蝦夷扇貝育苗投餌設備的設計與研究*

李海東 ， 劉家印 ， 葉竹喬 ， 母 剛，，

（1.大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧 大連 116000；2.遼寧省海洋漁業裝備專業技術創新中心，遼寧 大連 116000；3.設施漁業教育部重點實驗室（大連海洋大學），遼寧 大連 116000）

0 前言

扇貝是中國重要的養殖貝類之一，2022 年中國扇貝養殖面積達到3.8×105hm2，占全國貝類總養殖面積的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，在扇貝養殖的育苗環節中，微藻被廣泛用作扇貝幼苗的主要餌料[2-3]。在傳統的扇貝人工育苗過程中，需專門配備餌料車間來提供微藻，技術人員通過觀察水體顏色或用顯微鏡觀察來判斷微藻培養池中微藻濃度是否達到投喂標準，并根據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，投餌量過小會導致扇貝育苗發育遲緩，延誤生產周期，投餌量過大則會污染水質[5-6]。

人工投喂方式依賴于技術人員的經驗，投餌量難以標準化，且技術人員檢測微藻培養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、扇貝育苗周期難以掌控等問題，增加扇貝育苗的生產成本[7]。為解決現有技術所存在的上述問題，需要設計一種結構簡單、布局合理，能夠對餌料車間和育苗池內的微藻濃度進行實時檢測，并根據檢測結果實現針對不同種類、不同濃度的微藻配置，實現扇貝育苗自動精準投餌的設備。

同時，為了能精準檢測微藻濃度，保證投餌量的精準度，找到一種能在線自動檢測微藻濃度（即微藻生物量）的方法至關重要。目前，檢測微藻生物量的方法有很多，如血球板計數法、光密度法、葉綠素熒光法、高光譜成像法、濁度法等。血球板計數法是最常用的方法之一，血球板計數法簡單可靠，但是不能直接用于微藻生物量檢測，若采用機器視覺代替人工計數，計數難度較大、可靠性低且成本較高。葉綠素熒光法和分光光度法檢測微藻生物量的原理都是依據微藻細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 的含量來標記浮游植物的含量，但此方法采用乙醇等化學試劑提取植物細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]依據分光光度法發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數模型，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，結果處理煩瑣，無法實現微藻生物量的快速在線檢測。李建誼等[10]設計了一種新型葉綠素熒光檢測儀，微藻生物量檢測的準確率可達到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，因此使用葉綠素熒光儀檢測無法實現微藻生物量的精準測量。高光譜成像技術通常用于湖泊河流等富營養化的預警與檢測，這種技術常被使用到衛星上，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在結合比較了七種光譜預處理方法后，總結了不同藻種適用的光譜處理方法，準確度較高，但只適用于遠距離、大面積的微藻生物量檢測，不適用于蝦夷扇貝育苗生產。綜上所述，目前的微藻生物量檢測方法效率低、結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，能夠實現蝦夷扇貝育苗生產中微藻含量的快速、準確及在線檢測，并基于此方法，設計蝦夷扇貝育苗投餌設備，實現生產過程在線自動投餌，提高蝦夷扇貝育苗生產效率與經濟效益。

如圖1 所示，設計了一種扇貝育苗餌料自動投喂設備，該設備由餌料培養池、扇貝育苗池、投飼系統和控制平臺組成。投飼系統通過管路將餌料培養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投餌功能。餌料培養池與控制平臺通信連接，餌料培養池用于培養微藻，監測微藻培養狀況，并將微藻培養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通信連接，控制平臺根據餌料培養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備的運行原理

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；當扇貝幼蟲發育到殼頂幼蟲階段中期時，在餌料中要增加扁藻[12]。因此設置有三個餌料培養池，分別培養金藻、小新月菱形藻與扁藻。三個餌料池均設置有微藻生長監測傳感器與持續微量充氣裝置。微藻生長監測傳感器與控制平臺通信連接，投飼系統與三個餌料培養池相連；微藻生長監測系統采用微藻濃度傳感器和水質探測器完成監測，根據微藻種類不同，微藻濃度傳感器設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、抗干擾能力強等優點，能快速及時反饋微藻培養狀況，有利于根據所需的投喂量計算抽取藻液的體積等數據。在微藻培養過程中，餌料培養池中會加入營養鹽為微藻生長提供營養，若微藻未能將營養鹽完全吸收，營養鹽中所含的氨氮磷等成分會對扇貝幼苗發育造成不利影響，因此在餌料培養池中設置水質探測器，檢測餌料培養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測系統由微藻濃度傳感器、水質傳感器與持續微量充氣裝置組成。扇貝育苗狀況監測系統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小于餌料培養池，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育與攝食均有重要影響[13]，采用水質探測器監測氨氮含量、亞硝酸鹽含量與溫度。

1 微藻生物量與濁度標定

為建立微藻生物量與濁度之間的準確關系，進行了微藻生物量與濁度標定實驗。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、血球計數板、蓋玻片、移液槍、光學顯微鏡、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，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讀數，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，滴到血球計數板上，用蓋玻片壓好。再取一滴魯戈式碘液滴到蓋玻片左側，在蓋玻片右側用吸水紙將碘液吸到右側使染色均勻。調整光學顯微鏡讀數，然后根據讀數估算微藻生物量。

1.4 實驗結果

實驗結果如圖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正相關的趨勢。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系，為微藻生物量的在線檢測提供了理論基礎。

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 結論

為了在扇貝育苗生產過程中實時跟蹤監測餌料培養池中微藻培養狀況與扇貝育苗池中微藻消耗狀況，并根據監測數值制定投餌方案，實現精準投餌，本文設計開發了一種蝦夷扇貝育苗自動投餌設備，基于微藻生物量與濁度的關系，通過實驗研究標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系。該設備能精準監測蝦夷扇貝育苗的攝食狀況，檢測餌料培養池與扇貝育苗池的水質參數，減少蝦夷扇貝育苗投餌環節對人力的依賴，提高蝦夷扇貝生產效率，為蝦夷扇貝育苗自動化裝備的設計提供參考。