大型海藻孔石莼在工廠化海水養(yǎng)殖中的生物修復(fù)及其應(yīng)用前景

呂冬偉, 劉 峰, 李興佐

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙臺(tái)研究院 海洋學(xué)院, 264670)

海水養(yǎng)殖業(yè)是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)產(chǎn)業(yè)群的重要組成部分。在大力發(fā)展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的宏觀指導(dǎo)下, 海水養(yǎng)殖業(yè)特別是工廠化海水養(yǎng)殖業(yè)得以快速發(fā)展。近幾年, 除了較早發(fā)展的室內(nèi)鮑魚養(yǎng)殖外, 我國許多海水養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖規(guī)模都有所擴(kuò)大, 如真鯛、牙鲆、美國紅魚、大西洋鮭等。在以低碳養(yǎng)殖(低能耗、低排放、低污染)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的政策指引下, 一種對(duì)環(huán)境友好、對(duì)生物無害、可高值化利用的養(yǎng)殖模式——?；?生態(tài)型)和陸基(集約型)兩大類型的工廠化養(yǎng)殖模式成為養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的方向。大型藻類由于生長速度快, 海水凈化能力強(qiáng), 用其在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中替代化學(xué)和微生物方法凈化水質(zhì), 維持養(yǎng)殖生態(tài)平衡, 取得了良好的效果。

孔石莼(Ulva pertusa)又名海白萊、海菠菜等, 屬大型海洋經(jīng)濟(jì)藻類, 因其適溫范圍寬, 適鹽范圍廣,在我國各沿海地區(qū)都有豐富的資源?？资痪哂猩L快、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于生態(tài)養(yǎng)殖以及養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控的研究。另外, 孔石莼本身營養(yǎng)豐富, 可以發(fā)展成為一種經(jīng)濟(jì)作物, 提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益, 具有良好的綜合開發(fā)和應(yīng)用前景。本文重點(diǎn)闡述孔石莼在工廠化海水養(yǎng)殖中的生物修復(fù)作用以及應(yīng)用前景。

1 養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)

工廠化養(yǎng)殖池養(yǎng)殖動(dòng)物種類少, 以目標(biāo)養(yǎng)殖動(dòng)物為主。養(yǎng)殖廢水中的污染物主要來自于外部投餌殘留和養(yǎng)殖生物的新陳代謝產(chǎn)物。在海水魚類養(yǎng)殖中, 投喂飼料中大約 72%的 N和 70%的 P不被魚利用[1], 這些營養(yǎng)元素均以固態(tài)養(yǎng)殖廢物(糞便和殘餌)和溶解態(tài)養(yǎng)殖廢物(排泄物和分解物)進(jìn)入水體,對(duì)養(yǎng)殖水環(huán)境造成一定的污染, 其中氨態(tài)氮的含量最受到重視。

2 養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控

2.1 吸收N、P等營養(yǎng)物質(zhì)

許多大型海藻在生長過程中, 能夠大量吸收海水中溶解態(tài)的N、P生源要素, 可以利用其作為養(yǎng)殖環(huán)境中對(duì) N、P等污染物的有效生物吸收器[2-4]。在多種速生大型海藻中, 孔石莼對(duì)營養(yǎng)鹽N、P尤其是氨氮的吸收更勝一籌。如Liu等[5]在比較研究了綠藻Ulva pertusa, 紅藻Gelidium amansii和褐藻Sargassum enerve三種大型海藻對(duì)N的吸收時(shí)發(fā)現(xiàn),綠藻孔石莼的生長速度和對(duì)氨氮的吸收速率要快于其他兩種藻類。何潔等[6]也對(duì)包括孔石莼在內(nèi)的三種大型海藻對(duì)N、P的吸收動(dòng)力學(xué)研究表明, 孔石莼對(duì)硝酸態(tài)氮的吸收不占優(yōu)勢, 但是對(duì)氨氮和磷酸鹽的去除率優(yōu)于其他兩種藻類。在王萍等[7]的研究中同樣發(fā)現(xiàn)孔石莼對(duì)N、P營養(yǎng)鹽的吸收勝于繁枝蜈蚣藻。類似于此的報(bào)道還有很多[8-9]。

孔石莼對(duì)氨氮和磷酸鹽高的去除率和去除速率為利用其凈化工廠化養(yǎng)殖廢水中的N、P提供了有力保障。將孔石莼引入養(yǎng)殖池塘, 利用其高效的吸收N、P能力, 可以對(duì)池塘中氨氮和磷酸鹽的濃度進(jìn)行原位控制, 防止氨氮對(duì)養(yǎng)殖生物的危害以及富營養(yǎng)化水體排放對(duì)外部海域的污染。據(jù)王吉橋等[10]報(bào)道,在適宜的光照和水溫條件下, 1 g鮮質(zhì)量的孔石莼日降解氨氮 1.4 mg, 加上水中細(xì)菌的降解作用, 孔石莼可以有效地消除對(duì)蝦新陳代謝過程中產(chǎn)生的氨氮。劉建國[11]等應(yīng)用孔石莼吸收大菱鲆養(yǎng)殖廢水中的無機(jī)氮效果顯著, 在不同的換水量和光照條件下,孔石莼都能夠?qū)B(yǎng)殖廢水中的無機(jī)氮濃度降低至達(dá)到國家一級(jí)海水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于循環(huán)水工廠化養(yǎng)殖, 將孔石莼引入水處理系統(tǒng), 亦能發(fā)揮調(diào)控水體營養(yǎng)鹽的作用。Wang等[12]將孔石莼應(yīng)用于海參的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng), 養(yǎng)殖水體經(jīng)重力作用進(jìn)入孔石莼生物濾池后再經(jīng)循環(huán)泵流回養(yǎng)參池, 孔石莼能夠吸收海參養(yǎng)殖水體中68%總氨態(tài)氮和26%的正磷酸鹽,有效控制了氨氮和磷酸鹽的濃度。楊鳳等[13-14]將孔石莼應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)鮑水質(zhì)的調(diào)控, 發(fā)現(xiàn)孔石莼能快速地吸收總氨氮, 使水中氨氮維持在 0.3 mg/L的幼鮑安全生長限值以下, 其對(duì)氨氮的調(diào)控能力不亞于臭氧, 甚至低于流水養(yǎng)殖中的氨氮含量。經(jīng)孔石莼凈化處理的養(yǎng)殖廢水, 無殘留, 無毒副作用, 有利于為養(yǎng)殖生物提供良好的生存環(huán)境。

2.2 調(diào)節(jié)水體溶氧及pH水平

孔石莼在光合放氧方面作用明顯。郭贛林等[15]研究發(fā)現(xiàn), 不同溫度下孔石莼光合作用產(chǎn)氧速率在20.17～25.32 mg/(g·h), 產(chǎn)氧效果顯著。在孔石莼和對(duì)蝦混養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中, 1 g鮮質(zhì)量的孔石莼日提供環(huán)境凈氧氣5.5～12.5 mg, 可以有效地為等質(zhì)量養(yǎng)殖對(duì)蝦提供代謝過程中所需的氧氣[10]。日本學(xué)者KITADAI和 KADOWAKI將孔石莼引入魚(Seriola quinqueradiata)的養(yǎng)殖水域, 研究發(fā)現(xiàn)孔石莼的最高產(chǎn)氧速率為6.39 mg/(g·h), 最少0.21 kg鮮孔石莼即可維持一條魚對(duì)氧氣的需求[16]。在孔石莼和鮑魚的循環(huán)水混養(yǎng)系統(tǒng)中, 水體的 pH水平始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)且處于較高的水平, 孔石莼明顯改善了幼鮑的養(yǎng)殖水環(huán)境, 降低了換水量[14-15]。在孔石莼與養(yǎng)殖生物混養(yǎng)系統(tǒng)中, 養(yǎng)殖生物通過呼吸作用消耗水中溶氧, 排出CO2, 降低了水環(huán)境的pH值, 而孔石莼通過光合放氧并吸收魚類產(chǎn)生的CO2, 能增加水體的pH值。通過孔石莼對(duì)水體中的碳酸體系的調(diào)節(jié), 使得水體pH不會(huì)因?yàn)轲B(yǎng)殖生物的代謝作用而發(fā)生較大波動(dòng)。

同其他水生植物一樣, 夜間石莼要呼吸耗氧。不同溫度下, 孔石莼呼吸耗氧速率在 7.44～8.35 mg/(g·h)[15]。另外, 孔石莼在高營養(yǎng)鹽水體中生長速度快, 控制不好即有可能導(dǎo)致爆發(fā)性生長, 大量藻體如不能及時(shí)清除, 在水體中腐爛降解的過程會(huì)消耗大量溶解氧, 重新釋放回水體的降解物質(zhì)還會(huì)再次成為污染物質(zhì)。這不僅不能起到修復(fù)水體的作用, 反而加劇了水體的生態(tài)惡化, 更不利于養(yǎng)殖生物的健康生長。因此要使孔石莼與所養(yǎng)水生動(dòng)物在一個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)處于互利的地位, 達(dá)到最佳的利用狀態(tài),必須深入開展孔石莼和養(yǎng)殖生物的生理與生態(tài)特性及不同條件下的代謝規(guī)律研究, 探索最佳的生態(tài)養(yǎng)殖模式。

3 探索復(fù)合生態(tài)養(yǎng)殖模式

孔石莼在維持健康的復(fù)合養(yǎng)殖系統(tǒng)方面有很重要的作用。養(yǎng)殖動(dòng)物是排氨生物。水中氨氮濃度增高對(duì)養(yǎng)殖生物有強(qiáng)烈毒性, 是高密度循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)最常遭遇的問題。故養(yǎng)殖池水中氨氮濃度必須控制于養(yǎng)殖生物可承受的濃度以下。在孔石莼與魚、蝦類共生的水體中, 通過控制孔石莼的生物量, 可有效地降低水中氨氮的濃度, 維持水體較高的溶氧量和適宜的pH值, 降低魚類發(fā)生窒息和水質(zhì)惡化的危險(xiǎn)性[10,16-18]。在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中, 氨氮等水溶性有害物質(zhì)的去除技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。80年代以來, 已有利用浮游植物凈化養(yǎng)殖污水的研究報(bào)道,但因藻水分離困難, 使這種微藻凈水模式在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。大型藻類孔石莼能夠突破該限制。相對(duì)于微藻而言, 將孔石莼引入魚蝦等的綜合養(yǎng)殖中, 其數(shù)量和密度可控, 更有利于創(chuàng)造良好而穩(wěn)定的水質(zhì)?？资挥捎趯?duì)氮鹽尤其是銨鹽和磷酸鹽具有良好的吸收作用, 在循環(huán)水養(yǎng)殖的水處理中能發(fā)揮良好的水質(zhì)凈化作用。將孔石莼引入工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖, 將工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖和生態(tài)養(yǎng)殖相結(jié)合, 在水處理系統(tǒng)中利用孔石莼去除水體中的氨氮, 輔以必要的殺菌消毒, 實(shí)現(xiàn)海水循環(huán)利用。國外利用此種方式在循環(huán)水水處理系統(tǒng)中修復(fù)水質(zhì)研究較早, 并且已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用[19-20]。宋協(xié)法等[21]也做過相關(guān)研究, 發(fā)現(xiàn)孔石莼對(duì)氨氮的去除效果良好, 能夠達(dá)到養(yǎng)殖水質(zhì)要求。

但是孔石莼在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中水處理系統(tǒng)的應(yīng)用還受到多方面條件的限制, 如維持孔石莼的最佳生長狀態(tài)需要一定的光照和鹽度等外部條件, 如若滿足不了, 孔石莼的生長狀態(tài)將會(huì)受到較大影響,其對(duì)水中營養(yǎng)鹽的去除效果也會(huì)受到較大影響, 產(chǎn)生的氧氣量也會(huì)顯著減少。另外, 孔石莼本身新陳代謝過程中也會(huì)產(chǎn)生部分有機(jī)物質(zhì)釋放到水體中, 控制不好反而會(huì)增加水中有機(jī)物的含量, 不利于養(yǎng)殖水質(zhì)的管理。因此需要結(jié)合養(yǎng)殖動(dòng)物的習(xí)性特征, 在不影響?zhàn)B殖生物的適宜生長環(huán)境下, 為孔石莼的生長創(chuàng)造適宜的生長條件, 達(dá)到改善養(yǎng)殖環(huán)境, 提升生態(tài)效益的目的。這種孔石莼與養(yǎng)殖生物混養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)日益提倡環(huán)境友好養(yǎng)殖、生態(tài)養(yǎng)殖的可持續(xù)無污染海水綜合養(yǎng)殖具有重要意義。

在我國, 根據(jù)工廠化養(yǎng)殖方式的現(xiàn)狀和特點(diǎn),可探索并實(shí)施適宜的生態(tài)養(yǎng)殖模式。對(duì)于?；秃完懟土魉B(yǎng)殖, 孔石莼對(duì)養(yǎng)殖廢水中N、P營養(yǎng)鹽的吸收, 可探索養(yǎng)殖動(dòng)物與孔石莼的原位混養(yǎng)技術(shù)(如養(yǎng)殖密度, 孔石莼投放密度, 孔石莼回收頻率,光照強(qiáng)度等), 降低養(yǎng)殖水體的富營養(yǎng)化程度, 減輕富營養(yǎng)化水體排放對(duì)周邊海洋造成的環(huán)境污染, 達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。對(duì)于陸基型循環(huán)水養(yǎng)殖, 可以進(jìn)一步探索孔石莼在水處理系統(tǒng)中的水質(zhì)凈化技術(shù),尋求一種新型的實(shí)用性、操作性和可控性強(qiáng)的節(jié)能環(huán)保水處理技術(shù), 解決化學(xué)處理存在的殘留問題和微生物處理出現(xiàn)的活性降低等問題帶來的不便。循環(huán)水養(yǎng)殖對(duì)水質(zhì)造成影響的主要是養(yǎng)殖動(dòng)物的溶解態(tài)代謝產(chǎn)物, 糞便、殘餌等顆粒物, 以及有害微生物?？梢詫⒖资坏纳镄迯?fù)功能與經(jīng)典的物理沉降以及紫外線、臭氧消毒技術(shù)結(jié)合應(yīng)用, 改善養(yǎng)殖環(huán)境的水環(huán)境質(zhì)量, 實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。除此之外, 還要進(jìn)一步改進(jìn)投餌技術(shù)、改進(jìn)餌料成分, 使所投餌料更有利于養(yǎng)殖生物的攝食, 減少顆粒留存,提高餌料利用率, 防止或減輕水質(zhì)的敗壞程度。

4 資源化利用前景

將孔石莼引入綜合性水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)管理, 可以起到調(diào)控水質(zhì)的作用, 利于改善養(yǎng)殖環(huán)境, 提升生態(tài)效益。同時(shí), 孔石莼增質(zhì)量明顯, 日均增質(zhì)量3.3%[12]。作為綜合性水產(chǎn)養(yǎng)殖的副產(chǎn)物, 孔石莼具有較高的附加值?？梢詫?duì)孔石莼進(jìn)行資源化利用, 助于增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。作者從以下幾方面闡述其資源化利用前景。

4.1 作為藻類食品原材料

孔石莼含有豐富的粗纖維、碳水化合物及蛋白質(zhì), 并含有少量的脂肪。從已分析出的17種氨基酸中, 有8種為人體必需氨基酸; 孔石莼含有豐富的維生素 VE和 VC, 其含量高于角叉菜[22]?？资缓蠯、Na、Ca、Mg、Ni、Zn、Mo、Cu、I、F 等多種微量元素, 這些微量元素對(duì)人體的生長發(fā)育、新陳代謝和生理調(diào)節(jié)等方面有著廣泛的作用。不論是提供營養(yǎng)物質(zhì)還是預(yù)防疾病方面, 孔石莼都可作為人類良好的食物來源, 可以充分利用水質(zhì)調(diào)控副產(chǎn)物孔石莼作為原材料, 開發(fā)新的藻類食品。

4.2 作為飼料原材料

孔石莼營養(yǎng)豐富, 將其作為飼料添加劑加入飼料中對(duì)畜禽、水生動(dòng)物無任何毒副作用且可改善畜禽、水生動(dòng)物等的生產(chǎn)性能?？资蛔鳛轱暳喜粌H可以提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì), 促進(jìn)動(dòng)物的健康, 還可以為人類提供健康安全的畜禽產(chǎn)品。以鮮孔石莼磨碎液作為餌料投喂稚參, 其生長速度和成活率高于鼠尾藻干粉和鮮海帶磨碎液的投喂效果[23]。另外, 孔石莼還是幼鮑的優(yōu)質(zhì)餌料。將水質(zhì)凈化的副產(chǎn)物孔石莼作為飼料資源加以回收利用, 變廢為寶, 既有助于降低生產(chǎn)成本, 又實(shí)現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì), 一舉多得。

4.3 作為提取凈水制劑原材料

多項(xiàng)研究表明孔石莼體內(nèi)含有抑制赤潮藻繁殖的有效物質(zhì)[24-27], 可以從孔石莼體內(nèi)提取天然除藻劑, 減輕漁藥的施用對(duì)養(yǎng)殖生物的毒害和對(duì)環(huán)境的污染。孔石莼的分泌物能夠有效降低重金屬的生物有效性[28-29], 可以進(jìn)一步探索分析有效成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)和提取方法, 充分利用水處理系統(tǒng)中產(chǎn)出的孔石莼副產(chǎn)物提取凈水制劑, 為養(yǎng)殖環(huán)境中的重金屬污染治理開辟新徑。

5 結(jié)語

工廠化海水養(yǎng)殖具有密度高、投入高、回報(bào)高的特點(diǎn)。它可以通過人工控制環(huán)境達(dá)到消除病害、減少污染的目的, 還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式無法實(shí)現(xiàn)的高品質(zhì)養(yǎng)殖, 具有廣闊的發(fā)展前景。提高養(yǎng)殖廢水的處理效果和效率, 簡化工藝, 降低成本是養(yǎng)殖廢水處理工藝的發(fā)展方向。大型海藻孔石莼對(duì)海水養(yǎng)殖的生態(tài)意義和經(jīng)濟(jì)意義在于它能降低養(yǎng)殖水體的營養(yǎng)鹽負(fù)荷, 改良水質(zhì), 有利于養(yǎng)殖水體環(huán)境的穩(wěn)定, 提高養(yǎng)殖生物的產(chǎn)量, 同時(shí)獲得資源化產(chǎn)物。隨著生物技術(shù)的發(fā)展, 以及對(duì)養(yǎng)殖生物生理活動(dòng)研究的深入, 結(jié)合大型藻類生物修復(fù)功能向水處理技術(shù)的引用, 養(yǎng)殖廢水處理工藝必將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展空間, 更好的為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)服務(wù)。

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