嚴(yán)正凜劉瑞義嚴(yán)志洪胡家財(cái)張 靜
(1.集美大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,福建 廈門(mén)361021;2.福安縣水產(chǎn)科學(xué)技術(shù)推廣站,福建 寧德355000;3.秀嶼區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站,福建 莆田351146)
海水池塘養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要組成部分。在集約化池塘養(yǎng)殖中,如何有效減少殘餌等有機(jī)物的積累與控制氨氮的濃度,即如何使得氨氮濃度在養(yǎng)殖動(dòng)物最適宜的范圍內(nèi),是池塘養(yǎng)殖管理的核心問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)多年的深入實(shí)踐與研究,闡明了海水池塘養(yǎng)殖中關(guān)鍵水質(zhì)因子氨氮的變化規(guī)律、調(diào)控機(jī)理及對(duì)微生物、氧氣、pH、微藻等相關(guān)因子的影響,進(jìn)而建立了采用穩(wěn)定微生物相、增氧、穩(wěn)定微藻相、穩(wěn)定pH值、提高碳氮比等綜合方法以暢通氨化作用和硝化作用通道的水質(zhì)調(diào)控技術(shù),并與魚(yú)蝦貝多營(yíng)養(yǎng)層次生態(tài)混養(yǎng)模式有機(jī)結(jié)合,形成了海水池塘養(yǎng)殖綜合調(diào)控技術(shù),使得池塘水質(zhì)穩(wěn)定良好,物質(zhì)和能量良性循環(huán)轉(zhuǎn)換與高效利用,養(yǎng)殖尾水達(dá)標(biāo)排放。本文詳盡闡明了氨氮在池塘養(yǎng)殖水體中的變化規(guī)律、調(diào)控機(jī)理以及對(duì)相關(guān)因子的影響,為集約化池塘養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控技術(shù)提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。
氨氮由非離子氨(NH3)和離子銨(NH4+)2種形式組成。由于非離子氨為非極性化合物,不帶電荷,有相當(dāng)大的脂溶性,半徑較小,容易穿透細(xì)胞膜毒害組織,其毒性為離子銨的50倍,所以氨氮的毒性主要集中在非離子氨上。而亞硝酸鹽是養(yǎng)殖水體中另一種常見(jiàn)的含氮毒性污染物,主要由氨經(jīng)過(guò)亞硝化細(xì)菌的轉(zhuǎn)化而來(lái)。氨氮濃度的大小是形成亞硝酸鹽積累的重要原因。水中亞硝酸鹽濃度過(guò)高對(duì)魚(yú)蝦會(huì)產(chǎn)生毒害,主要表現(xiàn)在影響魚(yú)蝦體內(nèi)氧的運(yùn)輸、重要化合物的氧化及損壞器官。一般認(rèn)為養(yǎng)殖對(duì)象可承受的范圍為:TAN<0.5mg/L,NO2--N<0.5mg/L。
氮循環(huán)中許多氧化還原反應(yīng)是在微生物的新陳代謝過(guò)程中進(jìn)行的。自養(yǎng)硝化細(xì)菌降解氨態(tài)氮分2個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又聯(lián)系緊密的階段:
第一個(gè)階段將NH3氧化為NO2-,這個(gè)階段稱(chēng)為亞硝化作用或氨氧化作用,由亞硝化細(xì)菌來(lái)完成:
第二個(gè)階段將NO2-氧化為NO3-,由硝化細(xì)菌來(lái)完成:2HNO2+O2→2HNO3+能量。
可見(jiàn),硝化作用是微生物亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌在有氧條件下進(jìn)行的反應(yīng)。溶解氧是水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的生命要素,是影響微生物代謝的重要因素。硝化細(xì)菌是一種喜歡氧的細(xì)菌,在缺氧的情況下硝化細(xì)菌無(wú)法高效吸收氨及亞硝酸鹽。
NH4+在水中最根本的反應(yīng)是:
pH值高時(shí),意味著OH-多,發(fā)生反應(yīng)(1),離子態(tài)銨氮向非離子氨轉(zhuǎn)化;pH值低時(shí),意味著H+多,發(fā)生反應(yīng)(2),非離子氨向離子態(tài)銨轉(zhuǎn)化。
反過(guò)來(lái)考慮,當(dāng)離子態(tài)銨NH4+濃度較高時(shí),第一個(gè)反應(yīng)向正反應(yīng)非離子氨NH3方向移動(dòng),則OH-濃度降低,pH值降低,偏酸性;當(dāng)非離子氨NH3較高時(shí),第二個(gè)反應(yīng)向正反應(yīng)離子態(tài)銨NH4+方向移動(dòng),則H+濃度降低,pH值升高,偏堿性。這說(shuō)明非離子氨和離子態(tài)濃度對(duì)pH的影響。
pH值對(duì)亞硝酸鹽積累的影響有兩方面:一方面是亞硝酸菌本身生長(zhǎng)需要有合適的pH環(huán)境,另一方面是由于高pH下非離子氨的生成,從而抑制了硝酸菌的活性。由此可見(jiàn),pH值不僅對(duì)硝化菌的生長(zhǎng)有影響,而且還影響非離子氨濃度,從而影響硝化細(xì)菌的活性和硝化類(lèi)型。氨化作用、硝化作用、固氮作用都以弱堿pH值7.0-8.5最適宜。
可見(jiàn),pH值對(duì)氨化作用和硝化作用有很大影響。
微藻是養(yǎng)殖池塘水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者,對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定的水環(huán)境發(fā)揮著重要作用。微藻可吸收和轉(zhuǎn)化水體中的氨氮(NH3-N+NH4+-N)、亞硝酸氮(NO2--N)等營(yíng)養(yǎng)鹽,有效地調(diào)節(jié)水質(zhì),其經(jīng)光合作用合成的有機(jī)物,可再通過(guò)養(yǎng)殖動(dòng)物食物鏈來(lái)影響水生生態(tài)系統(tǒng),并可調(diào)節(jié)養(yǎng)殖池塘水體的溶解氧含量。
池塘養(yǎng)殖最頭疼的問(wèn)題之一就是池塘“倒藻”。發(fā)生"倒藻"時(shí),首先溶解氧會(huì)下降,二氧化碳會(huì)增加,使pH值迅速下降。其次,氨氮、亞硝酸鹽偏高。藻類(lèi)含有大量的蛋白質(zhì),死亡之后會(huì)在微生物的作用下進(jìn)行氨化反應(yīng)生成氨氮,繼而進(jìn)行硝化反應(yīng)生成亞硝酸鹽和硝酸鹽。亞硝酸鹽是氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的中間產(chǎn)物,對(duì)魚(yú)蝦毒性較強(qiáng),是誘發(fā)疾病的重要因素。在氧氣充分、水體中N積累不是過(guò)多的情況下,亞硝酸鹽很容易轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。
藍(lán)藻適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)于環(huán)境條件要求低,對(duì)溶氧下降等情況有較強(qiáng)的耐性。“倒藻”后,氨氮、亞硝酸鹽升高。藍(lán)藻能夠耐受氨氮、亞硝酸鹽,同時(shí)可以利用它們快速生長(zhǎng),導(dǎo)致藍(lán)藻爆發(fā)。
水中的微生物會(huì)大量繁殖,反過(guò)來(lái)抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng)。在池塘生態(tài)系統(tǒng)中,藻類(lèi)的種群和數(shù)量(即藻相)與微生物的種群和數(shù)量(即微生物相)是密切相關(guān)的。微生物通過(guò)其自身分泌物的直接作用或通過(guò)其自身代謝產(chǎn)物的間接作用而影響藻相;同時(shí),藻類(lèi)通過(guò)在池塘中的光合作用而影響微生物相,進(jìn)而影響氨氮及亞硝酸氮的。
池塘中生物呼吸產(chǎn)生二氧化碳,pH值下降,藻類(lèi)或植物光合作用消耗二氧化碳,pH值上升。池塘中的生物呼吸可以看成是24小時(shí)連續(xù)進(jìn)行的,而光合作用則是隨著白天日光輻射增加而增加,而晚上則停止。而引起池塘水體pH變化的原因是水體中生物活動(dòng)(呼吸作用和光合作用)導(dǎo)致溶解的無(wú)機(jī)碳(DIC,包括游離CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-)濃度變化所造成的。當(dāng)呼吸作用大于光合作用時(shí)(夜間),DIC增加,pH值下降;當(dāng)光合作用大于呼吸作用時(shí)(白天),DIC減少,pH值上升。藻類(lèi)光合作用對(duì)pH的影響是最大的。
pH值變化是隨著[CO2]而變化的,單位CO2變化所引起的pH變化幅度取決于總堿度的濃度,總堿度越高,pH變化幅度越小。也就是說(shuō),總堿度對(duì)pH有比較強(qiáng)的緩沖作用。在水中,總碳酸包含了HCO3-和CO32-。水體中的總碳酸當(dāng)量約等于總堿度(總堿度約等于HCO3-+兩倍CO32-)。
HCO3-在三種形態(tài)的碳酸化合物的總量中占80%以上。也就是說(shuō),天然水中的碳酸化合物主要以HCO3-的形式存在,CO2、H2CO3的濃度相對(duì)較低。pH值的大小,主要由水體中CO2、CO32-、HCO3-濃度的比例決定(CO2通過(guò)影響CO32-鹽與HCO3-鹽的含量來(lái)影響水體pH),而水體中的CO2、HCO3-、CO32-是可以相互轉(zhuǎn)化的。
高Ca2+水體碳酸含量低,CaCO3含量也低;高碳酸水體Ca2+低,CaCO3含量也低。從水體穩(wěn)定性能來(lái)看,Ca2+濃度大約等于CO32-的水體,其緩沖能力最強(qiáng)。所以,高Ca2+低CO32-或低Ca2+高CO32-的水體緩沖能力都偏低。因此,在適應(yīng)于水產(chǎn)養(yǎng)殖的pH范圍內(nèi),八大離子中只有CaCO3會(huì)隨著pH的變化而發(fā)生沉淀與溶解。
一般情況下,在堿度、硬度低的池塘水體中,CO2供應(yīng)不足,光合作用效率低,氨氮往往偏高。高氨氮再加上高pH值,猶如雪上加霜,容易造成養(yǎng)殖動(dòng)物氨中毒。
pH值的變化對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物和水體水質(zhì)均有很大的影響。海水養(yǎng)殖pH值一般控制在7.5~8.5。每一種水生生物都有適合其生長(zhǎng)的最佳pH范圍,超過(guò)這個(gè)范圍,其生長(zhǎng)都會(huì)受到抑制,甚至死亡。
氨氮過(guò)剩是集約化海水養(yǎng)殖池塘中常見(jiàn)的水質(zhì)問(wèn)題,其本質(zhì)就是氮過(guò)剩、碳不足,即碳氮失衡。因?yàn)楣夂献饔靡呀?jīng)不能完全同化所產(chǎn)生的氨氮,而大量增氧的高濃度氧的存在限制了池塘中的生物脫氮。碳能不足造成池塘水體中的生物種群饑荒,從而引發(fā)各種各樣的細(xì)菌病和寄生蟲(chóng)病。
池塘的承載能力由生產(chǎn)力決定。所謂生產(chǎn)力,是有機(jī)碳和氧的輸入。對(duì)于高密度養(yǎng)殖來(lái)說(shuō),池塘中所產(chǎn)生的氨氮可通過(guò)天然生產(chǎn)力加人工生產(chǎn)力來(lái)解決:
天然生產(chǎn)力:16NH4++92CO2+92H2O+14HCO3-+H3PO4→C106H263O110N16P+106O2
人工生產(chǎn)力:NH4++7.08CH2O+HCO3-+2.06O2→C5H7O2N+6.06H2O+3.07CO2
天然生產(chǎn)力是利用光合作用將氨氮轉(zhuǎn)化為藻體蛋白:C106H263O110N16P;人工生產(chǎn)力是通過(guò)人工輸入碳水化合物和氧氣將氨氮轉(zhuǎn)化為菌體蛋白:C5H7O2N。
只要總生產(chǎn)力與氨氮負(fù)荷相適應(yīng),就可以維持池塘的正常生態(tài)系統(tǒng),保持良好的水環(huán)境,避免養(yǎng)殖動(dòng)物病害的發(fā)生。
多年實(shí)踐表明,在海水池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中,準(zhǔn)確把握池水中的氨氮變化規(guī)律及調(diào)控機(jī)理,應(yīng)用水質(zhì)調(diào)控技術(shù)與魚(yú)蝦貝多營(yíng)養(yǎng)層次生態(tài)混養(yǎng)模式相結(jié)合的綜合調(diào)控技術(shù),可使得養(yǎng)殖水體中的非離子氨濃度NH3≤0.02mg/L,無(wú)機(jī)氮濃度(以N計(jì))≤0.5mg/L,氨氮含量保持在適宜養(yǎng)殖動(dòng)物生長(zhǎng)的范圍之內(nèi),未發(fā)生“倒藻”,池塘水質(zhì)穩(wěn)定良好,養(yǎng)殖病害大大減少;年畝產(chǎn)值在15000元以上,經(jīng)濟(jì)效益提高50%以上,取得了顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。