循環(huán)水系統(tǒng)結(jié)合魚菜、紫外處理對鏡鯉生長及水質(zhì)的影響

羅小龍，Abdessan Rauan，邢君霞，李漢東，吉 紅

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料研究室，陜西咸陽712100)

水產(chǎn)品在人類食物結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，是主要蛋白源之一[1]。隨著人們對水產(chǎn)品需求的持續(xù)增加及環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖方式已不能滿足人們對水產(chǎn)品質(zhì)的需求。集約化工廠循環(huán)水養(yǎng)殖相對傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖其優(yōu)點(diǎn)在于單位產(chǎn)量高，并可結(jié)合水處理技術(shù)，充分循環(huán)利用水資源[2]。但此方法不能充分回收利用水中營養(yǎng)物質(zhì)，如氮元素會以硝酸鹽形式留在水體，或通過微生物將氮元素轉(zhuǎn)化為N2O等溫室氣體釋放至空氣中，對大氣造成污染[3-5]。養(yǎng)殖系統(tǒng)中硝酸鹽含量過度積累不僅造成了營養(yǎng)素的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且還會對魚類的生長、健康及代謝造成影響[6-8]。

魚菜共生系統(tǒng)是將水產(chǎn)養(yǎng)殖與水培蔬菜種植有機(jī)結(jié)合的一種新型綠色健康的養(yǎng)殖模式，蔬菜吸收養(yǎng)殖水體中剩余營養(yǎng)元素供其生長，凈化養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)，使養(yǎng)殖水體在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢水零排放。因其具有更好的節(jié)水性、環(huán)保性且產(chǎn)出蔬菜副產(chǎn)品等特點(diǎn)，魚菜共生系統(tǒng)在全球廣泛應(yīng)用[9]。

另一方面，在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，因病原微生物等引起一系列病害對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成了嚴(yán)重?fù)p失，制約了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[10]。研究表明，紫外燈消毒技術(shù)相對于化學(xué)消毒法具有安全、高效、無二次污染且具有維護(hù)簡單、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，其在水產(chǎn)養(yǎng)殖中廣泛運(yùn)用[11]。Moriarty等[12]發(fā)現(xiàn)，魚菜共生系統(tǒng)中紫外燈的使用能降低大腸桿菌的生物量，但并未提及是否會對水質(zhì)、蔬菜及魚類生長造成影響。

針對以上問題，本研究模擬工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，并耦合水培蔬菜單元及紫外燈對系統(tǒng)處理，研究不同處理模式對鏡鯉生長及水質(zhì)的影響，為優(yōu)化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用魚與飼料

試驗(yàn)魚為西北農(nóng)林科技大學(xué)安康水產(chǎn)試驗(yàn)示范站同一批健康二齡鏡鯉，均重為253.78 g，實(shí)驗(yàn)開始時，將54尾試驗(yàn)魚放入9個缸，每缸6尾，初始密度為10.7 kg/m3。實(shí)驗(yàn)用的鯉漂浮商品飼料購自陜西三旺農(nóng)牧有限公司，粒徑為3.0 mm，粗蛋白含量27.56%，粗脂肪含量2.94%。使用自動投食器每天6:30、14:30、22:30定時定量投喂6周，每日投喂量為魚體重的1.2%。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

本試驗(yàn)在陜西省咸陽市楊凌區(qū)的西北農(nóng)林科技大學(xué)水產(chǎn)動物營養(yǎng)與飼料試驗(yàn)基地的溫室大棚進(jìn)行(2018.9.3-2018.10.12)。試驗(yàn)養(yǎng)殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)水從魚池頂部進(jìn)入(每個魚池150 L，底部內(nèi)徑48 cm，桶口內(nèi)徑58 cm，高73 cm)，利用虹吸原理將聚集于魚池底部的魚糞和殘餌排出，進(jìn)入物理過濾桶(50 L，底部內(nèi)徑34 cm，桶口內(nèi)徑41 cm，高43 cm)將魚糞分離，過濾的水流入硝化桶(50 L)，內(nèi)部放有濾材K1，供硝化細(xì)菌附著，加氧曝氣進(jìn)行硝化反應(yīng)，產(chǎn)生植物生長所需要的硝酸鹽；富含營養(yǎng)鹽的水流入菜池(300 L，850 cm×650 cm×59 cm)后進(jìn)入蓄水池；再使用25 W可調(diào)節(jié)水泵將過濾完的水重新泵回魚池，每個魚池的流量為1.35 L/min。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)分為三個組，循環(huán)水組、魚菜組及魚菜紫外燈組。三個系統(tǒng)中水循環(huán)方式均相同，循環(huán)水組菜池浮板不種植葉用萵苣也不用紫外燈處理；魚菜組菜池浮板上種植葉用萵苣，不用紫外燈處理；魚菜紫外燈組菜池浮板上種植葉用萵苣并使用紫外燈處理。在魚菜紫外燈組，將5W紫外燈置于菜池進(jìn)入蓄水池的管道中，每日20:00-22:00間歇式開啟紫外燈。正式試驗(yàn)前10天，將葉用萵苣種子置于定植杯中，并將定植杯置于菜池浮板中，菜池中共放置24株葉用萵苣。養(yǎng)殖試驗(yàn)時間為6周。

1.4 試驗(yàn)魚生長指標(biāo)測定

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，將所有處理試驗(yàn)魚禁食24 h后，先對實(shí)驗(yàn)魚用MS-222(100 mg/kg)麻醉處理，每尾魚稱重并測體長、全長；每缸隨機(jī)取2尾魚，作為全魚末樣；每缸取4尾魚側(cè)線上方不含魚皮的肌肉及其肝臟用于基本組分分析，解剖后測量腸長、稱量空殼、肝胰臟、腹腔脂肪、腸及脾臟重等進(jìn)行生長及生物學(xué)性狀計算。計算公式如下：

增重率 (WGR)=(Wt-W0)/W0×100%；

特定生長率 (SGR)=[lnWt-lnW0]/t×100%；

飼料系數(shù) (FCR)=F/(TWt-TW0)；

臟體比 (VSI)=[Wt-W1]/Wt×100%；

肝體比 (HSI)=W2/Wt×100；

腹腔脂肪指數(shù) (IFI)=W3/Wt×100%；

腸體比 (RGL)=L1/L；

脾體比 (SI)=W4/Wt×100%；

腎體比 (KI)=W5/Wt×100%；

肥滿度 (CF)=Wt/L3×100

式中W0為初始體重(g)，Wt為終末體重(g)，TWt為終末魚體總重，TW0為初始總重，F(xiàn)為攝食量(g)，t為飼養(yǎng)天數(shù)(d)，W1為魚胴體質(zhì)量(g)，W2為肝臟重(g)，W3為腹腔脂肪重(g)，W4為脾臟重(g)，W5為腎臟重(g)，L1為腸道長度(cm)，L為魚體長(cm)。

1.5 體成分測定

飼料、肝臟、肌肉及全魚的基本組分含量測定參考(AOAC)方法[13]，水分測定采用105 ℃烘干至恒重；粗蛋白含量采用凱氏定氮法測定；粗脂肪含量采用索氏抽提法測定；粗灰分含量采用550 ℃馬弗爐灼燒法測定。

1.6 水體細(xì)菌含量測定

每兩周在養(yǎng)殖系統(tǒng)的蓄水池、魚池和菜池收集10 mL水樣用于水體細(xì)菌含量測定，水樣收集所用玻璃瓶在采樣之前用高壓滅菌處理并做密封直至使用。細(xì)菌計數(shù)在無菌環(huán)境下進(jìn)行。將1 mL樣品涂布在3M PeterifilmTM(菌落總數(shù)測試片)上，一個紅色圓圈代表一個菌落。在35 ℃溫育48 h后計數(shù)菌落，計數(shù)表示為每毫升菌落形成單位(CFU)。

1.7 葉用萵苣生長指標(biāo)測定

試驗(yàn)結(jié)束后，測量每株葉用萵苣葉長、葉重、株重以及根重，葉片在105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后測其干重。

1.8 系統(tǒng)水樣采集及其理化指標(biāo)測定

1.9 數(shù)據(jù)處理和分析方法

結(jié)果中所示數(shù)據(jù)均為各處理組內(nèi)重復(fù)試驗(yàn)的平均值，采用 SPSS21.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，因三組間影響因素有兩個，故采用T檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較，以P<0.05作為差異顯著水平，描述性統(tǒng)計值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。采用Excel2007對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，使用GraphPad Prism 6.0對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行柱狀圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對鏡鯉生長性能、生物學(xué)性狀及基本成分的影響

不同處理對鏡鯉的生長和形體指標(biāo)的影響見表1，結(jié)果顯示各組間鏡鯉增重率、特定生長率及飼料系數(shù)均無顯著性差異。魚菜組和魚菜紫外燈組魚體腸體比顯著低于循環(huán)水組。不同處理間魚體臟體比、肝體比、腹腔脂肪指數(shù)、脾體比、腎體比、肥滿度均無顯著差異。

鏡鯉全魚、肌肉以及肝臟的基本組分如表2所示。魚菜組鏡鯉全魚粗蛋白和粗脂肪顯著高于循環(huán)水組，循環(huán)水組肝臟粗蛋白顯著高于魚菜組，其余指標(biāo)在各組之間均無顯著性差異。

2.2 魚菜共生系統(tǒng)中使用紫外燈對葉用萵苣生長及細(xì)菌數(shù)量的影響

魚菜共生系統(tǒng)中使用紫外燈對葉用萵苣生長及細(xì)菌數(shù)量的影響結(jié)果見表3。系統(tǒng)中紫外燈的使用未對水培葉用萵苣葉片長度、葉片濕重、數(shù)量及產(chǎn)量造成顯著影響。魚菜共生系統(tǒng)中使用紫外燈對系統(tǒng)水體間歇式處理后顯著降低了水體中的細(xì)菌數(shù)量，第一周魚菜組及魚菜紫外燈組細(xì)菌菌落數(shù)分別為2 554.33 CFU/mL和2 373.00 CFU/mL；第三周魚菜組細(xì)菌菌落數(shù)(7 270.00 CFU/mL)顯著高于魚菜紫外燈組(2 394.00 CFU/mL)；第五周魚菜紫外燈組細(xì)菌菌落數(shù)(5 908.33 CFU/mL)顯著高于魚菜組(4 331.67 CFU/mL)。

2.3 系統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)

由表4可知，試驗(yàn)期間各處理組在養(yǎng)殖水體溶氧、pH及TDS的平均濃度均無顯著差異。循環(huán)水組溶氧、pH及TDS分別為(7.38±0.73)mg/L、6.42±0.40、(930.81±88.28)mg/L；魚菜組分別為(7.48±0.65)mg/L、6.54±0.41、(896.10±81.27)mg/L；魚菜紫外燈組分別為(7.63±0.64)mg/L、6.60±0.36、(883.48±80.69)mg/L。溶氧和pH均在鏡鯉正常生長范圍內(nèi)，隨著試驗(yàn)周期延長，鏡鯉持續(xù)消耗飼料并代謝產(chǎn)生廢物，導(dǎo)致水中總?cè)芙夤腆w逐漸升高。

表1 不同處理對鏡鯉生長和生物學(xué)性狀的影響Tab.1 Effects of different treatment on growth performance and biological characteristics of C.var.specularis

注：同行標(biāo)注不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 不同處理對鏡鯉體組成的影響Tab.2 Effects of different treatment on body composition of mirror C.var.specularis %

表3 魚菜共生系統(tǒng)中使用紫外燈對葉用萵苣生長及細(xì)菌數(shù)量的影響Tab.3 Effects of UV lamp in aquaponics system on growth performance of lettuce and number of bacteria

注：表中數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示(葉用萵苣n=24，細(xì)菌菌落測試n=3)。

表4 不同處理對DO、pH及TDS的影響Tab.4 Effect of different treatments on water DO、pH and TDS

試驗(yàn)期間系統(tǒng)水體營養(yǎng)鹽及其他水質(zhì)參數(shù)變化情況如圖2。各組魚池中氨氮的含量在0.96～2.92 mg/L，魚菜組魚池氨氮含量相對于循環(huán)水組在第1周、第4周及第6周顯著下降，魚菜組氨氮含量與魚菜紫外燈組差異不顯著。各組魚池亞硝酸鹽氮含量在0.0028～0.22 mg/L，各組變化趨勢相同且無顯著性差異。魚池硝酸鹽氮含量在21.64～80.09 mg/L之間，從第1周開始循環(huán)水系統(tǒng)中耦合的蔬菜吸收硝酸鹽氮速度加快，導(dǎo)致魚菜組硝酸鹽氮含量顯著低于循環(huán)水組，魚菜紫外燈組硝酸鹽氮含量第1周、第3周時顯著高于魚菜組，試驗(yàn)結(jié)束時循環(huán)水組、魚菜組及魚菜紫外燈組硝酸鹽氮含量分別為84.09、63.47和64.04 mg/L。各組魚池總氮含量在10.60～78.42 mg/L之間，第4周、第5周及第6周循環(huán)水組總氮含量顯著高于魚菜組，魚菜紫外燈組總氮含量在第4周、第5周和第6周時顯著高于魚菜組。各系統(tǒng)中魚池總磷含量在15.18～29.98 mg/L之間，循環(huán)水系統(tǒng)中總磷的含量在第3～6周顯著高于魚菜組，魚菜紫外燈組總磷含量在第4～6周顯著高于魚菜組。

圖2 不同處理對氨氮(A)、亞硝酸鹽氮(B)、硝酸鹽氮(C)、總氮(D)及總磷(E)的影響Fig.2 Effect of different treatments on

3 討論

3.1 不同處理對鏡鯉生長及基本組分的影響

Bj?rn等[15]研究發(fā)現(xiàn)，相對于循環(huán)水養(yǎng)殖，系統(tǒng)中耦合水培蔬菜不會對尖齒胡鯰(ClariasgariepinusBurchell)的生長造成影響，并且系統(tǒng)耦合水培蔬菜單元后會明顯降低鯰互相攻擊造成的外傷數(shù)量，表明魚類和植物的共同養(yǎng)殖可能有利于提高魚類的福利。方彰勝等[16]的研究結(jié)果表明精養(yǎng)水體結(jié)合水培蔬菜浮床可顯著提高羅非魚(OreochromisniloticusL.)增重率和成活率。本研究結(jié)果表明不同處理方式對鏡鯉腸體比有一定影響，不同研究者得出的結(jié)論存在差異可能由魚的種類、生理狀態(tài)、飼料組成、養(yǎng)殖周期及養(yǎng)殖條件等不同引起的。

蛋白質(zhì)、脂肪及礦物元素是魚體的主要營養(yǎng)成分。葉鴿等[17]研究發(fā)現(xiàn)，魚菜共生模式下羅非魚肉質(zhì)的鮮味顯著優(yōu)于純投料模式，并且魚菜共生模式羅非魚肉粗蛋白低于純投料模式。邵俊杰等[18]研究發(fā)現(xiàn)，相對于水泥池塘高密度循環(huán)水和水泥池塘養(yǎng)殖模式可顯著提高斑點(diǎn)叉尾(Ictaluruspunctatus)蛋白質(zhì)含量。本試驗(yàn)中魚菜組全魚粗蛋白和粗脂肪顯著高于循環(huán)水組，說明不同養(yǎng)殖模式會影響魚體基本組分。

3.2 紫外燈處理魚菜共生系統(tǒng)對葉用萵苣生長及菌落總數(shù)的影響

細(xì)菌通過將魚代謝產(chǎn)生的有機(jī)廢物轉(zhuǎn)化為無機(jī)營養(yǎng)鹽供給蔬菜生長，使魚菜共生系統(tǒng)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是魚菜共生系統(tǒng)中十分重要的組成部分。為防止有害菌影響水產(chǎn)養(yǎng)殖，常進(jìn)行殺菌處理。當(dāng)微生物暴露在紫外線中，使核酸突變，其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成均受到阻礙，從而導(dǎo)致微生物死亡[21]。Moriarty等[12]研究發(fā)現(xiàn)在魚菜共生系統(tǒng)中紫外燈對大腸桿菌的滅活十分有效，系統(tǒng)產(chǎn)出的蔬菜中也未檢測到大腸桿菌，使食品安全有了更好的保障。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，每天使用紫外燈對系統(tǒng)消毒2小時可顯著降低系統(tǒng)細(xì)菌總數(shù)。

3.3 不同處理對系統(tǒng)水質(zhì)的影響

根據(jù)聯(lián)合國魚菜共生指導(dǎo)文件，魚菜共生系統(tǒng)中綜合考慮魚類和植物生長以及硝化細(xì)菌的硝化反應(yīng)的條件，系統(tǒng)最適溫度為18～30 ℃，最適pH 6～7，最適溶氧大于5 mg/L，最適TDS低于800 mg/L[22]。試驗(yàn)期間，三個組的溶氧都達(dá)到5 mg/L以上，pH在5.74～7.59內(nèi)，滿足魚類、植物及細(xì)菌的生長需要。魚菜共生系統(tǒng)中氮循環(huán)非常重要，循環(huán)過程中包括氨化作用、硝化作用及反硝化作用。殘餌及魚類排泄物等有機(jī)物質(zhì)被微生物分解為氨態(tài)氮的過程為氨化，水中氨氮以非離子氨和銨鹽兩種形態(tài)存在，并受pH和溫度影響其動態(tài)平衡。氨態(tài)氮由好氧微生物氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的生物反應(yīng)為硝化作用。硝酸鹽通過微生物還原為亞硝酸鹽、一氧化氮、一氧化二氮及氮?dú)獾纳锓磻?yīng)被稱為反硝化作用。蔬菜生長會吸收部分銨鹽和硝酸鹽，因此魚菜系統(tǒng)中氨氮、硝酸鹽氮、總磷及總氮顯著低于循環(huán)水組，此結(jié)果與邵俊杰等[18]的結(jié)果一致。紫外燈處理魚菜共生系統(tǒng)后期，魚菜紫外燈組總磷總氮含量顯著高于魚菜組，可能由于紫外殺菌作用降低水中參與氮循環(huán)的微生物的數(shù)量導(dǎo)致。合適的魚菜比例對于系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要，Buzby等[23]以及Racoky等[24]研究發(fā)現(xiàn)，植物生長過程中不同階段對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速率不同，因而采用統(tǒng)一播種統(tǒng)一收割，不利于提高魚菜共生系統(tǒng)的穩(wěn)定及營養(yǎng)物質(zhì)平衡。序批式種植會出現(xiàn)植物營養(yǎng)物質(zhì)缺乏現(xiàn)象，而交叉式種植能夠?qū)崿F(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的均勻利用[25]。試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)水系統(tǒng)在溫度等條件適宜情況下，結(jié)合水培蔬菜可以降低水中營養(yǎng)元素的水平，并且系統(tǒng)中紫外燈的使用也會影響系統(tǒng)中營養(yǎng)元素的水平。