大型海藻孔石莼在工廠化海水養殖中的生物修復及其應用前景

呂冬偉, 劉 峰, 李興佐

(中國農業大學 煙臺研究院 海洋學院, 264670)

海水養殖業是山東半島藍色經濟區建設產業群的重要組成部分。在大力發展藍色經濟的宏觀指導下, 海水養殖業特別是工廠化海水養殖業得以快速發展。近幾年, 除了較早發展的室內鮑魚養殖外, 我國許多海水養殖品種和養殖規模都有所擴大, 如真鯛、牙鲆、美國紅魚、大西洋鮭等。在以低碳養殖(低能耗、低排放、低污染)為產業發展方向的政策指引下, 一種對環境友好、對生物無害、可高值化利用的養殖模式——?；?生態型)和陸基(集約型)兩大類型的工廠化養殖模式成為養殖業發展的方向。大型藻類由于生長速度快, 海水凈化能力強, 用其在水產養殖過程中替代化學和微生物方法凈化水質, 維持養殖生態平衡, 取得了良好的效果。

孔石莼(Ulva pertusa)又名海白萊、海菠菜等, 屬大型海洋經濟藻類, 因其適溫范圍寬, 適鹽范圍廣,在我國各沿海地區都有豐富的資源。孔石莼具有生長快、適應環境能力強等優點, 廣泛應用于生態養殖以及養殖水質調控的研究。另外, 孔石莼本身營養豐富, 可以發展成為一種經濟作物, 提高養殖經濟效益, 具有良好的綜合開發和應用前景。本文重點闡述孔石莼在工廠化海水養殖中的生物修復作用以及應用前景。

1 養殖廢水的特點

工廠化養殖池養殖動物種類少, 以目標養殖動物為主。養殖廢水中的污染物主要來自于外部投餌殘留和養殖生物的新陳代謝產物。在海水魚類養殖中, 投喂飼料中大約 72%的 N和 70%的 P不被魚利用[1], 這些營養元素均以固態養殖廢物(糞便和殘餌)和溶解態養殖廢物(排泄物和分解物)進入水體,對養殖水環境造成一定的污染, 其中氨態氮的含量最受到重視。

2 養殖水質調控

2.1 吸收N、P等營養物質

許多大型海藻在生長過程中, 能夠大量吸收海水中溶解態的N、P生源要素, 可以利用其作為養殖環境中對 N、P等污染物的有效生物吸收器[2-4]。在多種速生大型海藻中, 孔石莼對營養鹽N、P尤其是氨氮的吸收更勝一籌。如Liu等[5]在比較研究了綠藻Ulva pertusa, 紅藻Gelidium amansii和褐藻Sargassum enerve三種大型海藻對N的吸收時發現,綠藻孔石莼的生長速度和對氨氮的吸收速率要快于其他兩種藻類。何潔等[6]也對包括孔石莼在內的三種大型海藻對N、P的吸收動力學研究表明, 孔石莼對硝酸態氮的吸收不占優勢, 但是對氨氮和磷酸鹽的去除率優于其他兩種藻類。在王萍等[7]的研究中同樣發現孔石莼對N、P營養鹽的吸收勝于繁枝蜈蚣藻。類似于此的報道還有很多[8-9]。

孔石莼對氨氮和磷酸鹽高的去除率和去除速率為利用其凈化工廠化養殖廢水中的N、P提供了有力保障。將孔石莼引入養殖池塘, 利用其高效的吸收N、P能力, 可以對池塘中氨氮和磷酸鹽的濃度進行原位控制, 防止氨氮對養殖生物的危害以及富營養化水體排放對外部海域的污染。據王吉橋等[10]報道,在適宜的光照和水溫條件下, 1 g鮮質量的孔石莼日降解氨氮 1.4 mg, 加上水中細菌的降解作用, 孔石莼可以有效地消除對蝦新陳代謝過程中產生的氨氮。劉建國[11]等應用孔石莼吸收大菱鲆養殖廢水中的無機氮效果顯著, 在不同的換水量和光照條件下,孔石莼都能夠將養殖廢水中的無機氮濃度降低至達到國家一級海水水質排放標準。對于循環水工廠化養殖, 將孔石莼引入水處理系統, 亦能發揮調控水體營養鹽的作用。Wang等[12]將孔石莼應用于海參的循環水養殖系統, 養殖水體經重力作用進入孔石莼生物濾池后再經循環泵流回養參池, 孔石莼能夠吸收海參養殖水體中68%總氨態氮和26%的正磷酸鹽,有效控制了氨氮和磷酸鹽的濃度。楊鳳等[13-14]將孔石莼應用于循環水養鮑水質的調控, 發現孔石莼能快速地吸收總氨氮, 使水中氨氮維持在 0.3 mg/L的幼鮑安全生長限值以下, 其對氨氮的調控能力不亞于臭氧, 甚至低于流水養殖中的氨氮含量。經孔石莼凈化處理的養殖廢水, 無殘留, 無毒副作用, 有利于為養殖生物提供良好的生存環境。

2.2 調節水體溶氧及pH水平

孔石莼在光合放氧方面作用明顯。郭贛林等[15]研究發現, 不同溫度下孔石莼光合作用產氧速率在20.17～25.32 mg/(g·h), 產氧效果顯著。在孔石莼和對蝦混養實驗中, 1 g鮮質量的孔石莼日提供環境凈氧氣5.5～12.5 mg, 可以有效地為等質量養殖對蝦提供代謝過程中所需的氧氣[10]。日本學者KITADAI和 KADOWAKI將孔石莼引入魚(Seriola quinqueradiata)的養殖水域, 研究發現孔石莼的最高產氧速率為6.39 mg/(g·h), 最少0.21 kg鮮孔石莼即可維持一條魚對氧氣的需求[16]。在孔石莼和鮑魚的循環水混養系統中, 水體的 pH水平始終保持穩定的狀態且處于較高的水平, 孔石莼明顯改善了幼鮑的養殖水環境, 降低了換水量[14-15]。在孔石莼與養殖生物混養系統中, 養殖生物通過呼吸作用消耗水中溶氧, 排出CO2, 降低了水環境的pH值, 而孔石莼通過光合放氧并吸收魚類產生的CO2, 能增加水體的pH值。通過孔石莼對水體中的碳酸體系的調節, 使得水體pH不會因為養殖生物的代謝作用而發生較大波動。

同其他水生植物一樣, 夜間石莼要呼吸耗氧。不同溫度下, 孔石莼呼吸耗氧速率在 7.44～8.35 mg/(g·h)[15]。另外, 孔石莼在高營養鹽水體中生長速度快, 控制不好即有可能導致爆發性生長, 大量藻體如不能及時清除, 在水體中腐爛降解的過程會消耗大量溶解氧, 重新釋放回水體的降解物質還會再次成為污染物質。這不僅不能起到修復水體的作用, 反而加劇了水體的生態惡化, 更不利于養殖生物的健康生長。因此要使孔石莼與所養水生動物在一個養殖系統內處于互利的地位, 達到最佳的利用狀態,必須深入開展孔石莼和養殖生物的生理與生態特性及不同條件下的代謝規律研究, 探索最佳的生態養殖模式。

3 探索復合生態養殖模式

孔石莼在維持健康的復合養殖系統方面有很重要的作用。養殖動物是排氨生物。水中氨氮濃度增高對養殖生物有強烈毒性, 是高密度循環水養殖系統最常遭遇的問題。故養殖池水中氨氮濃度必須控制于養殖生物可承受的濃度以下。在孔石莼與魚、蝦類共生的水體中, 通過控制孔石莼的生物量, 可有效地降低水中氨氮的濃度, 維持水體較高的溶氧量和適宜的pH值, 降低魚類發生窒息和水質惡化的危險性[10,16-18]。在循環水養殖系統中, 氨氮等水溶性有害物質的去除技術是整個系統的關鍵。80年代以來, 已有利用浮游植物凈化養殖污水的研究報道,但因藻水分離困難, 使這種微藻凈水模式在循環水養殖系統中的應用受到限制。大型藻類孔石莼能夠突破該限制。相對于微藻而言, 將孔石莼引入魚蝦等的綜合養殖中, 其數量和密度可控, 更有利于創造良好而穩定的水質?？资挥捎趯Φ}尤其是銨鹽和磷酸鹽具有良好的吸收作用, 在循環水養殖的水處理中能發揮良好的水質凈化作用。將孔石莼引入工廠化循環水養殖, 將工廠化循環水養殖和生態養殖相結合, 在水處理系統中利用孔石莼去除水體中的氨氮, 輔以必要的殺菌消毒, 實現海水循環利用。國外利用此種方式在循環水水處理系統中修復水質研究較早, 并且已經得到了較好的應用[19-20]。宋協法等[21]也做過相關研究, 發現孔石莼對氨氮的去除效果良好, 能夠達到養殖水質要求。

但是孔石莼在工廠化水產養殖中水處理系統的應用還受到多方面條件的限制, 如維持孔石莼的最佳生長狀態需要一定的光照和鹽度等外部條件, 如若滿足不了, 孔石莼的生長狀態將會受到較大影響,其對水中營養鹽的去除效果也會受到較大影響, 產生的氧氣量也會顯著減少。另外, 孔石莼本身新陳代謝過程中也會產生部分有機物質釋放到水體中, 控制不好反而會增加水中有機物的含量, 不利于養殖水質的管理。因此需要結合養殖動物的習性特征, 在不影響養殖生物的適宜生長環境下, 為孔石莼的生長創造適宜的生長條件, 達到改善養殖環境, 提升生態效益的目的。這種孔石莼與養殖生物混養系統對日益提倡環境友好養殖、生態養殖的可持續無污染海水綜合養殖具有重要意義。

在我國, 根據工廠化養殖方式的現狀和特點,可探索并實施適宜的生態養殖模式。對于海基型和陸基型流水養殖, 孔石莼對養殖廢水中N、P營養鹽的吸收, 可探索養殖動物與孔石莼的原位混養技術(如養殖密度, 孔石莼投放密度, 孔石莼回收頻率,光照強度等), 降低養殖水體的富營養化程度, 減輕富營養化水體排放對周邊海洋造成的環境污染, 達到清潔生產的目的。對于陸基型循環水養殖, 可以進一步探索孔石莼在水處理系統中的水質凈化技術,尋求一種新型的實用性、操作性和可控性強的節能環保水處理技術, 解決化學處理存在的殘留問題和微生物處理出現的活性降低等問題帶來的不便。循環水養殖對水質造成影響的主要是養殖動物的溶解態代謝產物, 糞便、殘餌等顆粒物, 以及有害微生物?？梢詫⒖资坏纳镄迯凸δ芘c經典的物理沉降以及紫外線、臭氧消毒技術結合應用, 改善養殖環境的水環境質量, 實現海水養殖的可持續發展。除此之外, 還要進一步改進投餌技術、改進餌料成分, 使所投餌料更有利于養殖生物的攝食, 減少顆粒留存,提高餌料利用率, 防止或減輕水質的敗壞程度。

4 資源化利用前景

將孔石莼引入綜合性水產養殖的水質管理, 可以起到調控水質的作用, 利于改善養殖環境, 提升生態效益。同時, 孔石莼增質量明顯, 日均增質量3.3%[12]。作為綜合性水產養殖的副產物, 孔石莼具有較高的附加值。可以對孔石莼進行資源化利用, 助于增加企業經濟效益。作者從以下幾方面闡述其資源化利用前景。

4.1 作為藻類食品原材料

孔石莼含有豐富的粗纖維、碳水化合物及蛋白質, 并含有少量的脂肪。從已分析出的17種氨基酸中, 有8種為人體必需氨基酸; 孔石莼含有豐富的維生素 VE和 VC, 其含量高于角叉菜[22]?？资缓蠯、Na、Ca、Mg、Ni、Zn、Mo、Cu、I、F 等多種微量元素, 這些微量元素對人體的生長發育、新陳代謝和生理調節等方面有著廣泛的作用。不論是提供營養物質還是預防疾病方面, 孔石莼都可作為人類良好的食物來源, 可以充分利用水質調控副產物孔石莼作為原材料, 開發新的藻類食品。

4.2 作為飼料原材料

孔石莼營養豐富, 將其作為飼料添加劑加入飼料中對畜禽、水生動物無任何毒副作用且可改善畜禽、水生動物等的生產性能?？资蛔鳛轱暳喜粌H可以提供豐富的營養物質, 促進動物的健康, 還可以為人類提供健康安全的畜禽產品。以鮮孔石莼磨碎液作為餌料投喂稚參, 其生長速度和成活率高于鼠尾藻干粉和鮮海帶磨碎液的投喂效果[23]。另外, 孔石莼還是幼鮑的優質餌料。將水質凈化的副產物孔石莼作為飼料資源加以回收利用, 變廢為寶, 既有助于降低生產成本, 又實現了循環經濟, 一舉多得。

4.3 作為提取凈水制劑原材料

多項研究表明孔石莼體內含有抑制赤潮藻繁殖的有效物質[24-27], 可以從孔石莼體內提取天然除藻劑, 減輕漁藥的施用對養殖生物的毒害和對環境的污染?？资坏姆置谖锬軌蛴行Ы档椭亟饘俚纳镉行訹28-29], 可以進一步探索分析有效成分的化學結構和提取方法, 充分利用水處理系統中產出的孔石莼副產物提取凈水制劑, 為養殖環境中的重金屬污染治理開辟新徑。

5 結語

工廠化海水養殖具有密度高、投入高、回報高的特點。它可以通過人工控制環境達到消除病害、減少污染的目的, 還可以實現傳統養殖模式無法實現的高品質養殖, 具有廣闊的發展前景。提高養殖廢水的處理效果和效率, 簡化工藝, 降低成本是養殖廢水處理工藝的發展方向。大型海藻孔石莼對海水養殖的生態意義和經濟意義在于它能降低養殖水體的營養鹽負荷, 改良水質, 有利于養殖水體環境的穩定, 提高養殖生物的產量, 同時獲得資源化產物。隨著生物技術的發展, 以及對養殖生物生理活動研究的深入, 結合大型藻類生物修復功能向水處理技術的引用, 養殖廢水處理工藝必將會有一個很大的發展空間, 更好的為水產養殖業服務。

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