不同養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 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所,上海 200092;2 同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092;3 農業農村部水產養殖設施工程重點實驗室,上海 200092;4 農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室,上海 200092;5 鹽城工學院海洋與生物工程學院,江蘇 鹽城 224000)

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

工廠化養殖方式中的水泥池微流水養殖和循環水養殖常采用一定的水處理手段凈化養殖水體,實現養殖水體的可控可調及循環利用,每日換水量一般<10%[7],而單位水體的養殖產量達到了5～15 kg/m3[8-9],且可實現反季節養殖,具有較高的經濟效益[10]。該模式在養殖過程中不添加抗生素等殺菌藥物,并配有養殖尾水處理系統,具有綠色環保的優勢,有望成為未來南美白對蝦健康可持續養殖的主流模式[11]。目前,常采用生物絮團技術和生物膜技術控制養殖水體中氨氮等營養鹽的濃度,通過細菌的生物降解作用實現養殖水體中氮磷等營養物質的高效轉化。Carlos等[13]在實驗室規模下用生物絮團技術養殖南美白對蝦42 d,蝦每周增長體質量在0.8 g以上且存活率最高達到94%。而Ray等[14]在較大的室內規模下建立了循環水養殖系統和生物絮團養殖系統,并通過穩定同位素來確定蝦的生長性能,最終發現循環水養殖系統下的南美白對蝦周體質量增長和存活率都高于生物絮團養殖系統。

本研究構建了一套簡易節能型南美白對蝦養殖系統,并以生物絮團養殖方式為對照組,系統分析了兩組水環境指標變化、南美白對蝦生長性能、腸道菌群差異及生產成本,以期為構建高效經濟的南美白對蝦養殖模式提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 南美白對蝦養殖模式構建

本研究構建了南美白對蝦循環水養殖系統(Recirculating Aquaculture System,RAS)和生物絮團養殖系統(Biofloc System,BS)兩種中試規模的生產方式。RAS主要由1個養蝦池(方切角形,長17 m、寬15 m、深1.2 m,實際養殖水體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蝦池,通過生物濾器控制養殖水體中氨氮等營養鹽的濃度。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個養蝦池(實際養殖水體200 m3)組成,無額外水處理設施。放蝦苗前,先往養蝦池中加入芽孢桿菌進行活化,而后加入葡萄糖和飼料進行生物絮團培養,在養殖過程中,通過調節碳氮比控制養殖水體中菌群結構來實現氨氮等營養鹽的去除。

1.2 試驗設計

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

1.3 指標測定

1.3.1 生長指標

南美白對蝦測定的生長指標包括特定生長率(SSGR,%),飼料系數(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為試驗開始和結束時間,d;W1和W2為試驗t1和t2時的平均體質量,kg;N1和N2為試驗開始和結束時南美白對蝦尾數,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 水質指標測試

1.3.3 腸道菌群分析

采用細菌通用引物338F和806R對腸道樣品16 s rRNA的V3-V4區域進行PCR擴增[16]。擴增條件按照文獻[17]進行,將擴增產物使用2%瓊脂糖進行凝膠電泳分析,并將其在Illumina-MiSeq平臺上進行高通量測序。

1.4 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 不同養殖模式下養殖水體水質指標差異

圖1 不同養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 ℃,兩種養殖模式下無顯著差異(P>0.05)。養殖周期的最后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組的平均溶氧質量濃度為6.68±0.44 mg/L,BS組的平均溶氧質量濃度為6.36±0.67 mg/L,兩組之間無顯著性差異(P>0.05)。由于在養殖中后期BS組里存在大量的生物絮團,并且未及時移出養殖池,故養殖池中最低的溶氧質量濃度只有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 不同養殖模式下南美白對蝦生長性能差異

表1顯示了不同養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量高于BS組,平均特定生長率達到(7.40±0.01)%/d,顯著高于BS組(P<0.05)。在養殖過程中,RAS組南美白對蝦的存活率達到(73.37±1.00)%,顯著高于BS組(P<0.05)。RAS下最終養殖密度達到5.58±0.06 kg/m3,顯著高于BS組(P<0.05)。不同養殖模式間的飼料系數和肥滿度無顯著差異(P>0.05)。

表1 不同養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對不同養殖模式下南美白對蝦的腸道菌群進行了分析,結果顯示,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顯示了不同養殖模式下南美白對蝦腸道門水平群落結構變化。

表2 不同養殖模式下腸道門水平群落結構組成所占比例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養殖模式中占據優勢地位。

在屬的水平上,兩種養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養殖模式中占據優勢地位(圖5)。

圖5 不同養殖模式下腸道屬水平群落結構組成所占比例Fig.5 The proportion of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

圖6顯示了不同養殖模式下南美白對蝦腸道屬水平群落結構差異,由圖6可知,norank_f_JG30_KF_CM45、丙酸桿菌屬(Propionibacteriaceae)、細桿菌屬(Microbacterium)、白蟻菌屬(Isoptericola)、IIumatobacter、類諾卡氏菌屬(Nocardioides)在RAS養殖模式中的相對豐度極顯著高于BS養殖模式(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養殖模式中norank_f_JG30_KF_CM45的豐度最高,BS養殖模式中下水道球菌屬(Amaricoccus)的豐度最高,兩種養殖模式均存在顯著差異(P<0.05)。

圖6 不同養殖模式下腸道屬水平菌群結構差異Fig.6 The differences of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

2.4 不同養殖模式下南美白對蝦生產成本對比

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

表3 不同養殖模式南美白對蝦每0.5 kg生產成本(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模RAS模式和BS模式下南美白對蝦的生長性能差異,經過100 d的飼養,兩種養殖模式下最終的養殖密度分別達到了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,該研究結果與Andrew等[19]研究相似,其可能是由于兩種模式下養殖水體中水質指標的差異所致。RAS模式下水體中的氨氮等營養物質主要通過養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,故對養殖水體中的營養鹽去除效率比較穩定,在整個試驗過程中,亞硝酸鹽氮質量濃度低于1.2 mg/L,而BS組有近20 d試驗周期亞硝酸鹽氮質量濃度達到2 mg/L。養殖水體中亞硝酸鹽氮質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量濃度為5.71 mg/L[22]。亞硝酸鹽氮脅迫增加了斑節對蝦幼蝦的蛻皮頻率,但每次蛻皮的體積增量較小,導致生長速度緩慢[23]。在較高的亞硝酸鹽氮水平下,南美白對蝦肝胰腺中的R細胞數量(消化酶合成的主要部位)顯著減少,導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模式主要通過調控碳氮比實現異養細菌的快速繁殖,養殖水體中的無機氮主要通過化學自養細菌的氧化和異養細菌的同化去除[26]。本試驗養殖前期,BS組中以異養細菌占主導,故亞硝酸鹽氮質量濃度偏高,而后逐漸轉為以化學自養細菌為主,進而實現亞硝酸鹽的有效控制。而一段時間亞硝酸鹽氮質量濃度的高居不下,導致了BS組南美白對蝦的存活率降低,進而影響其最終的養殖密度。

3.2 不同養殖模式對南美白對蝦腸道菌群的影響

南美白對蝦養殖環境中的微生物群落結構復雜,并且一直處于動態變化之中,而外界環境極易影響南美白對蝦腸道微生物群落結構。研究發現,腸道細菌群落的平衡對宿主健康至關重要[27]。本研究發現蝦體腸道微生物中變形菌門占比最多,在RAS養殖模式中占比40.56%,在BS養殖模式占比達60.75%,說明變形菌門在南美白對蝦腸道菌群中占優勢地位。這與之前的研究類似,南美白對蝦腸道的優勢菌均是變形菌門[28-29]。變形細菌是所有細菌中種類最多的一個族群,在水體中分布廣泛具有較強適應性[30],其中α-變形菌綱在海水細菌中尤其重要。有學者研究發現,下水道球菌屬(Amaricoccus)屬于α-變形菌門,它可以通過在無氧環境中合成大量的碳源貯存物質(PHB)來對污水中的有機物進行降解[31]。由于生物絮團可作為飼料被南美白對蝦食用,因此對蝦腸道內可能存在與生物絮團相同的某些菌。下水道球菌屬(Amaricoccus)在對蝦腸道內的出現說明了養殖環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,可以進行光合作用,具有異養同化功能。這種細菌在對蝦腸道中出現表明它是作為水生環境中的菌群進入對蝦腸道的。綜上所述,養殖模式的差異影響了南美白對蝦腸道內的優勢菌門和優勢菌屬的豐度。

4 結論