸鹽氮濃度變化較小，平均濃度為（9.75±3.46）mg/L，第5周之后，亞硝氮濃度開始快速上升，在運(yùn)行末期達(dá)到最大值55.7 mg/L;淡水系統(tǒng)硝酸鹽氮濃度增長穩(wěn)定，在運(yùn)行末期達(dá)到最大值36.89 mg/L。

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后對蝦生長狀況見表2，海水系統(tǒng)和淡水系統(tǒng)對蝦成活率分別為51.5%和485%。海水系統(tǒng)養(yǎng)殖對蝦平均長度為（15.1±1.2）cm，平均體重為（14.3±0.8）g。淡水系統(tǒng)所養(yǎng)殖對蝦的平均長度為（14.9±0.8）cm，平均體重為（14.1±0.7）g，

3 討論

水質(zhì)是決定凡納濱對蝦養(yǎng)殖成功與否的關(guān)鍵因素，其中養(yǎng)殖水體中氨和亞硝酸鹽的去除至關(guān)重要。由于凡納濱對蝦養(yǎng)殖密度大，容易造成水體中氨和亞硝酸鹽積累，導(dǎo)致對蝦生長緩慢，易受病害影響，成活率降低。

生物膜法通過投加生物膜載體，讓硝化功能微生物附著生長[3-5]，不僅可以有效去除含氮化合物，尤其是高毒性的氨和亞硝酸鹽，提高對蝦的存活率和生長率，而且形成的生物膜可作為蝦的額外食物來源，提供必要營養(yǎng)素，如不飽和脂肪酸、氨基酸和維生素等。

硝化功能微生物主要包括氨氧化微生物[6]（氨氧化細(xì)菌AOB和氨氧化古菌AOA）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）[7]，AOB和AOA將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，NOB則進(jìn)一步將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為低毒性的硝酸鹽。由于AOB、AOA和NOB屬自養(yǎng)型微生物，世代時(shí)間長，繁殖速度緩慢、對環(huán)境因子變化敏感，使其在與異養(yǎng)菌競爭中處于劣勢，難以在水體環(huán)境中占據(jù)優(yōu)勢地位。如果將生物膜填料直接投加到養(yǎng)殖（標(biāo)苗）池后，在其掛膜過程中水質(zhì)會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性變化。首先，養(yǎng)殖（標(biāo)苗）池中存在一定數(shù)量的異養(yǎng)菌、氨氧化微生物和亞硝酸鹽氧化菌，投加營養(yǎng)后，異養(yǎng)菌逐漸活躍起來，在吸收轉(zhuǎn)化有機(jī)物的同時(shí)，釋放出氨，氨氧化微生物再將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽。由于這兩類微生物的繁殖速率相差極大，氨氧化微生物世代時(shí)間為24～36 h，而異養(yǎng)菌僅約20 min，因而使其初期數(shù)量過于懸殊。隨著異養(yǎng)菌繁殖，氨濃度也不斷增加，當(dāng)氨含量超出氨氧化微生物吸收消耗范圍之外，氨在水體中迅速累積下來，并逐漸升高達(dá)到峰值。其后，隨著氨氧化微生物不斷增殖，氨氧化作用逐漸增強(qiáng)，氨濃度開始逐漸下降，隨之亞硝酸鹽濃度開始逐漸升高，亞硝酸鹽氧化細(xì)菌開始發(fā)揮功效，進(jìn)行硝化作用，將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為相對無害的硝酸鹽。與氨氧化細(xì)菌相比，亞硝酸鹽氧化細(xì)菌代謝時(shí)間更長，因此亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化更為緩慢，導(dǎo)致亞硝酸鹽逐漸積累并出現(xiàn)峰值。因此，依靠直接投加填料自然掛膜過程會(huì)出現(xiàn)氨和亞硝酸鹽持續(xù)升高現(xiàn)象，導(dǎo)致對蝦生病或死亡[8]。通過在養(yǎng)水階段投加菌劑，使生物膜快速生長，可有效解決這個(gè)問題。

從我們的研究結(jié)果看，海水與淡水系統(tǒng)經(jīng)過投加菌劑和碳酸氫銨后，可在短期完成基質(zhì)掛膜過程，系統(tǒng)前期運(yùn)行穩(wěn)定，珊瑚骨生物膜能夠有效去除養(yǎng)殖系統(tǒng)中產(chǎn)生的氨氮和亞硝氮，由于珊瑚骨的吸附性良好，會(huì)大量吸附系統(tǒng)水體中的微生物與懸浮顆粒，包括水體中的殘餌與糞便，調(diào)控水質(zhì)，使水體中的氨氮和亞硝氮濃度始終維持在一個(gè)較低的水平。在系統(tǒng)運(yùn)行后期，珊瑚骨表面吸附了大量懸浮物，導(dǎo)致珊瑚骨內(nèi)部和系統(tǒng)水體不能進(jìn)行有效的互換流通，對內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中的微生物群落組成造成沖擊，影響系統(tǒng)的硝化功能。由于海水系統(tǒng)礦物質(zhì)元素含量高、運(yùn)行時(shí)間長，其吸附能力飽和發(fā)生早，導(dǎo)致系統(tǒng)的亞硝氮濃度快速升高。

對生物絮團(tuán)[9]和循環(huán)水養(yǎng)殖[10]模式運(yùn)行效果的研究表明，在其養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行中期，氨氮濃度均有不同程度的漲幅，亞硝氮濃度也開始迅速增長。而內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，氨氮濃度始終維持在較低濃度水平，說明在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行中，控制亞硝氮的濃度更為關(guān)鍵。

在本課題組的前期研究[11]中，使用珊瑚骨作為生物膜載體的內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，對蝦成活率最高可以達(dá)到80%。而本次試驗(yàn)的對蝦成活率較低，分析原因如下：（1）養(yǎng)殖系統(tǒng)鹽度越低，對蝦對于水體中有毒物質(zhì)的耐受性越低[12]。由于淡水系統(tǒng)中低鹽度的水體環(huán)境，對蝦對于氨氮和亞硝氮的耐受性低于海水系統(tǒng)，導(dǎo)致淡水系統(tǒng)中的對蝦抗風(fēng)險(xiǎn)和抗應(yīng)激能力低于海水系統(tǒng);（2）對蝦死亡主要發(fā)生在養(yǎng)殖后期，分析主要是后期未及時(shí)排污，加上珊瑚骨吸附能力飽和，造成系統(tǒng)亞硝氮升高。

在內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，高效人工基質(zhì)的篩選至關(guān)重要。從課題組前期及本研究結(jié)果看，盡管珊瑚骨作為生物膜載體其掛膜時(shí)間明顯較其他基質(zhì)快，并且硝化強(qiáng)度也高于其他基質(zhì)[13]，但也存在著價(jià)格高、密度大，運(yùn)輸不便等缺點(diǎn)，特別是在系統(tǒng)運(yùn)行末期，出現(xiàn)吸附能力飽和現(xiàn)象，致使養(yǎng)殖池水體懸浮物增多，并一步導(dǎo)致亞硝酸鹽含量升高。由于其在養(yǎng)殖過程中無法實(shí)現(xiàn)吸附能力再生，使其使用受到限制。因此，進(jìn)一步篩選適合內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)的人工基質(zhì)，并且從掛膜時(shí)間、硝化活性、價(jià)格、運(yùn)輸方式、使用周期、吸附能力能否再生等多方面對基質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是今后的工作重點(diǎn)，目前本課題組在應(yīng)用聚氨酯泡沫作為內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)人工基質(zhì)方面已取得一些進(jìn)展。

4 結(jié)論

采用珊瑚骨作為生物膜載體，僅用8 d和13 d完成海水和淡水系統(tǒng)硝化功能的建立。

內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)在運(yùn)行期間水體氨氮濃度始終維持在較低水平，淡水和海水系統(tǒng)氨氮平均濃度分別為分別為（0.015±0.008）mg/L和（0.014±0.008）mg/L。在海水系統(tǒng)運(yùn)行前60 d，亞硝氮濃度維持在較低水平，在60～90 d，亞硝氮濃度呈緩慢上升趨勢，在90 d后，海水系統(tǒng)亞硝氮濃度開始快速增加，最終達(dá)到3.43 mg/L;淡水系統(tǒng)在運(yùn)行前40 d亞硝氮濃度維持在較低水平，40 d后開始小幅度的上升，運(yùn)行至70 d后，亞硝氮濃度開始快速增加，最終達(dá)到0.52 mg/L。

養(yǎng)殖后期由于投餌量和對蝦排泄物增加，加上珊瑚骨吸附能力飽和等原因，致使水體中懸浮物和亞硝氮濃度增加。凡納濱對蝦出現(xiàn)死亡，最后海水和淡水系統(tǒng)對蝦存活率分別為51.5%和48.5%。

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（收稿日期：2019-10-30;修回日期：2019-11-20）

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（公益性科技攻關(guān)類）（2018GSF117022）。