蝦夷扇貝育苗投餌設(shè)備的設(shè)計與研究*

李海東 ， 劉家印 ， 葉竹喬 ， 母 剛，，

（1.大連海洋大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 大連 116000；2.遼寧省海洋漁業(yè)裝備專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116000；3.設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實驗室（大連海洋大學(xué)），遼寧 大連 116000）

0 前言

扇貝是中國重要的養(yǎng)殖貝類之一，2022 年中國扇貝養(yǎng)殖面積達(dá)到3.8×105hm2，占全國貝類總養(yǎng)殖面積的31%[1]。扇貝作為一種濾食性生物，在自然界中主要以微藻為食，在扇貝養(yǎng)殖的育苗環(huán)節(jié)中，微藻被廣泛用作扇貝幼苗的主要餌料[2-3]。在傳統(tǒng)的扇貝人工育苗過程中，需專門配備餌料車間來提供微藻，技術(shù)人員通過觀察水體顏色或用顯微鏡觀察來判斷微藻培養(yǎng)池中微藻濃度是否達(dá)到投喂標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)扇貝育苗池中餌料消耗程度決定微藻投喂量[4]。扇貝育苗過程中，投餌量決定扇貝育苗的生長狀態(tài)，投餌量過小會導(dǎo)致扇貝育苗發(fā)育遲緩，延誤生產(chǎn)周期，投餌量過大則會污染水質(zhì)[5-6]。

人工投喂方式依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗，投餌量難以標(biāo)準(zhǔn)化，且技術(shù)人員檢測微藻培養(yǎng)池與扇貝育苗池的微藻量時一般采用抽檢方式，造成扇貝育苗過程中投餌量不精準(zhǔn)、扇貝育苗周期難以掌控等問題，增加扇貝育苗的生產(chǎn)成本[7]。為解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、布局合理，能夠?qū)︷D料車間和育苗池內(nèi)的微藻濃度進(jìn)行實時檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果實現(xiàn)針對不同種類、不同濃度的微藻配置，實現(xiàn)扇貝育苗自動精準(zhǔn)投餌的設(shè)備。

同時，為了能精準(zhǔn)檢測微藻濃度，保證投餌量的精準(zhǔn)度，找到一種能在線自動檢測微藻濃度（即微藻生物量）的方法至關(guān)重要。目前，檢測微藻生物量的方法有很多，如血球板計數(shù)法、光密度法、葉綠素?zé)晒夥?、高光譜成像法、濁度法等。血球板計數(shù)法是最常用的方法之一，血球板計數(shù)法簡單可靠，但是不能直接用于微藻生物量檢測，若采用機(jī)器視覺代替人工計數(shù)，計數(shù)難度較大、可靠性低且成本較高。葉綠素?zé)晒夥ê头止夤舛确z測微藻生物量的原理都是依據(jù)微藻細(xì)胞中的葉綠素含量估算微藻生物量，早在2000 年，陳宇煒等[8]就在用葉綠素a 的含量來標(biāo)記浮游植物的含量，但此方法采用乙醇等化學(xué)試劑提取植物細(xì)胞中的葉綠素來檢測其生物量，不能用于微藻生物量的在線檢測。駱巧琦等[9]依據(jù)分光光度法發(fā)明了一種快速檢測微藻生物量的方法，該研究基于光密度法的導(dǎo)數(shù)模型，對金藻、扁藻等微藻的全生長周期的葉綠素擬合度都高于98%，但是此方法成本較高，結(jié)果處理煩瑣，無法實現(xiàn)微藻生物量的快速在線檢測。李建誼等[10]設(shè)計了一種新型葉綠素?zé)晒鈾z測儀，微藻生物量檢測的準(zhǔn)確率可達(dá)到99.83%，但藻中的溫度、鹽度等外部因素會影響微藻葉綠素含量，因此使用葉綠素?zé)晒鈨x檢測無法實現(xiàn)微藻生物量的精準(zhǔn)測量。高光譜成像技術(shù)通常用于湖泊河流等富營養(yǎng)化的預(yù)警與檢測，這種技術(shù)常被使用到衛(wèi)星上，適合大面積的微藻生物量檢測，如海洋、湖泊、河流等。沈英等[11]使用高光譜成像技術(shù)在結(jié)合比較了七種光譜預(yù)處理方法后，總結(jié)了不同藻種適用的光譜處理方法，準(zhǔn)確度較高，但只適用于遠(yuǎn)距離、大面積的微藻生物量檢測，不適用于蝦夷扇貝育苗生產(chǎn)。綜上所述，目前的微藻生物量檢測方法效率低、結(jié)果處理煩瑣且無法保證檢測精度。因此，本文采用一種濁度測量法，能夠?qū)崿F(xiàn)蝦夷扇貝育苗生產(chǎn)中微藻含量的快速、準(zhǔn)確及在線檢測，并基于此方法，設(shè)計蝦夷扇貝育苗投餌設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)過程在線自動投餌，提高蝦夷扇貝育苗生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。

如圖1 所示，設(shè)計了一種扇貝育苗餌料自動投喂設(shè)備，該設(shè)備由餌料培養(yǎng)池、扇貝育苗池、投飼系統(tǒng)和控制平臺組成。投飼系統(tǒng)通過管路將餌料培養(yǎng)池與扇貝育苗池連接起來，通過控制平臺對泵與閥的控制實現(xiàn)投餌功能。餌料培養(yǎng)池與控制平臺通信連接，餌料培養(yǎng)池用于培養(yǎng)微藻，監(jiān)測微藻培養(yǎng)狀況，并將微藻培養(yǎng)狀況反饋至控制平臺；扇貝育苗池與控制平臺通信連接，扇貝育苗池用于扇貝育苗，監(jiān)測扇貝育苗池中微藻消耗量，并將微藻消耗量反饋至控制平臺；控制平臺與投飼系統(tǒng)通信連接，控制平臺根據(jù)餌料培養(yǎng)池中微藻生長狀況和扇貝育苗池中餌料消耗狀況控制自動投喂部件的投喂量。

圖1 扇貝育苗餌料自動投喂設(shè)備的運(yùn)行原理

扇貝幼蟲在不同生長階段有不同的藻種投喂比例，當(dāng)扇貝幼蟲在D 型幼蟲階段時，餌料投喂以金藻為主，小新月菱形藻為輔；當(dāng)扇貝幼蟲發(fā)育到殼頂幼蟲階段中期時，在餌料中要增加扁藻[12]。因此設(shè)置有三個餌料培養(yǎng)池，分別培養(yǎng)金藻、小新月菱形藻與扁藻。三個餌料池均設(shè)置有微藻生長監(jiān)測傳感器與持續(xù)微量充氣裝置。微藻生長監(jiān)測傳感器與控制平臺通信連接，投飼系統(tǒng)與三個餌料培養(yǎng)池相連；微藻生長監(jiān)測系統(tǒng)采用微藻濃度傳感器和水質(zhì)探測器完成監(jiān)測，根據(jù)微藻種類不同，微藻濃度傳感器設(shè)置有不同的檢測范圍；微藻濃度傳感器的原理是藻液中微藻顆粒對光線的吸收引起藻液濁度值的變化，以濁度檢測微藻濃度變化具有便捷快速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能快速及時反饋微藻培養(yǎng)狀況，有利于根據(jù)所需的投喂量計算抽取藻液的體積等數(shù)據(jù)。在微藻培養(yǎng)過程中，餌料培養(yǎng)池中會加入營養(yǎng)鹽為微藻生長提供營養(yǎng)，若微藻未能將營養(yǎng)鹽完全吸收，營養(yǎng)鹽中所含的氨氮磷等成分會對扇貝幼苗發(fā)育造成不利影響，因此在餌料培養(yǎng)池中設(shè)置水質(zhì)探測器，檢測餌料培養(yǎng)池中殘余氨氮磷與亞硝酸鹽的含量。

扇貝育苗池育苗狀況監(jiān)測系統(tǒng)由微藻濃度傳感器、水質(zhì)傳感器與持續(xù)微量充氣裝置組成。扇貝育苗狀況監(jiān)測系統(tǒng)采用微藻濃度傳感器，并與控制平臺通信連接，扇貝育苗池中的微藻濃度遠(yuǎn)小于餌料培養(yǎng)池，為保證檢測精度，育苗池中的微藻濃度傳感器量程更小，測量更精確。因為水溫對扇貝幼苗的發(fā)育與攝食均有重要影響[13]，采用水質(zhì)探測器監(jiān)測氨氮含量、亞硝酸鹽含量與溫度。

1 微藻生物量與濁度標(biāo)定

為建立微藻生物量與濁度之間的準(zhǔn)確關(guān)系，進(jìn)行了微藻生物量與濁度標(biāo)定實驗。選擇四種常用的餌料微藻作為實驗對象，包括金藻、扁藻、小球藻及小新月菱形藻，使用血球板計數(shù)法與濁度儀測量相互印證。

1.1 材料與方法

實驗材料為四種餌料用微藻生長到不同密度時的藻液，藻液取自扇貝育苗生產(chǎn)基地中的餌料池。

1.2 實驗試劑及實驗儀器

實驗試劑為魯戈式碘液。實驗儀器為吸水紙、燒杯、洗瓶、血球計數(shù)板、蓋玻片、移液槍、光學(xué)顯微鏡、哈希2100Q便攜式濁度儀。

1.3 實驗方法

1）取樣：用小燒杯舀取藻液約50 mL。

2）藻液濁度測定：將小燒杯中藻液搖勻后灌入濁度儀測量瓶內(nèi)，擰緊瓶蓋后在瓶身滴一滴硅油，用麻布涂抹均勻，再次搖晃瓶身使藻液均勻，放入便攜式濁度儀內(nèi)讀數(shù)，測量一次后將測量瓶取出搖勻后換個方向再次測量，測四次，讀數(shù)后取平均值。

3）藻液生物量測定：將小燒杯中剩余藻液搖勻后，用移液槍取約2 mL 藻液，滴到血球計數(shù)板上，用蓋玻片壓好。再取一滴魯戈式碘液滴到蓋玻片左側(cè)，在蓋玻片右側(cè)用吸水紙將碘液吸到右側(cè)使染色均勻。調(diào)整光學(xué)顯微鏡讀數(shù)，然后根據(jù)讀數(shù)估算微藻生物量。

1.4 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5 所示，金藻、小新月菱形藻、扁藻、小球藻的藻液生物量與濁度總體呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢。金藻、小新月菱形藻、扁藻、小球藻的線性回歸方程和擬合度分別為y=0.1152x+0.0876、y=0.1184x-0.2285、y=1.4109x+2.2434、y=0.1039x+0.2581，R2=0.9972、R2=0.9982、R2=9995、R2=0.9857。通過該實驗，建立了四種常見餌料微藻的生物量與濁度的線性回歸方程，擬合度均大于0.98，說明回歸方程能較好地反映微藻生物量與濁度的關(guān)系，為微藻生物量的在線檢測提供了理論基礎(chǔ)。

圖2 金藻不同生物量下的濁度

圖3 小新月菱形藻不同生物量下的濁度

圖4 扁藻不同生物量下的濁度

圖5 小球藻不同生物量下的濁度

2 結(jié)論

為了在扇貝育苗生產(chǎn)過程中實時跟蹤監(jiān)測餌料培養(yǎng)池中微藻培養(yǎng)狀況與扇貝育苗池中微藻消耗狀況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)值制定投餌方案，實現(xiàn)精準(zhǔn)投餌，本文設(shè)計開發(fā)了一種蝦夷扇貝育苗自動投餌設(shè)備，基于微藻生物量與濁度的關(guān)系，通過實驗研究標(biāo)定了四種常見餌料微藻的生物量與濁度，建立了四種常見餌料微藻的濁度與生物量的線性回歸方程，擬合度均大于0.98，回歸方程能較好地反映微藻生物量與濁度的關(guān)系。該設(shè)備能精準(zhǔn)監(jiān)測蝦夷扇貝育苗的攝食狀況，檢測餌料培養(yǎng)池與扇貝育苗池的水質(zhì)參數(shù)，減少蝦夷扇貝育苗投餌環(huán)節(jié)對人力的依賴，提高蝦夷扇貝生產(chǎn)效率，為蝦夷扇貝育苗自動化裝備的設(shè)計提供參考。