循環(huán)水與生物絮凝養(yǎng)殖系統(tǒng)吉富羅非魚越冬暫養(yǎng)研究

曹寶鑫,張南南 ,羅國芝,2,3,譚洪新,2,3,蒙浩焱

(1.上海水產(chǎn)養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海海洋大學(xué)水產(chǎn)科學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué) 示范中心，上海 201306；3.水產(chǎn)動物遺傳育種中心上海市協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201306)

羅非魚(Oreochromis)具有抗病能力強(qiáng)，生長速度快，攝食廣泛的優(yōu)點(diǎn)，是我國主要淡水養(yǎng)殖魚類之一，2010年全國產(chǎn)量為133.2萬t，占世界羅非魚產(chǎn)量的39.2%[1-2]。羅非魚作為一種暖水性魚類，對溫度變化極為敏感，適宜生長溫度為25～28 ℃，冬季低溫會導(dǎo)致其大量死亡，安全越冬成為阻礙羅非魚產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題[3]。傳統(tǒng)越冬方式以流水養(yǎng)殖為主，通過大量水體換熱來維持水溫，如溫泉水越冬、利用工廠余熱水越冬、抽取深井水越冬等[4]，這種方式會排放出大量的養(yǎng)殖廢水，對周圍生態(tài)環(huán)境造成破壞，并且成本高，效益低，容易造成資源浪費(fèi)，不利于羅非魚產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)(RAS)和生物絮凝養(yǎng)殖技術(shù)(BFT)被認(rèn)為是解決當(dāng)前集約化養(yǎng)殖模式所面臨的環(huán)境和資源問題的有效方法。關(guān)于RAS與BFT進(jìn)行羅非魚養(yǎng)成研究的報道較多，如周游等[5]和張成林等[6]分別進(jìn)行了RAS養(yǎng)殖羅非魚生長效果的研究；Azim等[7]利用BFT進(jìn)行羅非魚養(yǎng)殖，對水質(zhì)、福利等進(jìn)行分析，他們分別證明了羅非魚在RAS與BFT中養(yǎng)殖的可行性，但是對于低溫條件下在兩種系統(tǒng)中進(jìn)行羅非魚越冬養(yǎng)殖時的水質(zhì)，生長以及生產(chǎn)成本還未有過研究。本研究通過對吉富羅非魚(GIFTOreochromisniloticus)在循環(huán)水系統(tǒng)與生物絮凝系統(tǒng)中越冬的研究，比較兩種系統(tǒng)在養(yǎng)殖對象生長，水質(zhì)處理以及成本方面的表現(xiàn)，為優(yōu)化羅非魚越冬養(yǎng)殖模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用魚和飼料

本實(shí)驗(yàn)用魚購自廣東五龍崗水產(chǎn)科技有限公司的吉富羅非魚(GIFTOreochromisniloticus)，飼料選自中山統(tǒng)一企業(yè)有限公司出品的統(tǒng)一牌羅非魚膨化配合飼料，其中營養(yǎng)成分為粗蛋白≥33%，粗脂肪≥2%，粗灰分≤12%，粗纖維≤8%，水分≤12%，總磷0.6%～3.5%，賴氨酸≥1.4%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用一套位于室內(nèi)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，如圖1所示：系統(tǒng)包括一臺轉(zhuǎn)鼓式固液分離機(jī)，一臺懸浮式生物濾床(有效水體2 m3)，一臺滴濾式微珠生物過濾器，一臺恒溫機(jī)，一臺加熱器和六個玻璃纖維養(yǎng)殖缸(每個養(yǎng)殖缸有效水體2 m3)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)分為兩組，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)為RAS組，生物絮凝養(yǎng)殖系統(tǒng)為BFT組。每組3個重復(fù)，關(guān)閉循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中三個養(yǎng)殖缸的進(jìn)水閥與出水閥，作為生物絮凝養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖缸，以福建高農(nóng)有限公司出產(chǎn)的鰻鱺飼料(粗蛋白≥48%、粗灰分≤17%、粗脂肪≥4%、水分≤10%)為氮源，葡萄糖作為碳源進(jìn)行生物絮凝絮體的培養(yǎng)，在培養(yǎng)過程中每兩天檢測溶氧，pH ，溫度，總氮，總氨氮，亞硝酸鹽，硝酸鹽，總有機(jī)碳。

實(shí)驗(yàn)開始前，將平均體重為(3.54±2.82)g的健康羅非魚苗分別放入循環(huán)水系統(tǒng)和生物絮凝系統(tǒng)中，初始密度為(5.12±0.04)kg/m3。系統(tǒng)總共運(yùn)行64 d，兩組系統(tǒng)前20 d將溫度控制在24 ℃左右，隨后逐漸降溫，后期維持在18～20 ℃，添加碳酸氫鈉使pH維持在7～7.5，堿度維持在100～200(以CaCO3記)，溶氧保持在6.5～7.5 mg/L，BFT組利用聚己內(nèi)酯(Polycaprolactone，PCL)為碳源，以掛袋的方式放置在BFT組三個缸內(nèi)，每缸6袋，每袋200 g，控制C/N>15。

圖1 養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of farming system

a～g：循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，a：循環(huán)水養(yǎng)殖缸，b：轉(zhuǎn)鼓式固液分離機(jī)，c：生物濾池，d：恒溫箱，e：滴濾式微珠過濾器，f：加熱系統(tǒng)，g：紫外線燈；h：生物絮凝養(yǎng)殖缸

在養(yǎng)殖期間，每天投喂3次(9∶00，14∶00和19∶00)，投餌量視魚攝食情況而定，記錄每個缸的投喂量。RAS組日換水率4%，BFT組不換水，只補(bǔ)充因取樣和蒸發(fā)而損失掉的水分，并記錄排水與補(bǔ)水量。BFT組TSS維持在600 mg/L，及時排出多余絮體。

1.4 樣品采集

1.4.1 水質(zhì)指標(biāo)

1.4.2 生物絮凝系統(tǒng)絮體指標(biāo)

總固體懸浮物(TSS)采用稱重法測定，F(xiàn)V30采用英霍夫管沉降30 min測量。

1.4.3 魚體指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)開始前，停止投喂1 d，隨機(jī)撈取600尾魚，稱重；實(shí)驗(yàn)期間死亡的魚，記錄數(shù)量并稱重；試驗(yàn)結(jié)束后，每個缸隨機(jī)撈取100尾魚，稱重。根據(jù)測定的指標(biāo)計算成活率SR、增重率WGR、餌料系數(shù)FCR和特定生長率SGR。

成活率(SR)=(S2/S1)×100%

增重率(WGR)=(W2-W1)/W1×100%

餌料系數(shù)(FCR)=F/(W2-W1)

特定生長率(SGR)=(lnW2-lnW1)/t×100%

式中，S1：實(shí)驗(yàn)開始魚的數(shù)量；S2：實(shí)驗(yàn)結(jié)束時魚的數(shù)量；W1：實(shí)驗(yàn)開始時魚的體重(g)；W2：實(shí)驗(yàn)結(jié)束時魚的體重(g)；F：飼料投喂量(g)；t：養(yǎng)殖天數(shù)(d)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)值用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)形式表示，采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA 單因素方差分析，并結(jié)合Duncan 氏法進(jìn)行多重比較，P≤0.05為差異性顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)羅非魚生長性能

兩組養(yǎng)殖對象生長狀況如表1所示，初始密度RAS組與BFT組不存在顯著性差異，經(jīng)過64 d的養(yǎng)殖，RAS組密度為(35.47±0.77)kg/m3，BFT組密度為(15.59±2.40)kg/m3，兩組差異性顯著；RAS組在成活率和增重率上都顯著高于BFT組，RAS組成活率達(dá)到了(96.9±2.23)%，增重率也達(dá)到了(594.31±9.64)%，而BFT組只有(65.82±3.22)% 與(234.2±45.75)%，特定生長率RAS組為(3.03±0.02)%/d，顯著大于BFT組的(1.87±0.22)%/d；而BFT組的餌料系數(shù)為1.31±0.03，RAS組為1.43±0.03，BFT組顯著小于RAS組。

指標(biāo)RASBFT初始均重/kg3.54±2.83a3.54±2.83a初始密度/(kg/m3)5.12±0.04a5.11±0.04a終末均重/kg25.30±0.26a16.36±2.02b終末密度/(kg/m3)35.47±0.77a15.59±2.40b存活率/%96.90±2.23a65.82±3.22b特定生長率/(%/d)3.03±0.02a1.87±0.22b增重率/%594.31±9.64a234.20±45.75b餌料系數(shù)1.43±0.43a1.31±0.03b

注：同行數(shù)據(jù)上標(biāo)不同表示組間存在顯著差異(P<0.05)，下同

2.2 水質(zhì)指標(biāo)

由圖2可知，RAS組與BFT組總氮、總磷、硝氮和磷酸鹽不斷積累；氨氮在前30 d緩慢上升，后期略有波動，但一直維持在3 mg/L以下；亞硝酸鹽先升高后降低，維持穩(wěn)定，但BFT組在第5天左右開始下降，維持在較低水平，RAS組第10天開始下降，后期波動較大。RAS組與BFT組總氮、總磷、亞硝酸鹽和硝酸鹽平均濃度差異顯著，BFT組總磷平均濃度(48.5±19.36)mg/L，顯著高于RAS組(27.95±18.36)mg/L，而兩組磷酸鹽平均濃度差異性不顯著，分別為(24.34±16.35)、(24.13±16.19)mg/L；RAS組亞硝酸鹽平均濃度為(0.47±0.29)mg/L顯著高于BFT組的(0.09±0.04)mg/L，都維持在1 mg/L以下；氨氮兩組平均濃度差異不顯著，分別為(1.56±0.76)、(1.58±0.56)mg/L。

由表2可知，養(yǎng)殖期間RAS組和BFT組pH、溶氧的平均濃度均差異不顯著，RAS組分別為7.51±0.27、7.02±0.72 mg/L，BFT組分別為7.55±0.42、7.29±0.86 mg/L，而溶解性有機(jī)碳(DOC)平均濃度BFT組為30.81±9.42 mg/L，顯著大于RAS組的25.65±10.28 mg/L，這和向BFT組添加碳源有關(guān)；BFT組的TSS雖然最高值為1113.67 mg/L，但通過及時調(diào)整，平均濃度為735.58±278.58 mg/L，F(xiàn)V30平均數(shù)值為31.54±19.10。

由圖3-a可以看出RAS與BFT系統(tǒng)的溫度在實(shí)驗(yàn)期間維持穩(wěn)定，前20 d控制在24 ℃左右，由于實(shí)驗(yàn)前6 dBFT組溫控系統(tǒng)故障，溫度在20 ℃左右，后恢復(fù)正常。后期控制在18～20 ℃，兩組平均溫度差異性不顯著，要高于圖中室溫；圖3-b為一天之內(nèi)在6∶00～24∶00 RAS與BFT的溫度變化，RAS組為18.77～19.5 ℃，而BFT組為17.83～19.40 ℃，BFT組一天內(nèi)水溫波動要大于RAS組。

表2 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)pH、溶氧、DOC、TSS和FV30的變化Tab.2 The pH，dissolved oxygen，DOC，TSS and FV30 changes in different systems n=15

圖2 兩種養(yǎng)殖模式水質(zhì)變化趨勢Fig.2 The changing trend of water quality in different systems

圖3 兩種養(yǎng)殖模式水溫變化情況Fig.3 Temperature changing trend in different systems

指標(biāo)RAS總成本每公斤魚產(chǎn)量成本BFT總成本每公斤魚產(chǎn)量成本電/kW·h5 010.1827.523 116.1349.58水/m3240.137.10.11餌料/kg260.361.4382.571.31NaHCO3/kg9.10.0511.340.18碳源/kg//3.60.06種苗/元2 500/2 500/

2.3 不同系統(tǒng)越冬期的成本

如表3 所示， RAS系統(tǒng)在相同運(yùn)行時間內(nèi)用電量和用水量均高于BFT系統(tǒng)，達(dá)到了5 010.18 kW·h和24 m3，BFT組為3 116.13 kW·h和7.1 m3；飼料投喂量RAS組260.36 kg，BFT組為82.57 kg。單位產(chǎn)量成本方面，RAS組用電量為27.52 kW·h/kg，BFT為49.58 kW·h/kg，RAS組用水量和餌料系數(shù)分別為0.13 m3/kg和1.43 g，BFT組為0.11 m3/kg和1.31，RAS組均高于BFT組。A、B分別向系統(tǒng)內(nèi)添加了9.1 kg和11.34 kg的NaHCO3，B組要多于A組；B組比A組多了碳源的成本，共用了3.6 kg PCL。

3 討論

3.1 不同養(yǎng)殖模式越冬期對魚生長的影響

周游等[5]在冬季羅非魚暫養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，水溫控制在23.9～24.7℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，養(yǎng)殖密度由(22.93±3.5)kg /m3增加到(51.5±4.2)kg/m3，存活率達(dá)99.8%，餌料系數(shù)1.35；在本實(shí)驗(yàn)中，水溫控制在18～20 ℃，RAS系統(tǒng)成活率達(dá)到了(96.9±2.23)%，略低于周游；餌料系數(shù)1.43，高于周游等的1.35，但相差不大。Crab等[8]利用生物絮凝系統(tǒng)研究羅非魚越冬的可行性，溫度(18±2)℃，100 g的魚成活率為(97±6)%，50 g的只有(80±4)%，Soltan等[9]研究了生物絮團(tuán)越冬方式100 g的魚存活率、增重率分別達(dá)到了84%和71%，而本實(shí)驗(yàn)中BFT組存活率低于以上結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)期間曾對BFT組中死亡和狀態(tài)較差的魚進(jìn)行觀察和解剖，其外表無傷，肝臟、鰓和腸等無明顯病變，顯微鏡鏡檢無寄生蟲，排除患病的可能，養(yǎng)殖密度和溫度變化[10，11]也在合理范圍內(nèi)；在實(shí)驗(yàn)前6 d，BFT組由于加熱系統(tǒng)故障溫度在20 ℃左右，后恢復(fù)正常，魚苗的大量死亡也集中在加溫系統(tǒng)故障和實(shí)驗(yàn)中的低溫期。由于生物絮凝養(yǎng)殖系統(tǒng)主要依靠水體中的微生物進(jìn)行同化或硝化反應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)的處理，溫度過低可能導(dǎo)致部分細(xì)菌大量死亡，使絮體的性質(zhì)發(fā)生改變，絮體穩(wěn)定性遭到破壞[12]，所以BFT組的成活率顯著小于RAS組可能與低溫導(dǎo)致生物絮團(tuán)性質(zhì)、組成被破壞有關(guān)。BFT組的餌料系數(shù)1.31，顯著低于RAS組的1.43，證明BFT能顯著提高養(yǎng)殖魚類的飼料利用率；在特定生長率方面，BFT組顯著小于RAS組，可能低溫時期的BFT系統(tǒng)絮體性質(zhì)不穩(wěn)定，影響了羅非魚的攝食與生長。實(shí)驗(yàn)證明，越冬期RAS養(yǎng)殖模式在苗種存活率、生長方面要優(yōu)于BFT模式，而BFT可以通過培養(yǎng)適應(yīng)低溫環(huán)境的細(xì)菌，形成性質(zhì)更加穩(wěn)定的生物絮團(tuán)，提高養(yǎng)殖對象的成活率與生長速度，從而充分發(fā)揮其高飼料利用率、節(jié)省成本的優(yōu)勢。

3.2 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)越冬期水質(zhì)

氨氮是水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中重要的指標(biāo)，高濃度的氨氮會對魚的生長、代謝造成危害。RAS養(yǎng)殖系統(tǒng)通過自養(yǎng)硝化過程，將氨氮與亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成毒害性較小的硝酸鹽，來控制水體中氨氮濃度[13]；而生物絮凝技術(shù)中氨氮的轉(zhuǎn)化有兩種途徑，一種是自養(yǎng)硝化過程，將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，另一種是異養(yǎng)細(xì)菌的同化，將氨氮轉(zhuǎn)化為自身的生物量[14]。本實(shí)驗(yàn)中，兩組硝酸鹽一直處在積累的過程中，RAS組硝酸鹽積累量遠(yuǎn)低于BFT組，是因?yàn)镽AS組每天換水4%，從而控制了硝酸鹽的積累。在實(shí)驗(yàn)期間，氨氮先緩慢上升，后維持在2～3 mg/L，這與Fleckenstein等[15]在RAS系統(tǒng)與BFT中養(yǎng)殖羅非魚氨氮維持在(0.3±0.1)、(0.2±0.1)mg/L的研究結(jié)果差異較大，這可能與越冬期溫度過低，微生物活性降低，對氨氮處理能力不足有關(guān)[16]。根據(jù)唐首杰等[17]報道，在 pH 為7.2±0.1，溫度(27.4±0.2)℃，溶氧為(5.2～5.5)mg/L時，新吉富羅非魚氨氮的安全濃度為14.429 mg/L，所以RAS與BFT氨氮均處于安全濃度以下。高濃度的亞硝酸鹽可以導(dǎo)致組織缺氧，神經(jīng)麻痹，甚至窒息死亡[18]。本實(shí)驗(yàn)中，亞硝酸鹽先上升，表明氨氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，自養(yǎng)硝化細(xì)菌在其中起主要作用，后開始下降，且后期RAS組波動較大，而BFT組能夠維持較低濃度，這與BFT組中的硝化作用受到了抑制有關(guān)。部分氨氮被異養(yǎng)細(xì)菌吸收同化為自身蛋白，導(dǎo)致自養(yǎng)硝化過程減弱，氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的量減少。在整個養(yǎng)殖過程中，硝酸鹽的量一直呈累積上升的狀態(tài)，后期水體中的無機(jī)氮主要以硝酸鹽的形式存在。

3.3 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)越冬期成本

RAS系統(tǒng)由于技術(shù)成熟度、運(yùn)營管理水平等原因，在經(jīng)濟(jì)性方面一直不能讓人滿意，尤其是在淡水魚行業(yè)[19]。在為期64 d的實(shí)驗(yàn)中，總成本方面RAS組的耗電量、耗水量要遠(yuǎn)高于BFT組，在單位產(chǎn)量成本方面，RAS組27.52 kW·h/kg，要遠(yuǎn)低于BFT組的49.58 kW·h/kg，這和RAS組在羅非魚越冬生長方面要優(yōu)于BFT組有關(guān)，但RAS組單位產(chǎn)量的用水量和餌料系數(shù)依舊高于BFT組。RAS長期運(yùn)行成本過高，短期越冬也許是一種降低成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的可行辦法。BFT系統(tǒng)作為新型零換水養(yǎng)殖模式，其運(yùn)行成本只有曝氣、加熱的耗電與水分消耗的補(bǔ)充，所以要遠(yuǎn)低于RAS模式，且較RAS模式更加節(jié)省飼料成本。但在越冬期羅非魚生長方面的表現(xiàn)不太滿意，還需進(jìn)一步改進(jìn)養(yǎng)殖方式，提高存活率，降低單位產(chǎn)量用電量，獲得更高的收益。