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1、对虾养殖中人工基质的作用目前中国对虾养殖业快速发展,同时也伴随近海养殖水体日益恶化、抗生素和化学药物被滥用和水产品食品安全等一系列问题。这些问题严重制约着对虾集约化养殖的可持续发展,因而选择一种愈加健康、绿色和安全的养殖形式显得尤为重要。作者通过介绍人工基质这种新型水处理技术外表生物膜的构造和构成经过,讨论了其功能性(水质调节、饲料补充和病害防治)机理,对其在对虾养殖业中的实际应用做了瞻望。关键词:对虾;人工基质;生物膜;机理在过去数十年中,中国的对虾养殖业在规模和产量上都有了一个较大的发展,养殖形式也从过去的低投入、低产出的粗放式养殖形式朝向高投入、高产出和精细管理集约化养殖形式转变。但是,
2、当前集约化养殖也存在着一些问题,例如因其较高的养殖密度、单一的人工饲料投喂、相对简单的生态系统以及过低的环境承载力极易造成水体中有毒污染物的快速积累,导致水质恶化、病害频发1-2;而抗生素的大量使用,极易造成恶性循环,不仅导致了耐药性病原菌的出现,而且影响产品食用安全和环境安全3-5。因而选择愈加健康、绿色和安全的养殖技术就显得尤为重要。人工基质,也称人工水草,属于生物-生态修复技术领域,人为将耐酸碱、耐污、柔韧性很强的材料投入水中,在载体外表构成从菌类、藻类到原生动物、后生动物的立体微生物生态系统,提高污水处理的效果,实现治理系统的高效性和稳定性6。人工基质可有效富集水中的土著微生物,利用微
3、生物的吸收、分解和同化等作用,去除部分氮磷等富营养物质;同时利用微生物对污染物的降解作用,可去除水体中的有机污染物、藻类甚至藻毒素等物质,到达净化水质的目的,进而广泛用于污水处理中7-9。将人工基质用于对虾养殖中起步于20世纪80年代,并获得了良好的效果10-13。1人工基质外表生物膜的构造和构成经过人工基质外表生物膜的构成是动态发展的经过。生物膜的最初构成是一个物理-化学的自发反响经过,这个经过在基质放入水体中的最初几秒到几分钟之内完成,主要指水体中的悬浮物自发向基质外表靠近附着的经过。最初,细菌群落开场在基质上附着、生长、繁衍14;随后便有藻类、真菌、原生动物、浮游动物和其他无脊椎动物等生
4、物参加菌膜,最终构成多生物种类组成的动态变化的生物膜15。如图1所示,人工基质外表生物膜大致能够分为4层16。自内向外分别是厌氧水层、好氧水层、附着水层和流动水层。在空气中的氧气进入养殖水体之后,伴随着水体的流动到达基质外表的附着水层,再经过附着水层向好氧水层内部扩散,最终被好氧层中生物的各种有氧代谢消耗殆尽。人工基质外表好氧水层、附着水层和流动水层之间的物质交换和能量流动最为频繁,养殖水体中的氨氮等有害代谢产物经流动水层进入到附着水层,进而扩散到好氧、厌氧水层被各水层中附着的细菌、藻类吸收利用,维护良好水质,为养殖生物的健康生长提供了良好的外部环境。2人工基质的材料选择及种类在水产养殖中,人
5、工基质的选择必须知足下面几个条件:(1)材料本身无害、无毒,不向水体中释放有毒、有害气体或物质,确保其不对养殖生物产生危害;(2)材料比外表积大、高孔隙率,布水布气性能好,并且不易堵塞;(3)材料具有一定的机械强度或者韧性,不宜被微生物降解,能够被重复利用;(4)价格低廉,容易获取17。目前,人工基质的材料种类包括无机类载体,如硅酸盐类、碳酸盐、炭纤维、矿渣、活性炭等;有机合成高分子基质,如聚丙烯、聚乙烯、PVC管材等;天然可降解高分子基质,如稻草、壳聚糖、海藻酸钠和纤维素等17。3人工基质在对虾养殖中的应用3.1吸收转化污物,维护良好水质人工基质参加养殖水体之后,原有的以水-土界面为主的好氧
6、-厌氧、硝化-反硝化条件扩大到整个水体,其基质外表迅速吸附水体中的悬浮颗粒物质并逐步构成一层生物膜状构造,膜中的细菌群落能够对吸附其上的残饵、粪便等有机碎屑进行彻底地分解利用,减少其在池塘底部沉积,厌氧代谢产生一些有害代谢产物15。此外,膜上的附着藻类以及细菌,可从水体中吸收氨氮、硝酸盐等营养盐。薛松松18挂设纳米材料的人工基质对养殖水体的氨氮、亚硝氮、无机磷去除率分别为93.5%、69.3%、40.9%,且提高人工基质的面积可显著增加水处理的速率与效果。同样,Audelo-Naranjo等19使用阿科蔓生态基(AquaMatsTM)作为人工基质,实验组的游离氨(NH3)和铵离子(NH4+)与
7、对照组比分别降低了22%和39%,亚硝酸盐降低了37.5%。江兴龙等20在6口养殖对虾的池塘中设置专用人工基质(生物膜净水栅,专利号ZL201120032516.6),在养殖135d期间,实验组的pH、TAN、亚硝酸盐、无机氮和无机磷浓度分别显著低于对照组7.5%、78.8%、76.2%、53.2%和66.1%,DO浓度极显著高于对照组13.5%。同时检测发现,细菌总数、水体硅藻相对密度、藻类生物多样性指数分别极显著高于对照组206%、173%、25.6%,藻类密度、蓝藻相对密度分别显著低于对照组64.7%、70%,人工基质的使用改善和稳定了对虾养殖水质。另一方面,硝化细菌、反硝化细菌在促进氮
8、的循环中也起到了不可忽视的作用,但是这些细菌有其譬如世代长、生长慢、消化总碱度大、附着性强等问题17。添加人工基质,能够增加硝化细菌和反硝化细菌的附着面积,有利于其快速生长、繁衍,并最终加速氨氮和亚硝酸盐氮等无机氮的转化、去除,大大降低了有害含氮代谢产物对养殖生物的毒害作用,到达净化水质的目的。吴伟21等采用弹性生物填料为人工基质,水面下50cm处每克填料上的各类微生物的数量在30d左右到达峰值,细菌总数、真菌总数、氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌的数量分别为初始时的1366、257、233、250和225倍,其吸收转化氮的能力得到了极大的提高。3.2提供附着面积,增加养殖空间人工基质提供了附着
9、面积,改变了对虾在养殖系统内的分布。张波6发现没有添加人工基质的对照组,对虾在桶底(59%64%)、水体(14%21%)以及桶壁(19%23%)的比例保持相对稳定。然而,在添加有人工基质的实验组,人工基质上分布对虾的比例随着人工基质数量和养殖时间的增加而增加;而在桶底分布状况却恰好相反,随着人工基质数量和养殖时间的增加,桶底分布的对虾比例却逐步减少。在G5组里,实验结束时,桶底的对虾分布比例最小(6%),而人工基质上的比例却到达最大值(62%)。在整个实验期间,分布于桶壁(16%23%)和水体(13%21%)的对虾比例在实验组和对照组间没有显著性差异。对虾为底栖生物,其能否健康成长与底质的好坏
10、密切相关。对虾在人工基质上的长时间停留,将大大减少其与池塘底质环境的接触时间,也减少其遭到底质中病原菌的感染几率,这些都将有益于其健康生长。这些研究结果也为今后探索进行高密度、集约化的养殖管理提供了必要的理论基础和参考根据。由于人工基质增加对虾的栖息场所,相应降低了对虾的养殖密度,减少了相互残食的几率和发生应激的概率,提高了对虾成活率。Sandifer等10使用玻璃纤维片为人工基质,实验组的对虾成活率(82%)极显著高于对照组(58%)。Audelo-Naranjo等19在以阿科蔓生态基(AquaMatsTM)为人工基质,发现实验组的对虾成活率(81.4%)也是显著高于对照组(75.0%),单
11、位产量也有极显著差异(1.302kg/m2和1.144kg/m2)。Moss等22、Otoshi等23及Samocha等24使用其他材质人工基质也都有类似的研究发现。3.3补充额外饵料,降低饲料系数研究发现,人工基质外表生物膜的组成特别复杂,既包括饲料残饵、粪便等有机碎屑,也包含各种各样的藻类、浮游动物和浮游植物等,甚至会有原生动物出现。这些丰富的生物群体本身就是一种优质的高蛋白质生物饵料,能够作为对虾额外蛋白来源25-27。Audelo-Naranjo等19发现使用阿科蔓生态基的实验组FCR仅为1.6,极显著低于对照组1.9。对人工基质上的生物膜营养成分分析,其中蛋白质占23%30%,脂质占
12、2%9%,灰分占16%42%和无氮浸出物占25%28%,由此可见其营养之丰富25。在零换水系统中,Epp等28发现养殖凡纳滨对虾(Litopenaeusvan-namei)体内31%的氮来自饲料蛋白之外的氮源提供。Abreu等25利用同位素示踪法进一步证明,对虾体内超过49%碳和70%氮能够来源于基质外表的生物膜。这些发现充分显示了生物膜作为对虾额外的蛋白补充来源的重要性。生物膜构造作为对虾食物来源不仅受外界环境影响小,而且还是24h全天候的天然食物源,不会遭到投喂时间、频次的限制,可随时为对虾所摄食利用。如此,在生产实践经过中,就能够尝试适当减少投喂量和投喂频率,促使生物膜中营养物质成分尽可
13、能多的为对虾生长提供所必要的物质和能量,也在某种程度上促进了池中生物群体间食物链的延伸。3.4促进有益菌生长,抑制病原菌数量致病菌通常适宜在厌氧、有机物含量丰富的水体中(大多为池塘底部)生长繁衍,人工基质的出现,大大降低了池塘底部的有机物沉积速率,加快了上下层水体间的交换频率,延缓了上下层水体间的分层15。厌氧水域层的减少,有效降低了有害致病病原菌的生存空间,扩展了有益菌的生长、繁衍的空间。从细菌种间竞争的角度来看,一旦水体中有益菌构成占位优势,则能够有效抑制水体中有害弧菌数量,降低对虾感染弧菌病的几率29。Zhang12检测发现,设置人工基质的对虾养殖水体弧菌数量(4.75103CFU/mL
14、)显著少于对照组(1.70104CFU/mL)。江兴龙等20也发现实验组的水体弧菌极显著低于对照组66%。另有研究发现,生物膜上微生物群落除了对养殖水体中含氮代谢物具有较强吸收作用外,生物膜上的细菌和微藻也会产生特定的抗生素类化合物质,能够有效地抑制致病菌的生长繁衍速度30-32。江兴龙等20发现人工基质外表生物膜上弧菌的检出率为零。Austin等33发现斑节对虾摄食人工基质的生物膜后,能拮抗溶藻弧菌、鳗弧菌、副溶血性弧菌和创伤弧菌的感染。当然,对于这些细菌和藻类产生抗生素类化合物的机制、目的和释放周期等原因尚不清楚,需要做进一步的研究。4小结与瞻望人工基质应用于对虾养殖水体中,除了能够有效调
15、控水质、减少换水之外,还兼具了饵料补充、为对虾提供栖息场所、降低致病菌感染几率等众多作用,显示出人工基质在对虾水产养殖中具备着广阔的应用前景。但是,目前仍然有需要解决的问题,其中包括:(1)人工基质选材。正如前文所述,人工基质的材料很多,其中既有价格昂贵的商业人工基质产品如阿科蔓生态基,也不乏价格低廉的农业副产品,例如稻杆、甘蔗渣、竹竿等等。这些材料虽来源广、价格低、易获取,但是详细的使用方法、使用效果不一,没有统一使用规范。(2)人工基质使用量。受对虾规格、养殖密度、日常管理等影响外,还受不同地域的环境、气候、养殖水体理化性质等众多因素的影响,因而要想得到一个统一的、符合实际的人工基质量,仍需要更多的研究作为支撑。(3)基质外表生物膜的成熟和强化。人工基质外表生物膜中生物群落的成熟,通常为一个自然驯化成熟的经过,该经过较为缓慢,一般需要30d左右才能够完成。但是,对于膜中各个微生物群落的构造组成、详细功能、群落演替规律来讲,目前仍然是一个“黑匣子,其中的机密也等待着更多学者的更多努力和研究来揭示。因而,今后对人工基质在对虾养殖中的应用研究中,能够借助其他技术手段,例如与当代分子生物学技术结合,培育高效的污染物降解菌;与纳米材料技术相结合,构建高亲和力的生物膜载体材料;还能够结合现代固定化微生物技术,对选育出来的菌株进行固定、包埋,使之能够愈加持久、高效的发挥作用等。