江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的凈化作用

王曉艷,李寶山,王際英,王成強,黃炳山,劉義豪

(山東省海洋資源與環境研究院山東省海水漁用飼料工程技術研究中心,山東省海洋生態修復重點實驗室,山東 煙臺 264006)

在自然生態系統中,大型海藻在環境修復和生態調控方面具有顯著的作用,能有效控制和減少環境中的氮、磷等營養鹽負荷[1-2]。魚蝦類攝食、代謝產生食物殘渣和糞便等有機碎屑懸浮在水中難以沉降,濾食性貝類通過濾水、攝食、吸收、排泄一系列生理活動,以糞便或假糞的形式使較難沉積的懸浮物快速沉積下來,以更好地供大型海藻利用[3-4],大型海藻與異養型動物組成的生態系統,可實現營養物質有機和無機間的自然循環[5-7]。通過模擬自然生態系統,將魚貝藻混養,利用濾食性貝類和大型海藻凈化養殖水體[8-9],是實現海洋環境保護、漁業高質量發展和“藍色碳匯”的重要途徑。

江蘺屬(Gracilaria)隸屬于紅藻門、真紅藻綱、杉藻目、江蘺科,具有分布廣、適應性強、生長快、產量高、易栽培等特點[10-11]。研究表明,江蘺具有快速吸收營養物質的能力,是環境修復的良好材料[12]。利用江蘺處理養蝦池的廢水,可以顯著改善蝦池水質,降低氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽質量濃度,并提高蝦和江蘺的產量[13]。四角蛤蜊(Mactraveneriformis)屬于軟體動物門、雙殼綱、異齒亞綱、簾蛤目、馬珂蛤科,是中國沿海分布極其廣泛的一種雙殼貝類,在過濾水中懸浮物方面具有很大潛力[1]。賴龍玉等[5]用38.13 g/m3的真江蘺與鮑混養,具有較好的營養鹽吸收效果;趙素芬等[14]用500 g/m3的江蘺與鮑混養能保持水中較低的氨氮、亞硝態氮、磷酸鹽的質量濃度;蔡澤平等[15]將石莼與真鯛(Pagrosomusmajor)復合養殖,在未充氧條件下,石莼能有效清除水體的營養鹽,改良水質,改善真鯛棲息環境,提高真鯛的存活率和生長率。

本研究試驗1使用江蘺(777.78 g/m3)與珍珠龍膽石斑魚混養,探討江蘺對養殖水體的原位修復效果,在確定利用江蘺修復養殖水體行之有效后,在試驗1基礎上設計試驗2,探討江蘺(1 555.56 g/m3)和四角蛤蜊(555.56 g/m3)聯合使用對不同養殖密度的水體原位修復效果,并估算適宜養殖密度,以期為水產綠色生態養殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

養殖試驗在山東省海洋資源與環境研究院東營實驗基地海水養殖車間進行。試驗用珍珠龍膽石斑魚取自實驗基地;江蘺購自福建省漳州市東山縣海域,選取生長旺盛、大小均勻的藻體去除表面雜質后,4～8 ℃運送至實驗基地;四角蛤蜊購自山東省東營市漁港碼頭,挑選無損傷、規格統一的個體(殼長23.53±1.33 mm, 殼寬26.33±1.83 mm,殼高16.00±0.95 mm,均重46.46±7.48 mg),并清除體表污物及附著生物,所有試驗材料均置于同正式試驗相同的條件下暫養1周。

1.2 試驗設計與養殖管理

1.2.1 江蘺對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響 試驗1以珍珠龍膽石斑魚單養為對照組,以珍珠龍膽石斑魚與江蘺混養為試驗組。試驗開始前,用采水器采集養殖用水(取樣量為500 mL),測定水體的初始硝酸鹽(NO3--N)、亞硝酸鹽(NO2--N)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)、總磷(TP)質量濃度。選取規格統一、體質健壯、平均體質量為(714.00±7.07)g的珍珠龍膽石斑魚50尾(養殖密度1 983.33 g/m3)分別放于對照組和試驗組的工廠化水泥池(長6.0 m、寬6.0 m、水深0.5 m)中,次日試驗組投放生長良好的江蘺14.00 kg(密度為777.78 g/m3),并于放藻前采集水樣。對照組和試驗組均每天定時(16:00)定量投喂一次,固定投喂量為該組魚體初始總重的1%。試驗期間每2 d于投喂前采集水樣,控制水溫26～28 ℃,溶氧>6 mg/L,水面光照1000 Lx,鹽度27～29,試驗1持續34 d。

1.2.2 江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響 試驗2在試驗1確定了江蘺凈水效果的基礎之上,進一步將不同密度的珍珠龍膽石斑魚同生長旺盛的江蘺(28.00 kg,生物量為1 555.56 g/m3)混養,并在每個水泥池均混養長勢良好的四角蛤蜊10.00 kg(555.56 g/m3),以期摸索生態養殖模式下珍珠龍膽石斑魚的最適養殖密度。在相同溶解氧條件下,工廠化養殖每天排換水,珍珠龍膽石斑魚的養殖密度在5000～8000 g/m3(數據參考山東省海洋資源與環境研究院東營實驗基地珍珠龍膽石斑魚養殖車間)。因此本研究選取1200尾規格統一,體質健壯、均重為475 g的珍珠龍膽石斑魚,隨機分為3個試驗組,每組2個平行,每個平行分別投放100、200、300尾魚(命名為D100、D200、D300,養殖密度分別為2 638.89 g/m3、5 277.78 g/m3、7 916.67 g/m3),每天定時(16:00)定量投喂一次,固定投喂量為該組初始魚體總重的1%。試驗開始前,用采水器采集養殖用水,測定水體的初始NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、TP質量濃度。試驗期間每7 d取一次水樣,水樣處理及養殖管理同“1.2.1”,試驗2持續21 d。

1.3 測定方法

水體NO3--N、NO2--N、NH4+-N、TN、TP的測定及樣品采集方法參照《海洋監測規范》(GB 17378—2007)[16],采集的水樣立即用0.45 μm的濾膜過濾除去雜質,采用鋅-鎘還原法測定NO3--N,采用鹽酸萘乙二胺分光光度法測定NO2--N,采用次溴酸鹽氧化法測定NH4+-N,采用過硫酸鉀氧化法測定TN和TP。

1.4 統計學方法

2 結 果

2.1 江蘺對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響

2.1.1 江蘺的生物量變化和珍珠龍膽石斑魚的存活率 本研究中,對照組珍珠龍膽石斑魚在試驗的第12天存活率降低至16%,而試驗組在試驗結束時(34 d)存活率為88%,江蘺生物量為12.91 kg,較試驗初始值14.00 kg減少了7.79%。

如圖1(b)所示,試驗組水體ρ(NO2--N)的初始值為0.06 mg/L,放入珍珠龍膽石斑魚24 h后,ρ(NO2--N)降低(0.03 mg/L),投入江蘺24 h后,ρ(NO2--N)進一步降低(0.02 mg/L),10 d以內均維持在較低水平(0.30 mg/L以內),第16～34天,ρ(NO2--N)在0.91 mg/L ～1.40 mg/L之間上下波動,而對照組在12 d以內呈直線上升趨勢,到試驗第12天,ρ(NO2--N)達到1.37 mg/L,而試驗組在第24天時(1.40 mg/L)達到對照組第12天的水平。

如圖1(c),對照組和試驗組養殖水體ρ(NH4+-N)的初始值均為0.05 mg/L,隨著飼料投喂及魚體代謝,水體ρ(NH4+-N)呈逐漸升高趨勢,第4天開始對照組超過試驗組,到第12天,對照組達到1.29 mg/L,試驗組為0.89 mg/L,16d后,試驗組ρ(NH4+-N)變化趨于平穩,在第32天時(1.35 mg/L)達到對照組第12天的水平(1.29 mg/L)。

如圖1(d)所示,試驗組水體ρ(TN)的初始值為1.29 mg/L,放魚之后,ρ(TN)略有升高(1.37 mg/L),投入江蘺后,ρ(TN)值出現短暫的降低(1.18 mg/L),之后整體呈現逐漸升高趨勢,16～34 d在3.58 ～5.03 mg/L之間上下波動,而對照組ρ(TN)呈直線上升趨勢,到試驗第12天,達到5.01mg/L,試驗組在第28天時(5.03 mg/L)達到對照組第12天水平。

圖1 江蘺對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響

如圖1(e)所示,試驗組水體ρ(TP)的初始值為0.07 mg/L,放入珍珠龍膽石斑魚后,略有升高(0.09 mg/L),放藻后,ρ(TP)水平下降(0.07 mg/L),之后到第14天,ρ(TP)水平較為穩定(0.14～0.21 mg/L),16天之后,ρ(TP)呈逐漸升高趨勢,到試驗結束(第34天)時,達到1.37 mg/L,對照組水體ρ(TP)呈直線上升趨勢,到第12天,達到1.12 mg/L,與試驗組第28～32天水平相當。

2.2 江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響

2.2.1 江蘺生物量和珍珠龍膽石斑魚存活率 如表1所示,試驗結束時,各組間江蘺末濕重的差異具有統計學意義(P<0.05),相比較初始濕重(28.00 kg),D100組江蘺生物量減少2.71%,D200組減少16.86%,D300組最低,生物量減少31.25%;D100組和D200組的四角蛤蜊末濕重之間的差異無統計學意義(P>0.05),但均顯著高于D300組(P<0.05),D300組比初始濕重(10.00 kg)降低9.1%。各組間珍珠龍膽石斑魚存活率的差異具有統計學意義(P<0.05),D100>D200>D300。

表1 江蘺生物量及珍珠龍膽石斑魚存活率

2.2.2 江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體NO3-N、NO2-N、NH4+-N、TN、TP質量濃度的影響 如圖2(a)所示,D100、D200和D300組的水體的初始ρ(NO3--N)分別為0.98 mg/L、0.98 mg/L和0.97 mg/L,試驗開始第7天,各組水體ρ(NO3--N)較初始值均有不同程度下降,之后均呈逐漸升高趨勢,到試驗第21天,D100、D200和D300組水體的ρ(NO3--N)分別達到第7天的5.91、3.54、4.40倍,D300組顯著高于D100和D200組(P<0.05)。

如圖2(b)所示,試驗第7天,D100和D200組ρ(NO2--N)較初始值(0.064 mg/L, 0.062 mg/L)變化無統計學意義(P>0.05),D300組顯著升高(P<0.05),隨后3個處理組均呈不同程度的上升趨勢,第21天時,D100、D200、D300組ρ(NO2--N)分別達到第7天的7.52、8.02、5.10倍,且D300組顯著高于其他2組,D100組最低(P<0.05)。

如圖2(c)所示,隨著試驗的進行,養殖水體的ρ(NH4+-N)濃度呈逐漸升高趨勢直至試驗結束,且養殖密度越大,水體ρ(NH4+-N)越高,D300>D200>D100(P<0.05)。

如圖2(d),試驗開始第7天,3個處理組水體的ρ(TN)較初始值均下降,且3組之間無統計學意義(P>0.05),7～21天3組均呈逐漸升高趨勢,直至試驗結束,且養殖密度越大,水體ρ(TN)越高,第21天時,各組ρ(TN)D300>D200>D100(P<0.05)。

如圖2(e)所示,試驗第7天,D100組ρ(TP)略有降低,D200和D300組的水體ρ(TP)略有升高,但3個組均與初始值(0天)之間差異無統計學意義(P>0.05),第14天,D100和D200組與第0和7天之間差異均無統計學意義(P>0.05),D300組顯著高于D100和D200組(P<0.05),第7～21天,D100和D200組升高趨勢較為平緩,D300組顯著升高(P<0.05)。

圖2 江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚養殖水體水質的影響

3 討 論

3.1 江蘺對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響

養殖魚類代謝活動會產生大量的硝酸鹽、氨氮、磷酸鹽等代謝產物,殘飼、糞便等也會造成水體中營養鹽質量濃度增加,養殖廢水若不經處理直接排放,會導致近岸海域有機質污染、水體富營養化[17]。大型海藻對水體富營養化的修復是一種安全可靠且具良好經濟效益的原位生物修復方法,大量研究表明,江蘺屬、海帶屬(Laminaria)、紫菜屬(Porphyra)、石莼屬(Ulva)、裙帶菜屬(Undaria)等大型海藻生長可有效吸收水體中過剩的N、P 等營養鹽,改善水體富營養化狀況[11]。溫珊珊等[18]對真江蘺進行了分析,藻體N、P含量分別為4.645%和0.548%,表明每噸干重真江蘺可以從海區中除去46.5 kg N和5.5 kg P,可見大型海藻對于海區的生態環境具有非常顯著的修復效果,且對N的去除能力強于P[19]。胡海燕[20]將大型海藻龍須菜與海水魚類黑鲪(Sebastodesfuscescens)復合養殖,試驗期間不換水,龍須菜自身生長狀態良好,黑鲪的存活率與生長率均提高,該研究表明,龍須菜能有效降低黑鲪養殖水體溶解性N、P的含量。李志凌等[21]用500 g/m3的真江蘺與珍珠龍膽石斑魚混養,各水質指標均優于珍珠龍膽石斑魚單養組。在本研究試驗1中,試驗組將珍珠龍膽石斑魚和江蘺混養,投入江蘺后,水體NO3--N、NO2--N、TN、TP質量濃度均有下降趨勢,且能在10 d左右將各項指標維持在較低水平,表明江蘺具有短時間內儲備營養物質的特點[22],之后各項指標升高,一方面可能是因為殘餌、糞便等有機物不斷積累,超過了一定量(14.00 kg,777.78 g/m3)的江蘺對水體N、P的吸收能力,另一方面可能是因為試驗魚對江蘺的攝食速度大于江蘺的生長速度,導致試驗末江蘺重量(12.91 kg)低于初始重量(14.00 kg),從而使得江蘺對營養鹽的吸收量低于營養鹽積累量,在試驗末期(20 d以后),試驗組各項水質指標達到高水平,試驗魚開始出現死亡,試驗結束時死亡率為12%,而未添加江蘺的對照組,在試驗的第12天,魚死亡率即達到84%,表明江蘺可以有效清除養殖水體的營養鹽,改良水質,延長換水時間。

有研究報道,當介質中NH4+-N存在時會抑制大型海藻對NO3--N的吸收,有學者認為是由于藻類體內缺乏硝酸還原酶[23-24],也有學者認為是由于較NO3--N而言NH4+-N的結構簡單,使得NH4+-N能迅速被轉化成藻類氨基酸[13];另有研究報道,某些種類的海藻,即使在NH4+-N存在時也可以吸收NO3--N并且不受到抑制,某些海藻會出現NH4+-N和NO3--N同時吸收的現象[25]。而在本研究試驗1中,水體NO3--N初始質量濃度較高(0.97 mg/L),投入江蘺后,水體ρ(NO3--N)顯著降低,而ρ(NH4+-N)質量濃度沒有降低趨勢,反而逐漸升高,表明在本試驗條件下,江蘺優先吸收NO3--N。

3.2 江蘺和四角蛤蜊對珍珠龍膽石斑魚封閉養殖水體水質的影響

本研究試驗2將江蘺和四角蛤蜊與不同密度的珍珠龍膽石斑魚混養,利用江蘺和四角蛤蜊控制水體中的營養鹽,水體各指標濃度與養殖密度呈正相關,養殖密度越大,營養鹽質量濃度升高越快,且3個處理組的上升趨勢均持續到試驗結束(21 d)未出現降低,試驗末江蘺生物量及試驗魚的存活率與養殖密度呈負相關,可能因為珍珠龍膽石斑魚對江蘺攝食量大于江蘺的生長量,江蘺生物量的減少,使得江蘺對水體營養鹽的吸收能力降低,而水體中累積過高的營養鹽濃度,導致試驗魚存活率降低。

在氮素轉化過程中,水體中殘餌、糞便等有機物在短時間內被多種腐生細菌分解產生NH4+-N,NH4+-N在亞硝化細菌的作用下轉化成NO2--N,亞硝化細菌的生長繁殖速度為18 min一個世代,NO2--N在硝化細菌的作用下轉化成NO3--N,而硝化細菌的生長速度相對較慢,18 h一個世代,因此,由NO2--N轉化到NO3--N的時間長很多[26]。在高密度養殖水體中,養殖動物生長依靠大量投餌,殘餌、排泄物等有機物不斷積累,水體產生大量的NH4+-N,大量積累的氮素硝化過程受阻,造成養殖水體中NH4+-N和NO2--N質量濃度高。相對于氨毒性,NO2--N對魚類的毒性較小,但由于NH4+-N的轉化速度較快,使得NO2--N的問題最為突出。養殖水體中離子氨允許的最高濃度不超過5 mg/L[27],本研究試驗2中三個處理組在第21天時NH4+-N的質量濃度(分別為0.249 mg/L、0.316 mg/L、0.435 mg/L)均未達到最高限值5 mg/L。NO2--N的作用機理主要是通過呼吸作用,由鰓絲進入血液,與血紅蛋白結合成高鐵血紅蛋白,血紅蛋白的主要功能是運輸氧氣,而高鐵血紅蛋白不具備這一功能,從而導致養殖生物缺氧甚至窒息死亡,一般情況下,當水體中的NO2--N濃度達到0.1 mg/L,就會對養殖生物產生危害[28]。在本研究試驗2中,D100和D200組的NO2--N濃度在第7天時均在安全范圍內(分別為0.066 mg/L和0.087 mg/L),而在試驗第14天,D100組(0.12 mg/L)達到安全限值,D200(0.34 mg/L)超出安全限值,D300組由于養殖密度過大,NO2--N積累過快,第7天(0.23 mg/L)即超過安全限值。比較試驗1與試驗2的D100組,試驗1水泥池內魚的生物量為35 700 g(每尾714 g,50尾),而試驗2中D100組的生物量為47 500 g(每尾475g,100尾),在生物量大于試驗1的情況下,試驗2的D100組在第14天達到安全限值,晚于試驗1的第6天,表明江蘺和四角蛤蜊搭配使用凈化水質效果優于單獨使用江蘺。

當環境中磷濃度較高時,某些藻類能大量吸收環境中的磷,將其儲存在體內以維持低磷濃度時繼續增殖,且藻類對磷的吸收速率與細胞內磷積累量成反比[29]。黃鶴忠等[30]研究表明,隨著培養介質 N、P 濃度的不斷提高,菊花江蘺對 N、P 的短期和長期吸收效率隨之逐漸降低,且長期處于過高的 N、P 濃度環境中,還會破壞葉綠體等細胞器的結構。本研究試驗1中,前14 d水體TP質量濃度均保持在較低水平(0.14～0.21 mg/L),14 d之后逐漸升高,可能因為江蘺在前期吸收了足夠的磷維持自身生長,因此對磷的吸收率降低,也可能因為環境中的磷積累量超出一定量江蘺的吸收能力。

4 結 論

(1)在本試驗條件下,使用江蘺(777.78 g/m3)修復珍珠龍膽石斑魚(1 983.33 g/m3)封閉養殖水體,可以有效清除養殖水體的營養鹽,改良水質;

(2)江蘺(1 555.56 g/m3)和四角蛤蜊(555.56 g/m3)聯合使用可以有效凈化養殖水體,珍珠龍膽石斑魚的最適養殖密度為2 638.89 g/m3,最大不宜超過5 277.78 g/m3。江蘺、四角蛤蜊與珍珠龍膽石斑魚建立生態循環系統,可以實現營養物質有機和無機間的自然循環,有效延長換水時間,降低工廠化養殖的生產成本,實現經濟效益與生態效益雙贏。在生產中,應該科學進行養殖管理,合理控制養殖密度,并根據魚類對江蘺的攝食量,及時補充江蘺,保持江蘺和四角蛤蜊最佳凈水能力。