人工基質在對蝦養殖中的應用

張家松, 陳亮亮, 2, 馮震華, 段亞飛, 董宏標, 李 華, 劉青松

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人工基質在對蝦養殖中的應用

張家松1, 陳亮亮1, 2, 馮震華1, 段亞飛1, 董宏標1, 李 華1, 劉青松1

(1. 中國水產科學研究院南海水產研究所, 農業部南海漁業資源開發利用重點實驗室, 廣東廣州 510300; 2. 上海海洋大學水產與生命學院, 上海 201306)

目前中國對蝦養殖業快速發展, 同時也伴隨近海養殖水體日益惡化、抗生素和化學藥物被濫用和水產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殖的可持續發展, 因此選擇一種更加健康、綠色和安全的養殖模式顯得尤為重要。作者通過介紹人工基質這種新型水處理技術表面生物膜的結構和形成過程, 探討了其功能性(水質調節、飼料補充和病害防治)機理, 對其在對蝦養殖業中的實際應用做了展望。

對蝦; 人工基質; 生物膜; 機理

在過去數十年中, 中國的對蝦養殖業在規模和產量上都有了一個較大的發展, 養殖模式也從過去的低投入、低產出的粗放式養殖模式朝向高投入、高產出和精細管理集約化養殖模式轉變。但是, 當前集約化養殖也存在著一些問題, 例如因其較高的養殖密度、單一的人工飼料投喂、相對簡單的生態系統以及過低的環境承載力極易造成水體中有毒污染物的快速積累, 導致水質惡化、病害頻發[1-2]; 而抗生素的大量使用, 極易造成惡性循環, 不僅導致了耐藥性病原菌的出現, 而且影響產品食用安全和環境安全[3-5]。因此選擇更加健康、綠色和安全的養殖技術就顯得尤為重要。

人工基質, 也稱人工水草, 屬于生物-生態修復技術領域, 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系統, 提高污水處理的效果, 實現治理系統的高效性和穩定性[6]。人工基質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物質; 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, 達到凈化水質的目的, 從而廣泛用于污水處理中[7-9]。將人工基質用于對蝦養殖中起步于20世紀80年代, 并取得了良好的效果[10-13]。

1 人工基質表面生物膜的結構和形成過程

人工基質表面生物膜的形成是動態發展的過程。生物膜的最初形成是一個物理-化學的自發反應過程,這個過程在基質放入水體中的最初幾秒到幾分鐘之內完成, 主要指水體中的懸浮物自發向基質表面靠近附著的過程。最初, 細菌群落開始在基質上附著、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變化的生物膜[15]。

如圖1所示, 人工基質表面生物膜大致可以分為4層[16]。自內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殖水體之后, 伴隨著水體的流動到達基質表面的附著水層, 再經由附著水層向好氧水層內部擴散, 最終被好氧層中生物的各種有氧代謝消耗殆盡。人工基質表面好氧水層、附著水層和流動水層之間的物質交換和能量流動最為頻繁, 養殖水體中的氨氮等有害代謝產物經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, 為養殖生物的健康生長提供了良好的外部環境。

2 人工基質的材料選擇及種類

在水產養殖中, 人工基質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, 確保其不對養殖生物產生危害; (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, 如聚丙烯、聚乙烯、PVC管材等; 天然可降解高分子基質, 如稻草、殼聚糖、海藻酸鈉和纖維素等[17]。

3 人工基質在對蝦養殖中的應用

3.1 吸收轉化污物, 維護良好水質

人工基質加入養殖水體之后, 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, 其基質表面迅速吸附水體中的懸浮顆粒物質并逐漸形成一層生物膜狀結構, 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, 厭氧代謝產生一些有害代謝產物[15]。此外, 膜上的附著藻類以及細菌, 可從水體中吸收氨氮、硝酸鹽等營養鹽。薛松松[18]掛設納米材料的人工基質對養殖水體的氨氮、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]使用阿科蔓生態基(AquaMatsTM)作為人工基質, 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口養殖對蝦的池塘中設置專用人工基質(生物膜凈水柵, 專利號ZL201120032516.6), 在養殖135 d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%。同時檢測發現, 細菌總數、水體硅藻相對密度、藻類生物多樣性指數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%, 人工基質的使用改善和穩定了對蝦養殖水質。

另一方面, 硝化細菌、反硝化細菌在促進氮的循環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, 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化、去除, 大大降低了有害含氮代謝產物對養殖生物的毒害作用, 達到凈化水質的目的。吳偉[21]等采用彈性生物填料為人工基質, 水面下50 cm 處每克填料上的各類微生物的數量在30 d左右達到峰值, 細菌總數、真菌總數、氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌的數量分別為初始時的1366、257、233、250 和225 倍, 其吸收轉化氮的能力得到了極大的提高。

3.2 提供附著面積, 增加養殖空間

人工基質提供了附著面積, 改變了對蝦在養殖系統內的分布。張波[6]發現沒有添加人工基質的對照組, 對蝦在桶底(59%~64%)、水體(14%~21%)以及桶壁(19%~23%)的比例保持相對穩定。然而, 在添加有人工基質的實驗組, 人工基質上分布對蝦的比例隨著人工基質數量和養殖時間的增加而增加; 而在桶底分布狀況卻剛好相反, 隨著人工基質數量和養殖時間的增加, 桶底分布的對蝦比例卻逐漸減少。在G5組里, 實驗結束時, 桶底的對蝦分布比例最小(6%), 而人工基質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的好壞密切相關。對蝦在人工基質上的長時間停留, 將大大減少其與池塘底質環境的接觸時間, 也減少其受到底質中病原菌的感染幾率, 這些都將有益于其健康生長。這些研究結果也為今后探索進行高密度、集約化的養殖管理提供了必要的理論基礎和參考依據。

由于人工基質增加對蝦的棲息場所, 相應降低了對蝦的養殖密度, 減少了互相殘食的幾率和發生應激的概率, 提高了對蝦成活率。Sandifer等[10]使用玻璃纖維片為人工基質, 實驗組的對蝦成活率(82%)極顯著高于對照組(58%)。Audelo-Naranjo等[19]在以阿科蔓生態基(AquaMatsTM)為人工基質, 發現實驗組的對蝦成活率(81.4%)也是顯著高于對照組(75.0%),單位產量也有極顯著差異(1.302 kg/m2和1.144 kg/m2)。Moss等[22]、Otoshi等[23]及Samocha等[24]使用其他材質人工基質也都有相似的研究發現。

3.3 補充額外餌料, 降低飼料系數

研究發現, 人工基質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。這些豐富的生物群體本身就是一種優質的高蛋白質生物餌料, 可以作為對蝦額外蛋白來源[25-27]。Audelo-Naranjo等[19]發現使用阿科蔓生態基的實驗組FCR僅為1.6, 極顯著低于對照組1.9。對人工基質上的生物膜營養成分分析, 其中蛋白質占23%~30%, 脂質占2%~9%, 灰分占16%~42%和無氮浸出物占25%~28%, 由此可見其營養之豐富[25]。在零換水系統中, Epp等[28]發現養殖凡納濱對蝦()體內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, 對蝦體內超過49%碳和70%氮可以來源于基質表面的生物膜。這些發現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。生物膜結構作為對蝦食物來源不僅受外界環境影響小, 而且還是24 h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, 促使生物膜中營養物質成分盡可能多的為對蝦生長提供所必要的物質和能量, 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, 人工基質的出現, 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]。厭氧水域層的減少, 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勢, 則可以有效抑制水體中有害弧菌數量, 降低對蝦感染弧菌病的幾率[29]。Zhang[12]檢測發現, 設置人工基質的對蝦養殖水體弧菌數量(4.75×103CFU/mL)顯著少于對照組(1.70×104CFU /mL)。江興龍等[20]也發現實驗組的水體弧菌極顯著低于對照組66%。

另有研究發現, 生物膜上微生物群落除了對養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生特定的抗生素類化合物質, 可以有效地抑制致病菌的生長繁殖速度[30-32]。江興龍等[20]發現人工基質表面生物膜上弧菌的檢出率為零。Austin等[33]發現斑節對蝦()攝食人工基質的生物膜后, 能拮抗溶藻弧菌()、鰻弧菌()、副溶血性弧菌()和創傷弧菌()的感染。當然, 對于這些細菌和藻類產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 小結與展望

人工基質應用于對蝦養殖水體中, 除了可以有效調控水質、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, 顯示出人工基質在對蝦水產養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) 人工基質選材。正如前文所述, 人工基質的材料很多, 其中既有價格昂貴的商業人工基質產品如阿科蔓生態基, 也不乏價格低廉的農業副產品, 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, 沒有統一使用規范。

(2) 人工基質使用量。受對蝦規格、養殖密度、日常管理等影響外, 還受不同地域的環境、氣候、養殖水體理化性質等諸多因素的影響, 因此要想得到一個統一的、合乎實際的人工基質量, 仍需要更多的研究作為支撐。

(3) 基質表面生物膜的成熟和強化。人工基質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30 d左右才能夠完成。但是, 對于膜中各個微生物群落的結構組成、具體功能、群落演替規律來說, 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, 今后對人工基質在對蝦養殖中的應用研究中, 可以借助其他技術手段, 例如與現代分子生物學技術結合, 培育高效的污染物降解菌; 與納米材料技術相結合, 構建高親和力的生物膜載體材料; 還可以結合當代固定化微生物技術, 對選育出來的菌株進行固定、包埋, 使之能夠更加持久、高效的發揮作用等。

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(本文編輯: 譚雪靜)

Review of application of artificial substrates in shrimp culture

ZHANG Jia-song1, CHEN Liang-liang1, 2, FENG Zhen-hua1, DUAN Ya-fei1, DONG Hong-biao1, LI Hua1, LIU Qing-song1

(1. Key Laboratory of South China Sea Fishery Resources Exploitation & Utilization, Ministry of Agriculture; South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510300, China; 2. College of Fisheries and Life, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

This article briefly reviews the current penaeid shrimp farming model, which caused a series of problems, such as environmental pollution, drug abuse, and food insecurity. This article also introduces the periphyton-based biofilm technology, which is a newly developing shrimp wastewater treatment technology, along with a detailed discussion on biofilm structure and its formation process. The functional mechanisms (water quality control, feed supplement, biosecurity, and disease defense) of artificial substrates are also discussed. Finally, several related discussions are provided according to the problems such as artificial selection, addition proportion, artificial regulation of biofilm communities, and the surface-immobilized microorganism technology in practical application.

Shrimp; artificial substrate; biofilm; mechanism

Jan. 22, 2015

S969.35

A

1000-3096(2016)09-0135-05

10.11759/hykx20150122002

2015-01-22;

2015-04-06

國家“十二五”科技支撐計劃(2011BAD13B10); 中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(2012YD02, 2012TS26); 廣東省海洋漁業科技推廣專項(A201208H01, A201201B04, A201301D02)

張家松(1971-), 男, 江蘇徐州人, 副研究員, 博士, 主要從事設施漁業養殖技術研究, 電話: 020-84451349, E-mail: jiasongzhang@ hotmail.com

[Foundation: National Science and Technology Supporting Plan of the Twelfth Five-Year, No. 2011BAD13B10; Common Research Foundation for Central Institutions of China, No. 2012YD02, 2012TS26; Guangdong Provincial Special Fund for Marine Fisheries Technology, No. A201208H01, A201201B04, A201301D02]