超微氣泡技術在對蝦室內養(yǎng)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(yè)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(fā)現，當氣泡小到納米級時會產生一些不同于常規(guī)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(yī)學、工礦業(yè)、農業(yè)、環(huán)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(fā)生設備并應用于牡蠣和扇貝養(yǎng)殖[12]，取得了良好的效果，之后，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)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(fā)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(fā)生裝置。本試驗使用的氣泡發(fā)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(yǎng)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(yè)化水產養(yǎng)殖帶來新的發(fā)展思路。

凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)養(yǎng)殖由于放養(yǎng)密度高、投飼量大，在養(yǎng)殖的中后期，水體缺氧現象時有發(fā)生，易引發(fā)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(yǎng)殖。

為了檢驗超微氣泡技術在養(yǎng)殖中應用的可行性及生態(tài)安全性，在小型凡納濱對蝦養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中，對比研究了在超微氣泡技術與傳統(tǒng)鼓風曝氣兩種增氧方式下，養(yǎng)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(tài)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(fā)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(yǎng)殖桶。每桶放置1臺超微氣泡發(fā)生裝置。常規(guī)的氣泡發(fā)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(yè)研究院科技創(chuàng)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(guī)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(xù)充氣，直至溶氧穩(wěn)定，然后每隔5 min 測1次溶氧，至溶氧穩(wěn)定在試驗初始水平時結束。

養(yǎng)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(guī)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(guī)的鼓風充氣組(簡稱常規(guī)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(guī)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(yǎng)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(yǎng)殖12 d，當蝦苗規(guī)格達1.7 cm時，再將蝦苗移到養(yǎng)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(yǎng)殖環(huán)境壓力，放苗量為每桶7 000尾，放養(yǎng)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(fā)生蝦病，按正常的養(yǎng)殖管理換水20%。2#和4#桶由于養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(guī)充氣的8.15 mg/L高2.82%。停止充氣后，常規(guī)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(guī)充氣和微泡充氣方式下溶氧的變化

2.2 養(yǎng)殖水體理化因子對比

試驗期間養(yǎng)殖水溫29.4 ℃～34.5 ℃，由于試驗水體較小，超微氣泡發(fā)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(guī)組，平均高出1.7 ℃，并且差異顯著(P<0.01)。

常規(guī)組養(yǎng)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(guī)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(guī)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(guī)組，平均值比常規(guī)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(guī)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(guī)組的pH均值為7.85，微泡組的為7.63，明顯低于常規(guī)組(P<0.01)(圖2)。

圖2 常規(guī)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(yǎng)殖進程而提高，常規(guī)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(guī)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(guī)律，常規(guī)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(guī)充氣和微泡充氣方式下氮鹽與總有機碳變化

2.3 養(yǎng)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(guī)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(yōu)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(fā)而成為數量優(yōu)勢種。常規(guī)組和微泡組中，浮游植物的種類組成相似，但常規(guī)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(guī)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(yōu)勢種兩組都是球衣藻和擬衣藻。7月12日，常規(guī)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(guī)組的59.7%，小球藻成為豐度最高的優(yōu)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(guī)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(yōu)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(guī)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(guī)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(yōu)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(guī)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(fā)生過蝦病，存活率只有17.58%，常規(guī)組中發(fā)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(guī)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(guī)組的平均全長3.17 cm，平均體質量0.28 g，均低于微泡組?？偞婊盥?，常規(guī)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(tǒng)計表

日期指標常規(guī)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(wěn)定性好等特點[16]，其表面帶有負電荷，這使得氣泡間很難發(fā)生合并[17]，不會像常規(guī)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(fā)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(yǎng)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(guī)充氣水平。

自然條件下養(yǎng)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(yǎng)殖水體中其它各類生物的耗氧隨養(yǎng)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(guī)組，平均溶氧質量濃度比常規(guī)組的高7.66%。

3.2 超微氣泡對水質的影響

對蝦養(yǎng)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(yǎng)殖水體水質的下降[19]。常規(guī)組的氣流從充氣頭出來后呈上升狀態(tài)，因此，在養(yǎng)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(guī)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(fā)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(yǎng)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(tài)進入水層懸浮狀態(tài)，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(guī)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(yǎng)殖用水經過砂濾及在室內養(yǎng)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(huán)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(fā)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(guī)組中優(yōu)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(yōu)勢種。

顫藻是對蝦養(yǎng)殖池塘中常見的藍藻，在富營養(yǎng)化水體中繁殖迅速，生命力強[23]。試驗后期，微泡組和常規(guī)組都出現了顫藻，顯示出后期試驗水體的營養(yǎng)化程度。顫藻的大量繁殖對對蝦的生長不利，研究發(fā)現，通過在養(yǎng)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(yōu)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(guī)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(yǎng)殖密度呈負相關[26]，為了增加養(yǎng)殖水體的環(huán)境壓力，試驗采取高密度的養(yǎng)殖方式，放養(yǎng)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(guī)充氣一樣可以正常生長。通過對發(fā)病的常規(guī)組2#桶和微泡組4#桶對蝦生長比較可以發(fā)現，后者在發(fā)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(yǎng)殖桶對蝦全長高出43%，而前者在蝦病發(fā)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(fā)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(wěn)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(guī)組，溶氧質量濃度平均比常規(guī)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(guī)組無明顯差異，但超微氣泡能加快養(yǎng)殖水體顆粒物的降解，并對浮游植物優(yōu)勢種結構產生影響，可抑制球衣藻和擬衣藻等常規(guī)組中優(yōu)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(yǎng)殖中的應用是安全可行的。

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