印尼专家告诉你小微藻如何实现工厂化养虾零排水

中国水产门户网报道

 

　　在养虾业举步维艰的2015年，传统土塘及高位池养殖池塘已经难以承受高密度白虾养殖带来的生态压力，“连作障碍”这个曾经在种植业谈及色变的名词，在水产养殖行业也越发地凸显出来。然而同为亚洲养虾大国的泰国、印度、印尼，2015年的虾产业行情却一如既往的优异。

 

　　其实这三个国家较之中国来看，在之前也曾遭受过南美白对虾的养殖危机，但无论是放弃高密度养虾，转而采用低密养殖、轮养、混养也好，还是引入设施渔业或是科技养殖，从而发展工厂化养虾也罢，整个行业看到的，是三个国家虾产业的蓬勃发展。毫无疑问，中国的养虾业需要改变。

 

　　近期，来自印度尼西亚万隆科技研究所的Suantika G及团队(Lumbantoruan G, Muhammad H, Azizah FFN和Aditiawati P)发表了一篇关于工厂化零排水养虾的学术文章《关于利用硝化细菌及角毛藻来实现工厂化养殖南美白对虾零排水(Zero Water Discharge，ZWD)系统的构建》，以下是部分内容。

 

　　摘要

 

　　这项研究主要针对如何利用硝化细菌及角毛藻来实现工厂化养殖南美白对虾零排水(Zero Water Discharge，ZWD)系统的构建。研究主要有三个步骤：

 

　　第一步，活化和培养硝化细菌和角毛藻;

 

　　第二步，调节ZWD系统;

 

　　第三步，在对虾养殖过程中使用ZWD系统，并且用一个常规系统作为比较(每四周更换一次水，但不增加硝化细菌和角毛藻)在九十天的养殖时间中，基于相同的氨氮水平，ZWD系统相比较于常规系统多投料1178.28g。

 

　　在最后阶段，ZWD系统整体养殖表现更好平均体重8.24 ± 0.84 g，成活率90.82 ± 2.5%，饲料转化率1.27 ± 0.29，相比之下常规系统中，平均体重5.45 ± 0.28 g，成活率27.22 ± 2.09%，饲料转化率 4.10 ± 0.66。

 

　　简介

 

　　甲壳类在印度尼西亚渔业国民生产总值占比巨大，而南美白对虾更是占到甲壳类总产量六成以上，是高质量蛋白质及周边产品的重要来源。2014年的一月到六月，印度尼西亚年出口虾达到156000吨，虾是甲壳类商品第一出口品种，占总出口量的百分之八十。

 

　　虽然虾产业给印尼和很多亚洲国家带来了丰富的国民收入，不过在越南、厄瓜多尔、中国、马来西亚、菲律宾，养虾行情却越来越差，而且大多还是采用传统的养殖方法。然而，由于室外土塘很少关注水质控制，因此导致疾病的大量爆发。其中一项重要原因就是氨氮的累积。为了解决氨氮问题，养殖户们通常会采用频繁换水的方法，但是考虑到生物安全和环境影响，换水的方法通常是不切实际的。再有，换水这种方法有可能导致水质不稳定。

 

　　最近，使用硝化细菌和角毛藻来操作的零排水系统(ZWD)被应用在罗氏沼虾的养殖过程中。应用ZWD的结果是显示增加了10-20%的成活率。因此根据这个喜人的结果，ZWD的发展作为工厂化南美白对虾养殖的替换系统可以被进一步评估是否同样可行。

 

　　ZWD提供了成套系统的提升和环保水技术，尤其是最优化营养素循环(无机和微粒氮)。通过添加硝化细菌和角毛藻能使铵根离子、亚硝酸盐和硝酸盐保持在一个可接受的水平。这些微生物们能有效地增强水质。硝化细菌能将铵根离子根离子转化为亚硝酸盐(亚硝化单胞菌)，而且把亚硝酸盐转化成硝酸盐，同时微型藻类生物群同样对于减少硝酸盐和作为虾的食物补给起着很重要的作用。

 

　　材料和方法

 

　　硝化细菌和角毛藻的活化和培养

 

　　作为培养的硝化细菌是从万隆科技协会(以下简称SITH ITB)的微生物实验室中获取的。硝化细菌使用维诺格拉斯基式(Winogradsky)液态培养基活化之后扩增至100L，如图1所显示。

 

图1：用于提升硝化细菌的生物反应器

 

　　作为培养的角毛藻是从SITH ITB的水生生态系统分析实验室中获取的，使用盖亚尔式(Guillard )培养基活化之后扩增至40L，如图2显示。

 

图2：角毛藻的批次系统

 

　　白虾幼体的环境适应

 

　　在这项研究中使用的PL-10白虾取自西爪哇的 PT.Suri Tani Pemuka Indramayu公司，在印度尼西亚SITH ITB生命科学与技术学院的水生生态系统分析实验室用室温(25 ± 1°C)培养至PL-15。

 

　　ZWD系统的调节

 

　　这项研究是在圆柱式纤维池中进行的，灌满30L、30ppt盐度无菌和过滤的海水。如图三显示，ZWD系统带有四个隔层：

 

　　1.微生物部分：硝化细菌和角毛藻，对于养殖中的氮循环起着作用。

　　2.充气线来提供和保持可溶解的氧气水平，使培养均化。

　　3.利用遮挡板(paranet cover)来减少光照，以及促使硝化细菌和角毛藻良好生长;

　　4.使用过滤后和消毒后的水来养虾;

　　5.使用饲料盘来控制每日饲料投喂;

　　6.使用碳酸钙砂砾作为移居硝化细菌的基底，并且有作为pH值缓冲剂的作用。

 

图3： ZWD系统养殖南美白对虾的原理概述

 

　　在养殖环节开始之前，ZWD系统需要被接种10L的硝化细菌(10 6 CFU/ml)和12L的角毛藻(106 cells/ml)，总容量为300L。硝化细菌的铵根离子分解能力利用添加3gNH4Cl((≈ 10 mg/L 的铵根离子)。直到 NH4+和 NO2-水平减少至接近 0 mg/L调节停止。

 

　　执行处理

 

　　在这项研究上有两套可实施的一式三份处理方法：常规养殖(无额外添加硝化细菌和角毛藻，80%的水量每四周更换一次)作为控制对比，和ZWD系统(带有额外的硝化细菌和角毛藻)养殖。为了抵消由于虹吸以及蒸发所造成的水流失，每两周添加六升(养殖量的2%)的海水。调节之后，PL-15虾被放养在常规养殖系统和ZWD系统中，放养密度(≈400 ind/m3)。每两周，5L的硝化细菌和12L的角毛藻被分别地加入ZWD系统中，密度为±106CFU/ml 和 ±106cells/ml。整套实验实施起来需要九十天的养殖时间。

 

　　饲料管理

 

　　饲料量需要每周根据平均体重测试、存活率来估算，及摄食率来调整。

 

　　.投料公式如下：

　　Σ feed (gr) =SD × MBW × FR × SR

 

　　其中：SD是放养密度(个体/池)，MBV代表平均体重(gr)，SR是成活率(%)，FR是摄食率(%)。

 

　　饲料被放置在投料盘上，并且时常监控每日提供饲料数据的准确性(如表格1所示)，和检查虾的大小、状况。消耗率则利用投料盘上剩余的饲料来计算。投料计划由Tacon来修改。饲料每日投五次，分别在，早上八点、十一点，下午两点、五点和晚上八点。

 

　　物理和化学水质参数

 

　　物理参数：溶氧量和温度每天通过一个数字仪表Hach ® 40 qd来计算，和优特仪器(Eutech Instruments)测量pH值。

 

　　化学参数：铵根离子、亚硝酸盐、硝酸盐、正磷酸盐使用奈斯勒(Nessler)，重氮化(Diazotation)和硝酸盐酸(Nitrate HCL)氯化亚锡(Stannous Chloride )一周内分别测量两次。

 

　　生物和微生物参数

 

　　生物参数：在养殖期间需要测量的参数有总重量，平均体重，比生长速率，成活率，饲料转化率。成活率则用下面所给的公式计算:

　　SR=N t /N o ×100%

 

　　其中：SR代表成活率，N o 代表初始时期虾数，N t 代表最终虾数，t代表养殖时长(天)。

 

　　比生长速率用如下所给的公式计算：

　　SGR (%/day)=[ln (W 2 /W 1 )/(T 2 -T 1 )×100]

 

　　其中：SGR是比生长速率，W 1 为初始时期体重(g)在时间T 1 (天)，W 2代表最后的体重(g)在时间 T 2 (天)。

 

　　微生物参数用总细菌数和平皿计数法来计算。总细菌量每周用放置在琼脂培养基上的水样来计算，弧菌数量每四周利用硫代硫酸盐柠檬酸胆汁盐琼脂培养基计算一次。

 

　　结果和讨论

 

　　调节ZWD系统

 

　　系统调节期间，已被观察的现象是在五天内硝化细菌能够转化10mg/L的铵根离子至0mg/L(平均分解能力是每天2mg/L)，如图4显示。能从第五天亚硝酸盐浓度增至3 mg/L看出，铵根离子转化成了亚硝酸盐，之后保持平稳直到养殖期第15天。第十七天前，亚硝酸盐水平骤然低至接近0 mg/L。作为硝化作用的最后产物，硝酸盐在最终养殖阶段前(第十七天)累积达到60 mg/L。

 

图4：ZWD调节中基于铵根离子、亚硝酸盐、硝酸盐浓度上硝化细菌的表现

 

　　调节过程是对于虾的放养以及养殖非常关键的步骤，这个环节能使ZWD系统去转换有毒NH4+和 NO2-成低危害物质NO 3 - 。从结果来看，氨氧化菌在调节阶段第五天被活化。然而需要更长的调节时间——十七天，来活化亚硝酸盐氧化细菌。对于亚硝酸盐氧化细菌，较长的活化时间是因为较之氨氧化菌更为缓慢的成长和翻倍速度。作为硝化作用的第二步，NO2-氧化发生在NH4+ 氧化反应之后。这种连锁反应同样减慢了活化的速度，因为该反应高度依赖NO2-在第一次反应中的可得性。

 

　　即便硝化过程能够在调节过程中完成，但是较长的调节阶段(十七天)会被考虑为ZWD系统中的阻碍环节，因其导致虾一个养殖周期的时间延长。一个备选方案来克服这项劣势就是，亚硝酸盐氧化细菌在接种至ZWD系统前，在养殖阶段活化。

 

　　物理和化学参数测量

 

　　铵根离子、亚硝酸盐和硝酸盐在常规系统和ZWD系统中的浓度范围如表格2显示。铵根离子、亚硝酸盐、硝酸盐浓度在两套策略中都在允许的范畴之内。

 

　　在养殖期间九十天中，铵根离子、亚硝酸盐和硝酸盐的趋势如图5显示。值得注意的是，铵根离子、亚硝酸盐、硝酸盐水平趋于缓慢增长。于ZWD系统中，铵根离子、亚硝酸盐、硝酸盐水平分别介于0.07–0.69 mg/L, 0–3.15 mg/L, 1.04–42.9 mg/L之间;于常规系统中，则分别介于0.20–0.59 mg/L, 0–3.2mg/L, 1.38–14.17 mg/L之间。根据这些图片显示，溶解的无机态氮在九十天养殖期测量水平在两种养殖系统中并无显著差别(p>0.05)。除此之外，ZWD系统中 NH4+和 NO2-的分解能力较于常规系统更高。主要是由于ZWD系统所需的饲料量(≈ 1178.28 g)更高，大概高于常规系统(≈ 656.15g)44%。这就造成了更高的有机物积累因此作用到系统中更高的铵根离子(NH4+)积累。根据估算，预估ZWD系统中九十天内的投料能够产生总计55.20 mg/L 的NH4+，等于每天0.61mg/L。相反，在常规系统中则是30.73 mg/L，每天0.34mg/L(总投料656.15 g)。从预算中可以得出，ZWD系统中每天2 mg/L的铵根离子分解能力更高于常规系统。

 

　　更优的铵根离子和亚硝酸盐转换率在九十天养殖期测试后得到了验证(图5c)。在养殖期的最后阶段，亚硝酸盐水平在ZWD系统中为42.9mg/L较于常规系统的14.17 mg/L高出许多((p<0.05)。硝化作用的最终产物显示，氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)在系统中表现良好。这体现为维持一个稳定的、低毒性的NH4+和NO2-水平，除却ZWD系统中要高出180%的投料。

 

图5：（a）铵根离子、（b）亚硝酸盐、（c）硝酸盐在九十天养殖期间常规系统和ZWD系统中的水平

 

　　除却虾的生产力，ZWD系统中的NH4+和NO2-累积水平需要被谨慎对待，因为这些有毒物质的存在导致了，如果想要保证更好的生长以及避免养殖系统崩溃就需要采取增加饲料投喂。因此，一个精准的系统调节过程(图三)是系统操作之前的首要任务。这种调节将提供给ZWD系统表现的稳定性，尤其是NH4+和NO2- 的分解能力。

 

　　相对较低的NH4+ 和 NO2- 水平也可能影响到海洋硅藻——角毛藻在ZWD系统中的内含物。角毛藻可以在同化作用过程中摄取NO 3 - 和 NH4+ 作为氮源，因此NH4+ 和 NO2- 水平能够被保持在一个可接受的层面。 对于养虾来说，保持铵根离子、亚硝酸盐和硝酸盐的低且稳定的水平是尤为重要的。过量的铵根离子能导致生长减缓，增加耗氧量和氨氮排泄，左右血淋巴蛋白浓度和游离氨基酸水平，甚至能导致死亡;鉴于，高量亚硝酸盐能够诱导高铁血红蛋白形成，从而导致低氧和苍白病，后者能造成虾生长阻滞及死亡。

 

　　在九十天养殖期间内预估的微生物循环在图6中有所展示。总的来说，营养素循环在ZWD系统中囊括了氮循环和碳循环。可以被观察到的是过度投料不仅能造成虾的生长，也能造成水体中与虾的排泄物一起累积起来的有机物。这些有机物随即将会被异养细菌所利用，通过氨化过程转化成 NH4+ 。再者， NH4+ 离子将被化能无机营养物氨氧化细菌氧化形成有毒物NO2- ，其后NO2- 将被化能无机营养物亚硝酸盐氧化细菌转化成轻度有毒物NO3- 。最后，NO3- 作为宏量营养素之一于同化过程中被能光合自养的有机体(角毛藻)所利用，角毛藻在其中起着虾的活性食物和水体增氧的作用。微藻生物也能造成水体中有机质增量，伴随着化能无机营养菌和异养细菌。

 

图6：90天养殖期时期微生物循环在ZWD中的预测

 

　　纵观ZWD系统的微生物循环中三种微生物组成成分，只有两种(光能自养菌和化能无机营养菌)在ZWD 系统中被应用了，而异养成分则还没有被利用。然而，对于ZWD系统的进一步发展，功能性异养成分的应用将被作为更为重要的一步。三种成分协同应用能够帮助稳定和降低生物多样性，同时能够在养殖水体重提高氨化、硝化和同化作用过程。

 

　　在两套系统中，其它理化参数(例如PH、温度和盐度)分别在7.63-8.8， 25.96-30.63°C 和27.6-38.3 ppt 之间。这些数据都在对虾养殖可接受范围之内。

 

　　适宜的ZWD养殖条件将创造出更好的生长环境，即便可能由于虾的生存率不等(90.82%相比较于较低的 27.22%)和更高的有机物投入导致溶氧平衡渐减。然而，在九十天养殖期间后的这套系统中，溶氧级衰减至少于1mg/L (在常规系统中7.42 ± 0.52 mg/L 和在ZWD系统中6.81 ± 0.5 mg/L)。溶氧级衰减即便没有造成什么严重的影响，这个结果也应该被采用为未来ZWD系统的进一步应用和发展，尤其是当养殖过程需要实施超过三个月的情况下，因为其中虾的养殖密度和有机物累积能减少系统中氧的平衡。从结果来看，溶氧平衡能够由微型藻和ZWD系统中不间断充气得到补偿。

 

　　微生物参数测量

 

　　常规系统和ZWD系统中总细菌量在十二周养殖周期的数量展示在图7。

 

图7：在常规和ZWD系统中 90天养殖期内细菌总量

 

　　根据这些结果，实验过程中的总细菌量在两套养殖系统中都有增长的趋势。在ZWD系统中，最大细菌总量和弧菌总量分别是1 ×1010CFU/ml 和4.8 ×102CFU/ml;在常规系统中，数据则分别是6.7 × 1010CFU/ml 和1.05 × 102CFU/ml 如表格3所示。在养殖周期中，ZWD系统和常规系统中的细菌总量和弧菌总量没有显著差异(p>0.05)。

 

　　值得注意的是，ZWD系统中过量的有机物累积没有明显地提升细菌量，即便高有机物含量能够促使异养细菌增长这一现象是人们的普遍认知。结果表明，硝化细菌和角毛藻的存在能够控制条件致病菌和弧菌的生长。硝化细菌能够与其他细菌竞争养分和空间，海洋硅藻分泌脂肪酸和酯类可以担当抗菌化合物。并无惊讶的是，ZWD系统中的弧菌总数低于致病水平的106CFU/ml，即便ZWD系统中存在更高的虾的养殖密度和投喂量。

 

　　常规系统中所观察到的低细菌总量是由于定期换水(每四周80%)所带来的常规稀释，而且会有较少的食物残留和生物废弃物累积。

 

　　生物参数测量

 

　　观察虾的养殖生产力是靠计算平均体重(MBW)，总重，存活率(SR)，比生长率(SGR)，和饲料转化率(FCR)。

 

　　于ZWD系统，九十天的养殖周期后得到了更好的养殖效果。生物参数的测量值包括平均体重(MBW)8.24 ± 0.84 g，总重923.38 ± 42.15 g，存活率(SR)90.82 ± 2.5%，比生长率(SGR)7.7 ± 0.11%，都远远高于常规系统(MBW: 5.45 ± 0.28 g, 总重: 160.48 ± 6.62 g, SR: 27.22 ± 2.09%, SGR 7.24 ± 0.05)。ZWD系统中的饲料转化率FCR是1.27远低于常规系统的4.10(p<0.05)。值得注意的是两个关键参数，SR和FCR预期分别是在51%到91%和 1.5 到 2.6范围之内。即便投料更多，养殖密度更大，ZWD系统中能有更好的养殖效果是由于更加好且稳定的水质保持。

 

　　除却应用硝化细菌对于水质((NH 4 + and NO 2 -)的益处，使用微生物和角毛藻也可以通过提供遮蔽效应和替代饲料来创建一个更适宜的养殖条件。这些因素都能够减少因为水体能见度较低所导致的同类相食现象，并且能够作为对虾的食物补充。

 

　　除却在物化、微生物和生物参数信息，对虾生产的成本预算也将成为这项水产行业新型养殖方法进一步应用之前尤为重要的一个步骤。估算是建立在九十天养殖期中预计生产100kg对虾的基础之上，根据研究中对虾的养殖效果(总重、FCR、MBW、SR)、幼体成本、饲料成本、和耗水量来计算。如表格五显示。

 

　　计算需根据九十天养殖期间生物参数来进行。ZWD系统中，对虾生长快和成活率高表现于FCR更好和更低，最终体现在2375240 IDR(印尼盾)的利润上。根据此项分析，ZWD系统用于工厂化养殖南美白对虾的养殖对比带有同等初始虾密度的情况下所得到的利润有所提升。最终的经济优势是源于从SR,MBW和FCR所呈现出的更为优势的养殖效果。在养殖期间，ZWD系统中生产100kg对虾耗水量较少(52.1m3)，相比较于常规系统的78m3。这种情况说明ZWD系统不光能带来经济效益，而且能最小化水质干扰，减少对环境的废水排放。

 

　　结论

 

　　基于这项研究，零排水系统ZWD能够作为虾养殖的替代系统，ZWD系统从水质、SR(存活率)、增长和FCR(饲料转化率)方面提升了对虾养殖性能。

 

　　附录：

 

表格1：工厂化养殖南美白对虾的投料计划

表格2：90天养殖时期中常规和ZWD系统中铵根离子、亚硝酸盐和硝酸盐浓度范围

表格3：九十天养殖期内细菌总量和弧菌总量的最大值和最小值

表格4：90天的养殖期间在常规和ZWD系统中生理参数测量

表格5：生产100公斤虾使用ZWD和常规系统的成本和利润估算（IDR印尼盾）