不同養(yǎng)殖模式對南美白對蝦生長性能及腸道菌群的影響

張海耿,吳小茜,姜世豪,宋紅橋,張 賀,於葉兵,張亞雷

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092;2 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092;3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施工程重點實驗室,上海 200092;4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,上海 200092;5 鹽城工學(xué)院海洋與生物工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224000)

南美白對蝦(White pacific shrimp)又稱凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei),隸屬節(jié)肢動物門、甲殼綱、十足目、對蝦屬,自從20世紀(jì)80年代末從國外引進(jìn)后,已成為中國重要的海水養(yǎng)殖品種[1]。2020年,中國南美白對蝦養(yǎng)殖年產(chǎn)量達(dá)到了186.29萬t[2],比2019年增加了2.54%,養(yǎng)殖產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。南美白對蝦的養(yǎng)殖方式主要包括池塘養(yǎng)殖和工廠化養(yǎng)殖,其中,池塘養(yǎng)殖包括土塘露天養(yǎng)殖、高位池養(yǎng)殖和土塘小棚養(yǎng)殖等方式,工廠化養(yǎng)殖包括水泥池流水養(yǎng)殖、水泥池微流水養(yǎng)殖和循環(huán)水養(yǎng)殖方式。目前,中國南美白對蝦以粗放型的池塘養(yǎng)殖為主,該方式易受天氣和環(huán)境的影響,單位水體的養(yǎng)殖產(chǎn)量僅為0.5～1.0 kg/m3[3-4],養(yǎng)殖過程中尾水的排放不僅給環(huán)保帶來了壓力,也提升了南美白對蝦交叉感染病害的可能性[5-6]。

工廠化養(yǎng)殖方式中的水泥池微流水養(yǎng)殖和循環(huán)水養(yǎng)殖常采用一定的水處理手段凈化養(yǎng)殖水體,實現(xiàn)養(yǎng)殖水體的可控可調(diào)及循環(huán)利用,每日換水量一般<10%[7],而單位水體的養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)到了5～15 kg/m3[8-9],且可實現(xiàn)反季節(jié)養(yǎng)殖,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益[10]。該模式在養(yǎng)殖過程中不添加抗生素等殺菌藥物,并配有養(yǎng)殖尾水處理系統(tǒng),具有綠色環(huán)保的優(yōu)勢,有望成為未來南美白對蝦健康可持續(xù)養(yǎng)殖的主流模式[11]。目前,常采用生物絮團(tuán)技術(shù)和生物膜技術(shù)控制養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)鹽的濃度,通過細(xì)菌的生物降解作用實現(xiàn)養(yǎng)殖水體中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化。Carlos等[13]在實驗室規(guī)模下用生物絮團(tuán)技術(shù)養(yǎng)殖南美白對蝦42 d,蝦每周增長體質(zhì)量在0.8 g以上且存活率最高達(dá)到94%。而Ray等[14]在較大的室內(nèi)規(guī)模下建立了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)和生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng),并通過穩(wěn)定同位素來確定蝦的生長性能,最終發(fā)現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)下的南美白對蝦周體質(zhì)量增長和存活率都高于生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

本研究構(gòu)建了一套簡易節(jié)能型南美白對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng),并以生物絮團(tuán)養(yǎng)殖方式為對照組,系統(tǒng)分析了兩組水環(huán)境指標(biāo)變化、南美白對蝦生長性能、腸道菌群差異及生產(chǎn)成本,以期為構(gòu)建高效經(jīng)濟(jì)的南美白對蝦養(yǎng)殖模式提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 南美白對蝦養(yǎng)殖模式構(gòu)建

本研究構(gòu)建了南美白對蝦循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)(Recirculating Aquaculture System,RAS)和生物絮團(tuán)養(yǎng)殖系統(tǒng)(Biofloc System,BS)兩種中試規(guī)模的生產(chǎn)方式。RAS主要由1個養(yǎng)蝦池(方切角形,長17 m、寬15 m、深1.2 m,實際養(yǎng)殖水體200 m3),4臺水泵和4個移動床生物濾器組成,水泵從養(yǎng)蝦池中抽水至移動床生物濾器,而后又從移動床生物濾器流至養(yǎng)蝦池,通過生物濾器控制養(yǎng)殖水體中氨氮等營養(yǎng)鹽的濃度。水泵的流量為10 m3/h,南美白對蝦在生長過程中,水泵的流量從0.5 m3/h逐漸增大至最大值。BS主要由1個養(yǎng)蝦池(實際養(yǎng)殖水體200 m3)組成,無額外水處理設(shè)施。放蝦苗前,先往養(yǎng)蝦池中加入芽孢桿菌進(jìn)行活化,而后加入葡萄糖和飼料進(jìn)行生物絮團(tuán)培養(yǎng),在養(yǎng)殖過程中,通過調(diào)節(jié)碳氮比控制養(yǎng)殖水體中菌群結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)氨氮等營養(yǎng)鹽的去除。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計RAS和BS 2種養(yǎng)殖模式,每種養(yǎng)殖模式包括3個養(yǎng)殖池,共6個養(yǎng)殖池。挑選健康大小均一的南美白對蝦苗60萬尾(初始平均體質(zhì)量0.01 g,平均體長1.15 cm),隨機(jī)分配至6個養(yǎng)殖池中,每個養(yǎng)殖池中放置10萬尾南美白對蝦蝦苗。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 生長指標(biāo)

南美白對蝦測定的生長指標(biāo)包括特定生長率(SSGR,%),飼料系數(shù)(FFCR),增重率(WWG,%),肥滿度(CCF,%)和存活率(SSR,%),其計算公式[15]如下:

SSGR=100 ×(lnW2-lnW1)/(t2-t1)

(1)

FFCR=F/[N2×(W2-W1)]

(2)

WWG=100×(W2-W1)/W1

(3)

(4)

SSR=100×(N1-N2)/N1

(5)

式中:t1和t2為試驗開始和結(jié)束時間,d;W1和W2為試驗t1和t2時的平均體質(zhì)量,kg;N1和N2為試驗開始和結(jié)束時南美白對蝦尾數(shù),尾;F為飼料總投入量,kg;L2為南美白對蝦t2時期體長,cm。

1.3.2 水質(zhì)指標(biāo)測試

1.3.3 腸道菌群分析

采用細(xì)菌通用引物338F和806R對腸道樣品16 s rRNA的V3-V4區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增[16]。擴(kuò)增條件按照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行,將擴(kuò)增產(chǎn)物使用2%瓊脂糖進(jìn)行凝膠電泳分析,并將其在Illumina-MiSeq平臺上進(jìn)行高通量測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 10.0方差分析對南美白對蝦生長性能,水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),選擇Duncan多重比較方法,顯著性水平設(shè)置為P<0.05。腸道菌群樣品采用StudentT檢驗進(jìn)行不同組別在屬水平的顯著性差異分析[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)殖模式下養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo)差異

圖1 不同養(yǎng)殖模式下水體中氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的變化情況Fig.1 Change of ammonia nitrogen,nitrite nitrogen and nitrate in water under different cultivation modes

圖2顯示了不同養(yǎng)殖模式下水體中溫度和溶氧的變化情況,RAS組的平均水溫為28.26±1.26 ℃,BS組的平均水溫為27.88±1.30 ℃,兩種養(yǎng)殖模式下無顯著差異(P>0.05)。養(yǎng)殖周期的最后20 d,由于氣溫下降,水溫也有所下降,兩組的水溫最低下降至21.4 ℃。RAS組的平均溶氧質(zhì)量濃度為6.68±0.44 mg/L,BS組的平均溶氧質(zhì)量濃度為6.36±0.67 mg/L,兩組之間無顯著性差異(P>0.05)。由于在養(yǎng)殖中后期BS組里存在大量的生物絮團(tuán),并且未及時移出養(yǎng)殖池,故養(yǎng)殖池中最低的溶氧質(zhì)量濃度只有5 mg/L,在一定程度上影響了南美白對蝦的生長。

圖2 不同養(yǎng)殖模式下水體中溫度和溶氧變化情況Fig.2 Change of temperature and dissolved oxygen in water under different cultivation modes

圖3顯示了不同養(yǎng)殖模式下水體中pH和堿度的變化情況,由該圖可知,RAS組和BS組的平均pH分別為8.36±0.18和8.29±0.29,兩組之間無顯著差異(P>0.05)。而RAS組的平均堿度為188.93±29.10 mg/L,顯著高于BS組(P<0.05)。

圖3 不同養(yǎng)殖模式下水體中pH和堿度的變化情況Fig.3 Change of pH and alkalinity in water under different cultivation modes

2.2 不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦生長性能差異

表1顯示了不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦生長性能差異,由表1可知,RAS組的南美白對蝦的期末平均體質(zhì)量高于BS組,平均特定生長率達(dá)到(7.40±0.01)%/d,顯著高于BS組(P<0.05)。在養(yǎng)殖過程中,RAS組南美白對蝦的存活率達(dá)到(73.37±1.00)%,顯著高于BS組(P<0.05)。RAS下最終養(yǎng)殖密度達(dá)到5.58±0.06 kg/m3,顯著高于BS組(P<0.05)。不同養(yǎng)殖模式間的飼料系數(shù)和肥滿度無顯著差異(P>0.05)。

表1 不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦生長性能差異Tab.1 Change of growth performance of Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei)under different culture patterns

2.3 不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦腸道菌群組成及差異

采用高通量測序技術(shù)對不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦的腸道菌群進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,共獲得1 103個操作分類單元OTU(Operational taxonomic unit,OTU),RAS模式下共篩選出495個有效OTU,BS模式下共獲得608個有效OTU,其中302個有效OTU兩種模式下都具有(圖4)。

圖4 不同腸道樣品Venn圖Fig.4 Venn diagram of different intestinal samples

表2顯示了不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦腸道門水平群落結(jié)構(gòu)變化。

表2 不同養(yǎng)殖模式下腸道門水平群落結(jié)構(gòu)組成所占比例Tab.2 Proportions of the structural composition of the community at the gut portal level under different culture patterns

由表2可知,兩種養(yǎng)殖模式下篩選出的門種類相同,但門種類的占比有所差異。篩選出的6個門分別為變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和髕骨菌門(Patescibacteria) 。RAS模式下的占比最高的三個門及比例分別為變形菌門(Proteobacteria,40.56%),酸桿菌門(Actinobacteria,31.63%)和綠彎菌門(Chloroflexi,12.91%),而BS模式下占比最高的三個門及比例分別為變形菌門(Proteobacteria,60.75%),酸桿菌門(Actinobacteria,24.30%)和綠彎菌門(Chloroflexi,6.15%)。其中,變形菌門在RAS和BS養(yǎng)殖模式中占據(jù)優(yōu)勢地位。

在屬的水平上,兩種養(yǎng)殖模式下篩選出的屬種類不同。RAS組中豐富度排名前4的菌屬及比例依次是norank_f_JG30_KF_CM45(11.83%)、紅桿菌屬(Rhodobacteraceae,11.33%)、丙酸桿菌屬(Propionibacteriaceae,9.79%)、副球菌屬(Paracoccus,8.33%);而BS組中豐富度排名前4的菌屬及比例依次是下水道球菌屬(Amaricoccus,15.56%)、norank_f_norank_o_PeM15(14.50%)、魯杰氏菌屬(Ruegeria,13.66%)、紅桿菌屬(Rhodobacteraceae,10.33%)。其中,紅桿菌屬(Rhodobacteraceae)在RAS和BS養(yǎng)殖模式中占據(jù)優(yōu)勢地位(圖5)。

圖5 不同養(yǎng)殖模式下腸道屬水平群落結(jié)構(gòu)組成所占比例Fig.5 The proportion of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

圖6顯示了不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦腸道屬水平群落結(jié)構(gòu)差異,由圖6可知,norank_f_JG30_KF_CM45、丙酸桿菌屬(Propionibacteriaceae)、細(xì)桿菌屬(Microbacterium)、白蟻菌屬(Isoptericola)、IIumatobacter、類諾卡氏菌屬(Nocardioides)在RAS養(yǎng)殖模式中的相對豐度極顯著高于BS養(yǎng)殖模式(P<0.05);而魯杰氏菌屬(Ruegeria)、norank_f_norank_o_PeM15、下水道球菌屬(Amaricoccus)、Woeseia、暖繩菌屬(Caldilineaceae)、圓桿菌屬(Cyclobacteriaceae)在BS中的相對豐度極顯著高于RAS(P<0.05)。RAS養(yǎng)殖模式中norank_f_JG30_KF_CM45的豐度最高,BS養(yǎng)殖模式中下水道球菌屬(Amaricoccus)的豐度最高,兩種養(yǎng)殖模式均存在顯著差異(P<0.05)。

圖6 不同養(yǎng)殖模式下腸道屬水平菌群結(jié)構(gòu)差異Fig.6 The differences of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

2.4 不同養(yǎng)殖模式下南美白對蝦生產(chǎn)成本對比

表3顯示了不同養(yǎng)殖模式下生產(chǎn)每斤南美白對蝦的成本,不包括養(yǎng)殖池、大棚設(shè)施建造及租金費(fèi)用。RAS的生產(chǎn)成本主要包括飼料、電費(fèi)、蝦苗、水費(fèi)、設(shè)施折舊等費(fèi)用,以單套系統(tǒng)養(yǎng)殖水體200 m3,養(yǎng)殖密度5.58 kg/m3統(tǒng)計,生產(chǎn)每斤南美白對蝦的成本約為10.41元。BS的生產(chǎn)成本主要包括飼料、電費(fèi)、蝦苗、葡萄糖等費(fèi)用,養(yǎng)殖密度按5.01 kg/m3計算,生產(chǎn)每斤南美白對蝦的成本約為10.16元,略低于RAS養(yǎng)殖模式。

表3 不同養(yǎng)殖模式南美白對蝦每0.5 kg生產(chǎn)成本(元)對比Tab.3 Comparison of per catty production costs of Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei) under different culture systems

3 討論

3.1 不同養(yǎng)殖模式對南美白對蝦生長性能的影響

本試驗比較了中試規(guī)模RAS模式和BS模式下南美白對蝦的生長性能差異,經(jīng)過100 d的飼養(yǎng),兩種養(yǎng)殖模式下最終的養(yǎng)殖密度分別達(dá)到了5.58±0.06 kg/m3和5.01±0.02 kg/m3,RAS組中南美白對蝦的存活率和特定生長率顯著快于BS組,該研究結(jié)果與Andrew等[19]研究相似,其可能是由于兩種模式下養(yǎng)殖水體中水質(zhì)指標(biāo)的差異所致。RAS模式下水體中的氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)主要通過養(yǎng)殖池外的移動床生物濾器去除,由于試驗開始前該生物濾器中的生物膜已成熟,故對養(yǎng)殖水體中的營養(yǎng)鹽去除效率比較穩(wěn)定,在整個試驗過程中,亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度低于1.2 mg/L,而BS組有近20 d試驗周期亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度達(dá)到2 mg/L。養(yǎng)殖水體中亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度對水生動物的生長有一定的抑制作用[20-21],有研究報道體長1.5 cm南美白對蝦的亞硝酸鹽氮安全質(zhì)量濃度為5.71 mg/L[22]。亞硝酸鹽氮脅迫增加了斑節(jié)對蝦幼蝦的蛻皮頻率,但每次蛻皮的體積增量較小,導(dǎo)致生長速度緩慢[23]。在較高的亞硝酸鹽氮水平下,南美白對蝦肝胰腺中的R細(xì)胞數(shù)量(消化酶合成的主要部位)顯著減少,導(dǎo)致限制其生長的代謝能量減少。另外,若南美白對蝦在蛻皮時,養(yǎng)殖水體中的亞硝酸鹽氮濃度高,容易造成亞硝酸鹽中毒,其死亡率也會增加[24-25]。BS模式主要通過調(diào)控碳氮比實現(xiàn)異養(yǎng)細(xì)菌的快速繁殖,養(yǎng)殖水體中的無機(jī)氮主要通過化學(xué)自養(yǎng)細(xì)菌的氧化和異養(yǎng)細(xì)菌的同化去除[26]。本試驗養(yǎng)殖前期,BS組中以異養(yǎng)細(xì)菌占主導(dǎo),故亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度偏高,而后逐漸轉(zhuǎn)為以化學(xué)自養(yǎng)細(xì)菌為主,進(jìn)而實現(xiàn)亞硝酸鹽的有效控制。而一段時間亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度的高居不下,導(dǎo)致了BS組南美白對蝦的存活率降低,進(jìn)而影響其最終的養(yǎng)殖密度。

3.2 不同養(yǎng)殖模式對南美白對蝦腸道菌群的影響

南美白對蝦養(yǎng)殖環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且一直處于動態(tài)變化之中,而外界環(huán)境極易影響南美白對蝦腸道微生物群落結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),腸道細(xì)菌群落的平衡對宿主健康至關(guān)重要[27]。本研究發(fā)現(xiàn)蝦體腸道微生物中變形菌門占比最多,在RAS養(yǎng)殖模式中占比40.56%,在BS養(yǎng)殖模式占比達(dá)60.75%,說明變形菌門在南美白對蝦腸道菌群中占優(yōu)勢地位。這與之前的研究類似,南美白對蝦腸道的優(yōu)勢菌均是變形菌門[28-29]。變形細(xì)菌是所有細(xì)菌中種類最多的一個族群,在水體中分布廣泛具有較強(qiáng)適應(yīng)性[30],其中α-變形菌綱在海水細(xì)菌中尤其重要。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),下水道球菌屬(Amaricoccus)屬于α-變形菌門,它可以通過在無氧環(huán)境中合成大量的碳源貯存物質(zhì)(PHB)來對污水中的有機(jī)物進(jìn)行降解[31]。由于生物絮團(tuán)可作為飼料被南美白對蝦食用,因此對蝦腸道內(nèi)可能存在與生物絮團(tuán)相同的某些菌。下水道球菌屬(Amaricoccus)在對蝦腸道內(nèi)的出現(xiàn)說明了養(yǎng)殖環(huán)境對南美白對蝦腸道菌群的影響。變形菌門在健康的蝦腸道中占比較多,可作為指示物種,被用來判斷蝦生長是否健康[32-33]。本試驗中,norank_f_JG30_KF_CM45在RAS養(yǎng)殖模式中的豐度最高,屬于綠彎菌門。綠彎菌門為兼性厭氧菌,可以進(jìn)行光合作用,具有異養(yǎng)同化功能。這種細(xì)菌在對蝦腸道中出現(xiàn)表明它是作為水生環(huán)境中的菌群進(jìn)入對蝦腸道的。綜上所述,養(yǎng)殖模式的差異影響了南美白對蝦腸道內(nèi)的優(yōu)勢菌門和優(yōu)勢菌屬的豐度。

4 結(jié)論