循環水系統結合魚菜、紫外處理對鏡鯉生長及水質的影響

羅小龍，Abdessan Rauan，邢君霞，李漢東，吉 紅

(西北農林科技大學動物科技學院水產動物營養與飼料研究室，陜西咸陽712100)

水產品在人類食物結構中占據重要地位，是主要蛋白源之一[1]。隨著人們對水產品需求的持續增加及環保意識的不斷增強，傳統水產養殖方式已不能滿足人們對水產品質的需求。集約化工廠循環水養殖相對傳統水產養殖其優點在于單位產量高，并可結合水處理技術，充分循環利用水資源[2]。但此方法不能充分回收利用水中營養物質，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化為N2O等溫室氣體釋放至空氣中，對大氣造成污染[3-5]。養殖系統中硝酸鹽含量過度積累不僅造成了營養素的嚴重浪費，而且還會對魚類的生長、健康及代謝造成影響[6-8]。

魚菜共生系統是將水產養殖與水培蔬菜種植有機結合的一種新型綠色健康的養殖模式，蔬菜吸收養殖水體中剩余營養元素供其生長，凈化養殖系統水質，使養殖水體在系統內循環流動，實現養殖廢水零排放。因其具有更好的節水性、環保性且產出蔬菜副產品等特點，魚菜共生系統在全球廣泛應用[9]。

另一方面，在水產養殖過程中，因病原微生物等引起一系列病害對水產養殖業造成了嚴重損失，制約了水產養殖業的健康發展[10]。研究表明，紫外燈消毒技術相對于化學消毒法具有安全、高效、無二次污染且具有維護簡單、費用低等優點，其在水產養殖中廣泛運用[11]。Moriarty等[12]發現，魚菜共生系統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、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水養殖系統，并耦合水培蔬菜單元及紫外燈對系統處理，研究不同處理模式對鏡鯉生長及水質的影響，為優化水產養殖模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗用魚與飼料

試驗魚為西北農林科技大學安康水產試驗示范站同一批健康二齡鏡鯉，均重為253.78 g，實驗開始時，將54尾試驗魚放入9個缸，每缸6尾，初始密度為10.7 kg/m3。實驗用的鯉漂浮商品飼料購自陜西三旺農牧有限公司，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 試驗系統構建

本試驗在陜西省咸陽市楊凌區的西北農林科技大學水產動物營養與飼料試驗基地的溫室大棚進行(2018.9.3-2018.10.12)。試驗養殖系統結構如圖1。系統水從魚池頂部進入(每個魚池150 L，底部內徑48 cm，桶口內徑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，進入物理過濾桶(50 L，底部內徑34 cm，桶口內徑41 cm，高43 cm)將魚糞分離，過濾的水流入硝化桶(50 L)，內部放有濾材K1，供硝化細菌附著，加氧曝氣進行硝化反應，產生植物生長所需要的硝酸鹽；富含營養鹽的水流入菜池(300 L，850 cm×650 cm×59 cm)后進入蓄水池；再使用25 W可調節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 試驗設計

試驗分為三個組，循環水組、魚菜組及魚菜紫外燈組。三個系統中水循環方式均相同，循環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。養殖試驗時間為6周。

1.4 試驗魚生長指標測定

實驗結束時，將所有處理試驗魚禁食24 h后，先對實驗魚用MS-222(100 mg/kg)麻醉處理，每尾魚稱重并測體長、全長；每缸隨機取2尾魚，作為全魚末樣；每缸取4尾魚側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、腸及脾臟重等進行生長及生物學性狀計算。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 (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 (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為攝食量(g)，t為飼養天數(d)，W1為魚胴體質量(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 水體細菌含量測定

每兩周在養殖系統的蓄水池、魚池和菜池收集10 mL水樣用于水體細菌含量測定，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。細菌計數在無菌環境下進行。將1 mL樣品涂布在3M PeterifilmTM(菌落總數測試片)上，一個紅色圓圈代表一個菌落。在35 ℃溫育48 h后計數菌落，計數表示為每毫升菌落形成單位(CFU)。

1.7 葉用萵苣生長指標測定

試驗結束后，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 系統水樣采集及其理化指標測定

1.9 數據處理和分析方法

結果中所示數據均為各處理組內重復試驗的平均值，采用 SPSS21.0對試驗數據進行統計分析，因三組間影響因素有兩個，故采用T檢驗進行兩兩比較，以P<0.05作為差異顯著水平，描述性統計值采用平均值±標準差(Mean±SD)表示。采用Excel2007對試驗數據進行曲線繪制，使用GraphPad Prism 6.0對實驗數據進行柱狀圖繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對鏡鯉生長性能、生物學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的影響見表1，結果顯示各組間鏡鯉增重率、特定生長率及飼料系數均無顯著性差異。魚菜組和魚菜紫外燈組魚體腸體比顯著低于循環水組。不同處理間魚體臟體比、肝體比、腹腔脂肪指數、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水組，循環水組肝臟粗蛋白顯著高于魚菜組，其余指標在各組之間均無顯著性差異。

2.2 魚菜共生系統中使用紫外燈對葉用萵苣生長及細菌數量的影響

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

2.3 系統水質指標

由表4可知，試驗期間各處理組在養殖水體溶氧、pH及TDS的平均濃度均無顯著差異。循環水組溶氧、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，隨著試驗周期延長，鏡鯉持續消耗飼料并代謝產生廢物，導致水中總溶解固體逐漸升高。

表1 不同處理對鏡鯉生長和生物學性狀的影響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 魚菜共生系統中使用紫外燈對葉用萵苣生長及細菌數量的影響Tab.3 Effects of UV lamp in aquaponics system on growth performance of lettuce and number of bacteria

注：表中數據用平均值±標準差表示(葉用萵苣n=24，細菌菌落測試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

試驗期間系統水體營養鹽及其他水質參數變化情況如圖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周開始循環水系統中耦合的蔬菜吸收硝酸鹽氮速度加快，導致魚菜組硝酸鹽氮含量顯著低于循環水組，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，試驗結束時循環水組、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。各系統中魚池總磷含量在15.18～29.98 mg/L之間，循環水系統中總磷的含量在第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]研究發現，相對于循環水養殖，系統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量，表明魚類和植物的共同養殖可能有利于提高魚類的福利。方彰勝等[16]的研究結果表明精養水體結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論存在差異可能由魚的種類、生理狀態、飼料組成、養殖周期及養殖條件等不同引起的。

蛋白質、脂肪及礦物元素是魚體的主要營養成分。葉鴿等[17]研究發現，魚菜共生模式下羅非魚肉質的鮮味顯著優于純投料模式，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]研究發現，相對于水泥池塘高密度循環水和水泥池塘養殖模式可顯著提高斑點叉尾(Ictaluruspunctatus)蛋白質含量。本試驗中魚菜組全魚粗蛋白和粗脂肪顯著高于循環水組，說明不同養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對葉用萵苣生長及菌落總數的影響

細菌通過將魚代謝產生的有機廢物轉化為無機營養鹽供給蔬菜生長，使魚菜共生系統能正常運轉，是魚菜共生系統中十分重要的組成部分。為防止有害菌影響水產養殖，常進行殺菌處理。當微生物暴露在紫外線中，使核酸突變，其復制、轉錄及蛋白質合成均受到阻礙，從而導致微生物死亡[21]。Moriarty等[12]研究發現在魚菜共生系統中紫外燈對大腸桿菌的滅活十分有效，系統產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。本試驗結果顯示，每天使用紫外燈對系統消毒2小時可顯著降低系統細菌總數。

3.3 不同處理對系統水質的影響

根據聯合國魚菜共生指導文件，魚菜共生系統中綜合考慮魚類和植物生長以及硝化細菌的硝化反應的條件，系統最適溫度為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]。試驗期間，三個組的溶氧都達到5 mg/L以上，pH在5.74～7.59內，滿足魚類、植物及細菌的生長需要。魚菜共生系統中氮循環非常重要，循環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物質被微生物分解為氨態氮的過程為氨化，水中氨氮以非離子氨和銨鹽兩種形態存在，并受pH和溫度影響其動態平衡。氨態氮由好氧微生物氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽的生物反應為硝化作用。硝酸鹽通過微生物還原為亞硝酸鹽、一氧化氮、一氧化二氮及氮氣的生物反應被稱為反硝化作用。蔬菜生長會吸收部分銨鹽和硝酸鹽，因此魚菜系統中氨氮、硝酸鹽氮、總磷及總氮顯著低于循環水組，此結果與邵俊杰等[18]的結果一致。紫外燈處理魚菜共生系統后期，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的微生物的數量導致。合適的魚菜比例對于系統的運行至關重要，Buzby等[23]以及Racoky等[24]研究發現，植物生長過程中不同階段對營養物質的吸收速率不同，因而采用統一播種統一收割，不利于提高魚菜共生系統的穩定及營養物質平衡。序批式種植會出現植物營養物質缺乏現象，而交叉式種植能夠實現營養物質的均勻利用[25]。試驗結果表明，循環水系統在溫度等條件適宜情況下，結合水培蔬菜可以降低水中營養元素的水平，并且系統中紫外燈的使用也會影響系統中營養元素的水平。