超微氣泡技術在對蝦室內養殖中的初步應用

王揚才， 劉又毓， 孫 元， 金中文， 趙卓維

(1寧波市海洋與漁業研究院，浙江 寧波 315103；2寧波筑鴻納米科技有限公司，浙江 寧波 315100)

通常將直徑50 μm以下的氣泡稱為微納米氣泡，而把直徑1～1 000 nm之間的氣泡稱為納米氣泡[1]。超微氣泡特指氣泡直徑1～500 nm的納米氣泡。研究發現，當氣泡小到納米級時會產生一些不同于常規氣泡的獨有特性，如氣泡表面帶有負電荷、水中滯留時間長、氧傳質效率高、產生大量羥基自由基等[2-6]。微納米氣泡的特性引起了很多學者的關注，并已研究應用到醫學、工礦業、農業、環保等領域[7-11]。微納米氣泡技術早在20世紀90年代就應用于水產領域，由日本科學家首先研制出微納米氣泡發生設備并應用于牡蠣和扇貝養殖[12]，取得了良好的效果，之后，循環水養殖系統水處理單元的懸浮顆粒物去除[13]、微藻細胞的采收[14]等也涉及到該技術，但這些應用中的微納米氣泡基本處于微米級，納米級氣泡數量相對非常少[15]。

隨著氣泡發生裝備技術的不斷進步，國內現在已能生產具有獨立知識產權的微納米級氣泡發生裝置。本試驗使用的氣泡發生裝置產生的氣泡，其直徑90%以上在1～500 nm，該裝置具有操作簡便、功耗小、無二次污染等特點。但這種微納米級氣泡在水產養殖上的應用還處于起步階段。超微氣泡技術研究應用會給以快速增氧、高效水體修復為主的工業化水產養殖帶來新的發展思路。

凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)養殖由于放養密度高、投飼量大，在養殖的中后期，水體缺氧現象時有發生，易引發水質惡變及倒藻現象，生產上需更高效的增氧設備來保證其的健康養殖。

為了檢驗超微氣泡技術在養殖中應用的可行性及生態安全性，在小型凡納濱對蝦養殖生態系統中，對比研究了在超微氣泡技術與傳統鼓風曝氣兩種增氧方式下，養殖水體理化指標的響應及浮游植物群落結構的變化，結合對蝦生長情況，探索超微氣泡技術的增氧效率及生態作用，為該技術的推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和地點

超微氣泡發生裝置由寧波筑鴻納米科技有限公司生產，功率420 W， 最大充氣量6 L/min，氣泡數量4.0×107個/mL，50～300 nm的氣泡約占總氣泡數量的80%。試驗選用直徑2.5 m、容積8 m3的圓柱形養殖桶。每桶放置1臺超微氣泡發生裝置。常規的氣泡發生裝置為鼓風機，通過塑料管接砂頭置于桶底送氣至各試驗桶，每個桶布設3個充氣砂頭。試驗地點在寧波市海洋與漁業研究院科技創新基地室內。

1.2 試驗方法

增氧效果試驗 2017年6月22日，在注滿砂濾海水的試驗桶中，通過檢測水體中溶氧(DO)的變化來比較超微氣泡和常規的鼓風氣泡的增氧效果。試驗開始充氣后每隔15 s測1次溶氧，連續充氣，直至溶氧穩定，然后每隔5 min 測1次溶氧，至溶氧穩定在試驗初始水平時結束。

養殖應用試驗 試驗時間為2017年7月5日—7月26日，試驗分為處理組(微泡組)和對照組(常規組)，每組3個重復。試驗桶共6只，分2排并行排列(標為1#～3#和4#～6#)。其中，1#～3#為常規的鼓風充氣組(簡稱常規組)，全天24 h不間斷充氣；4#～6#為超微氣泡組(簡稱微泡組)，試驗第一周(7月5日—7月12日)采取全天24 h開0.5 h停0.5 h的充氣方法，7月12日以后全天不間斷充氣。試驗開始前2周用漂白粉對試驗桶進行常規消毒處理，漂白粉質量濃度30×104mg/L。7月4日試驗桶進水，試驗用水為同一蓄水池砂濾海水，每桶加水量約7.5 m3，每只桶中央有排水口，通過獨立排水閥排水。

1.3 對蝦投放和養殖管理

凡納濱對蝦苗來源于當地育苗場。先在基地的水泥池養殖12 d，當蝦苗規格達1.7 cm時，再將蝦苗移到養殖桶。為檢驗超微氣泡的水質凈化能力，加大了蝦苗投放量，以增加養殖環境壓力，放苗量為每桶7 000尾，放養時間為2017年7月5日。試驗開始時，每桶每次投喂蛋白含量38%的對蝦0#飼料和蛋白含量43%的蝦片料混合料共6 g，根據攝食情況逐漸增加投餌量，每天投喂4次，投喂時間為7:30、11:30、16:00和20:00。試驗前10 d不換水，后10 d則每2 d換1次，換水量10%～20%。7月15日2#和4#桶出現病蝦后換水50%，投喂量減半，其余4個試驗桶內未發生蝦病，按正常的養殖管理換水20%。2#和4#桶由于養殖管理的改變，7月19日和7月26日檢測的水質及浮游植物參數不納入試驗結果數據分析。

1.4 采樣和分析方法

每周采樣1次，采樣時間為早晨第1次投喂前，水體理化指標初次采樣時間為7月5日對蝦放養前，浮游植物初次采樣為7月4日試驗桶進水時，采樣水層為水層表面下30 cm。水溫、溶氧采用YSI-proplus現場測定，氨氮、亞硝酸鹽氮等營養鹽測定采用“HACH DR/2800”水質檢測儀檢測。浮游植物采樣1 L，魯哥氏液固定沉淀48 h以上，沉淀濃縮至50 mL。分析時，將浮游植物定量樣品搖勻，取0.1 mL樣品置于計數框中，在顯微鏡下計數。對蝦個體生長測量共采樣2次，抄網收集對蝦100尾左右，福爾馬林固定后，測量體長、體質量。

2 結果與分析

2.1 增氧效果對比

由于兩種充氣設備的功率相對試驗水體都處于較高水平，都能使溶氧在1 min內接近飽和，超微氣泡充氣方式下的溶氧質量濃度為8.38 mg/L，比常規充氣的8.15 mg/L高2.82%。停止充氣后，常規充氣的溶氧快速下降，15 min后基本下降到初始溶氧水平，而超微氣泡充氣的溶氧下降速度較慢，65 min后溶氧下降到初始質量濃度水平(圖1)。

圖1 常規充氣和微泡充氣方式下溶氧的變化

2.2 養殖水體理化因子對比

試驗期間養殖水溫29.4 ℃～34.5 ℃，由于試驗水體較小，超微氣泡發生裝置在使用過程中產生的熱量直接擴散到水體中，致使微泡組水溫始終高于常規組，平均高出1.7 ℃，并且差異顯著(P<0.01)。

常規組養殖水體的溶氧質量濃度4.93～7.43 mg/L，平均6.01 mg/L，而微泡組的溶氧質量濃度5.66～8.09 mg/L，平均6.47 mg/L，微泡組比常規組的高7.66%。試驗第1周，微泡組采取增氧30 min停30 min的方式，溶氧呈規律的上下波動，質量濃度最低5.02 mg/L，平均6.01 mg/L，大部分時間高于常規組，平均值比常規組的5.82 mg/L高出3.3%。隨著對蝦的生長及耗氧代謝產物的積累，溶氧呈下降趨勢，但微泡組的溶氧水平都高于常規組，除7月19日兩種充氣方式的溶氧差異不顯著，其他日期所測溶氧差異明顯(P<0.05)。試驗期間，pH波動范圍在7.42～8.13，常規組的pH均值為7.85，微泡組的為7.63，明顯低于常規組(P<0.01)(圖2)。

圖2 常規充氣和微泡充氣方式下水溫、pH、溶氧的變化

試驗過程中，氨氮和亞硝酸鹽氮質量濃度隨養殖進程而提高，常規組氨氮平均質量濃度2.39 mg/L，微泡組的為2.45 mg/L，方差分析差異不顯著。常規組亞硝酸鹽氮平均質量濃度0.25 mg/L，高于微泡組的0.23 mg/L，差異不顯著。硝酸鹽氮和總有機碳(TOC)的變化無規律，常規組和微泡組均值分別為0.50、0.54和11.92、11.95，無顯著差異(P>0.05)(圖3)。

圖3 常規充氣和微泡充氣方式下氮鹽與總有機碳變化

2.3 養殖水體浮游植物組成及豐度的對比

試驗共鑒定浮游植物4門15屬24種，分屬于綠藻門、甲藻門、藍藻門和裸藻門(圖4)。

圖4 常規充氣和微泡充氣方式下水體浮游植物種類數量變化

其中綠藻門7屬13種，種類最多，占比54.2%；其次為甲藻門4屬6種，占比25.0%。綠藻和甲藻中，優勢種和常見種有小球藻(Chlorellaspp.)、球衣藻(Chlamydomonasglobosa)、擬衣藻(Chloromonasspp.)和奇異裸甲藻(Daugbjergparadoxa)，藍藻門僅顫藻(Oscillatoriaspp.)1種，在7月26日試驗結束時，因大量爆發而成為數量優勢種。常規組和微泡組中，浮游植物的種類組成相似，但常規組的種類數多于微泡組。

圖4可知，試驗起始時水樣中浮游植物豐度較低，平均2.62×106個/ L，常規組與微泡組的相近，綠藻門的豐度占比分別為98.4%和99.3%，浮游植物優勢種兩組都是球衣藻和擬衣藻。7月12日，常規組中，浮游植物平均豐度增加到6.11×106個/ L，其中綠藻門占74.7%，豐度最高的種仍為球衣藻，為2.66×106個/ L，而微泡組浮游植物平均豐度只有3.65×106個/ L，僅為常規組的59.7%，小球藻成為豐度最高的優勢種，為2.56×106個/ L，而球衣藻的豐度僅為1.04×105個/ L。7月19日，水體浮游植物數量明顯減少，常規組和微泡組的藻類總數分別為3.60×106個/ L和1.54×106個/ L，比7月12日分別下降了41.1%和57.8%，優勢藻種分別為擬衣藻(1.78×105個/ L)和小球藻(6.02×104個/ L)。7月26日，由于顫藻的大量繁殖，微泡組的藻類總數超過常規組，達3.39×107個/ L，其中，顫藻為2.16×107個/ L，小球藻1.06×107個/ L，而常規組中藻類總數為1.81×107個/ L，只有微泡組的53.3%，顫藻僅為8.24×105個/ L，數量優勢種仍然是綠藻門的擬衣藻(5.44×106個/ L)和球衣藻(5.16×106個/ L)。

2.4 對蝦生長對比

7月19日，微泡組中對蝦平均全長2.27 cm，平均體質量0.12 g，均高于常規組的2.17 cm和0.11 g，兩組之間無明顯差異(P>0.05)。7月26日試驗結束時，對蝦個體生長最大的是微泡組中的4#桶，全長和體質量分別為4.54 cm和0.86 g。由于此桶曾發生過蝦病，存活率只有17.58%，常規組中發生蝦病的2#桶，存活率11.01%，對蝦個體全長和體質量分別為3.19 cm和0.30 g；存活率最高的是常規組中的3#桶，為96.15%，但對蝦全長和體質量卻最低，分別為3.05 cm和0.22 g。微泡組的平均全長3.64 cm，平均體質量0.50 g，而常規組的平均全長3.17 cm，平均體質量0.28 g，均低于微泡組。總存活率，常規組61.29%，略高于微泡組的59.30%。兩種充氣方式下對蝦生長差異不明顯(P>0.05)。

表1對蝦全長和體質量統計表

日期指標常規組1#2#3#微泡組4#5#6#20160719全長/cm2.55±0.451.93±0.262.03±0.382.20±0.472.25±0.372.34±0.87體質量/g0.15±0.070.08±0.020.09±0.030.11±0.060.11±0.030.14±0.1120160726全長/cm3.27±0.493.19±0.683.05±0.784.54±0.723.26±0.593.11±0.52體質量/g0.32±0.120.30±0.160.26±0.160.64±0.180.31±0.150.30±0.13存活率/%74.9211.0196.1517.5871.6888.64

3 討論

3.1 超微氣泡的增氧效率

超微氣泡比表面積大，并具有剛性大、浮力小、穩定性好等特點[16]，其表面帶有負電荷，這使得氣泡間很難發生合并[17]，不會像常規氣泡一樣會融合增大而破裂，在水體中能產生乳白色云霧狀的濃密氣泡。本次試驗所用的超微氣泡發生裝置所產生的500 nm以下的氣泡占總氣泡數的90%以上，同時，由于該裝置放置于水體底部，出口以水平方向射出大量氣泡，并隨水流運動，可在水中停留較長的時間，加上超微氣泡自身的特點，因此可以使水體溶氧保持長時間較高的質量濃度，這與靳明偉等[18]河道水體修復的結論一致，并在養殖試驗中得到進一步佐證，即在對蝦呼吸耗氧增加的情況下，超微氣泡在停止充氣后仍有近20 min的時間，其溶氧高于常規充氣水平。

自然條件下養殖水體溶氧主要來源于浮游植物的光合作用，由于試驗在室內進行，浮游植物的光合作用對水體增氧會比室外自然水體中的弱，人工充氣增氧就顯得更加重要。試驗條件下，兩種充氣方式都能保證水體維持較高的溶氧水平，對蝦的呼吸及養殖水體中其它各類生物的耗氧隨養殖進程的增加，水體溶氧呈下降趨勢，微泡組的溶氧水平在整個試驗過程中都高于常規組，平均溶氧質量濃度比常規組的高7.66%。

3.2 超微氣泡對水質的影響

對蝦養殖過程中，殘餌和排泄物都是以顆粒物的形式沉降到池底，顆粒物的積累能導致養殖水體水質的下降[19]。常規組的氣流從充氣頭出來后呈上升狀態，因此，在養殖桶底部分會有死角，產生顆粒有機物堆積，試驗后期換水時觀察到沉積物隨水排出，這減輕了常規組中沉積顆粒物降解而引起水質下降的風險。對于微泡組，由于微泡發生裝置在水體底部，其噴射的氣流在水平方向運行，因此，沉積顆粒物受氣流沖擊，沒有產生沉降，而是隨水流懸浮于養殖水體中，同時，由于超微氣泡表面的電荷對懸浮物有良好的黏附效率[16]，在微泡組水體表面會形成大量顆粒物聚集。這些顆粒物從水體底部沉積狀態進入水層懸浮狀態，增加了與水體中氧的接觸，從而加快顆粒物的生物降解。顆粒物的降解并沒有導致微泡組的主要水質指標與常規組的明顯差異，可能的原因正如Hirofumi[20]的研究結果，微納米氣泡能增強水中好氧微生物和浮游生物的生物活性，加速其對水體總溶解固體(TDS)的生物降解過程，實現水質凈化。

3.3 超微氣泡對浮游植物的影響

試驗水體中浮游植物群落的種類數和前期豐度相對較少，這主要與養殖用水經過砂濾及在室內養殖光照較弱有關[21]。光是浮游植物生長非常重要的限制因子之一，是影響微藻生長的關鍵環境要素。微泡組由于充氣過程中將沉積顆粒物帶入水中和水面，引起光的折射及散射等效應，使水體中的透光率降低、浮游植物光合作用受到抑制。徐兆禮等[22]發現懸浮液在一定質量濃度下能促進小球藻的生長，而且這種促進作用隨著懸浮液質量濃度的增加而增大，表明水體中的懸浮物對不同的藻類生長影響不同。在微泡組中，可能由于水體中懸浮顆粒物的增加，抑制了球衣藻和擬衣藻等常規組中優勢種的數量，而小球藻由于受懸浮顆粒物的影響較小而成為微泡組的優勢種。

顫藻是對蝦養殖池塘中常見的藍藻，在富營養化水體中繁殖迅速，生命力強[23]。試驗后期，微泡組和常規組都出現了顫藻，顯示出后期試驗水體的營養化程度。顫藻的大量繁殖對對蝦的生長不利，研究發現，通過在養殖水體中添加小球藻和芽孢桿菌可控制顫藻等藍藻的大量繁殖[24]，促進對蝦健康生長。微泡組后期顫藻的豐度已占藻類總豐度的63.7%，但對蝦的生長和活力都非常好，這可能是顫藻在水中出現的時間較短，也有可能小球藻的優勢存在起到了重要作用。

3.4 超微氣泡對對蝦生長的影響

試驗表明，微泡組中的水溫平均比常規組的高1.7 ℃，試驗期間的水溫為29.4 ℃～34.5 ℃，由于都在對蝦最適生長水溫22 ℃～35 ℃范圍內[25]，因此不會對對蝦生長產生不利影響。對蝦的生長、存活率與養殖密度呈負相關[26]，為了增加養殖水體的環境壓力，試驗采取高密度的養殖方式，放養密度達933尾/m3，平均存活率60%，兩種充氣方式下對蝦的存活率和生長率并沒有明顯差異，表明對蝦在超微氣泡條件下同常規充氣一樣可以正常生長。通過對發病的常規組2#桶和微泡組4#桶對蝦生長比較可以發現，后者在發生蝦病后，密度153尾/m3時生長更快，在1周時間內蝦全長增加106%，比其它兩個微泡養殖桶對蝦全長高出43%，而前者在蝦病發生后對蝦密度為96尾/m3時，生長速度只保持與其它試驗桶對蝦生長的平均水平，平均全長3.19 cm，超微氣泡在其中是否起到積極作用，還有待進一步研究。

4 結論

超微氣泡發生裝置是一項新技術、新裝備，產生的納米級氣泡能有效提高水體的溶氧，并保持較長時間較高的質量濃度，表現出納米氣泡良好的穩定性和持久性特點。微泡組的水體溶氧在整個試驗過程都高于常規組，溶氧質量濃度平均比常規組高出7.66%，差異顯著(P<0.05)。微泡組的主要水質指標與常規組無明顯差異，但超微氣泡能加快養殖水體顆粒物的降解，并對浮游植物優勢種結構產生影響，可抑制球衣藻和擬衣藻等常規組中優勢種的生長，促進小球藻生長。兩種充氣方式下對蝦的存活率和生長率并沒有明顯差異。超微氣泡技術在對蝦養殖中的應用是安全可行的。

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