印尼技術:小微藻如何實現工廠化養蝦零排水

国产v亚洲v天堂a在養蝦業舉步維艱的2015年,傳統土塘及高位池養殖池塘已經難以承受高密度白蝦養殖帶來的生態壓力,“連作障礙”這個曾經在種植業談及色變的名詞,在水產養殖行業也越發地凸顯出來。然而同為亞洲養蝦大國的泰國、印度、印尼,2015年的蝦產業行情卻壹如既往的優異。

国产v亚洲v天堂a近期,來自印度尼西亞萬隆科技研究所的Suantika G及團隊(Lumbantoruan G, Muhammad H, Azizah FFN和Aditiawati P)發表了壹篇關於工廠化零排水養蝦的學術文章《關於利用硝化細菌及角毛藻來實現工廠化養殖南美白對蝦零排水(Zero Water Discharge,ZWD)系統的構建》,以下是部分內容。

摘要

這項研究主要針對如何利用硝化細菌及角毛藻來實現工廠化養殖南美白對蝦零排水(Zero Water Discharge,ZWD)系統的構建。研究主要有三個步驟:

  • 第壹步,活化和培養硝化細菌和角毛藻;
  • 第二步,調節ZWD系統;
  • 第三步,在對蝦養殖過程中使用ZWD系統,並且用壹個常規系統作為比較(每四周更換壹次水,但不增加硝化細菌和角毛藻)在九十天的養殖時間中,基於相同的氨氮水平,ZWD系統相比較於常規系統多投料1178.28g。
  • 在最後階段,ZWD系統整體養殖表現更好平均體重8.24 ± 0.84 g,成活率90.82 ± 2.5%,飼料轉化率1.27 ± 0.29,相比之下常規系統中,平均體重5.45 ± 0.28 g,成活率27.22 ± 2.09%,飼料轉化率 4.10 ± 0.66。

簡介

甲殼類在印度尼西亞漁業國民生產總值占比巨大,而南美白對蝦更是占到甲殼類總產量六成以上,是高質量蛋白質及周邊產品的重要來源。2014年的壹月到六月,印度尼西亞年出口蝦達到156000噸,蝦是甲殼類商品第壹出口品種,占總出口量的百分之八十。

雖然蝦產業給印尼和很多亞洲國家帶來了豐富的國民收入,不過在越南、厄瓜多爾、中國、馬來西亞、菲律賓,養蝦行情卻越來越差,而且大多還是采用傳統的養殖方法。然而,由於室外土塘很少關註水質控制,因此導致疾病的大量爆發。其中壹項重要原因就是氨氮的累積。為了解決氨氮問題,養殖戶們通常會采用頻繁換水的方法,但是考慮到生物安全和環境影響,換水的方法通常是不切實際的。再有,換水這種方法有可能導致水質不穩定。

最近,使用硝化細菌和角毛藻來操作的零排水系統(ZWD)被應用在羅氏沼蝦的養殖過程中。應用ZWD的結果是顯示增加了10-20%的成活率。因此根據這個喜人的結果,ZWD的發展作為工廠化南美白對蝦養殖的替換系統可以被進壹步評估是否同樣可行。

ZWD提供了成套系統的提升和環保水技術,尤其是最優化營養素循環(無機和微粒氮)。通過添加硝化細菌和角毛藻能使銨根離子、亞硝酸鹽和硝酸鹽保持在壹個可接受的水平。這些微生物們能有效地增強水質。硝化細菌能將銨根離子根離子轉化為亞硝酸鹽(亞硝化單胞菌),而且把亞硝酸鹽轉化成硝酸鹽,同時微型藻類生物群同樣對於減少硝酸鹽和作為蝦的食物補給起著很重要的作用。

材料和方法

硝化細菌和角毛藻的活化和培養

作為培養的硝化細菌是從萬隆科技協會(以下簡稱SITH ITB)的微生物實驗室中獲取的。硝化細菌使用維諾格拉斯基式(Winogradsky)液態培養基活化之後擴增至100L,如圖1所顯示。

圖1:用於提升硝化細菌的生物反應器

圖1:用於提升硝化細菌的生物反應器

作為培養的角毛藻是從SITH ITB的水生生態系統分析實驗室中獲取的,使用蓋亞爾式(Guillard )培養基活化之後擴增至40L,如圖2顯示。

圖2:角毛藻的批次系統

圖2:角毛藻的批次系統

 

白蝦幼體的環境適應

在這項研究中使用的PL-10白蝦取自西爪哇的 PT.Suri Tani Pemuka Indramayu公司,在印度尼西亞SITH ITB生命科學與技術學院的水生生態系統分析實驗室用室溫(25 ± 1°C)培養至PL-15。

ZWD系統的調節

這項研究是在圓柱式纖維池中進行的,灌滿30L、30ppt鹽度無菌和過濾的海水。如圖三顯示,ZWD系統帶有四個隔層:

  • 1.微生物部分:硝化細菌和角毛藻,對於養殖中的氮循環起著作用。
  • 2.充氣線來提供和保持可溶解的氧氣水平,使培養均化。
  • 3.利用遮擋板(paranet cover)來減少光照,以及促使硝化細菌和角毛藻良好生長;
  • 4.使用過濾後和消毒後的水來養蝦;
  • 5.使用飼料盤來控制每日飼料投餵;
  • 6.使用碳酸鈣砂礫作為移居硝化細菌的基底,並且有作為pH值緩沖劑的作用。

圖3: ZWD系統養殖南美白對蝦的原理概述

圖3: ZWD系統養殖南美白對蝦的原理概述

 

在養殖環節開始之前,ZWD系統需要被接種10L的硝化細菌(10 6 CFU/ml)和12L的角毛藻(106 cells/ml),總容量為300L。硝化細菌的銨根離子分解能力利用添加3gNH4Cl((≈ 10 mg/L 的銨根離子)。直到 NH4+和 NO2-水平減少至接近 0 mg/L調節停止。

執行處理

在這項研究上有兩套可實施的壹式三份處理方法:常規養殖(無額外添加硝化細菌和角毛藻,80%的水量每四周更換壹次)作為控制對比,和ZWD系統(帶有額外的硝化細菌和角毛藻)養殖。為了抵消由於虹吸以及蒸發所造成的水流失,每兩周添加六升(養殖量的2%)的海水。調節之後,PL-15蝦被放養在常規養殖系統和ZWD系統中,放養密度(≈400 ind/m3)。每兩周,5L的硝化細菌和12L的角毛藻被分別地加入ZWD系統中,密度為±106CFU/ml 和 ±106cells/ml。整套實驗實施起來需要九十天的養殖時間。

飼料管理

飼料量需要每周根據平均體重測試、存活率來估算,及攝食率來調整。

.投料公式如下:

Σ feed (gr) =SD × MBW × FR × SR

其中:SD是放養密度(個體/池),MBV代表平均體重(gr),SR是成活率(%),FR是攝食率(%)。

飼料被放置在投料盤上,並且時常監控每日提供飼料數據的準確性(如表格1所示),和檢查蝦的大小、狀況。消耗率則利用投料盤上剩余的飼料來計算。投料計劃由Tacon來修改。飼料每日投五次,分別在,早上八點、十壹點,下午兩點、五點和晚上八點。

物理和化學水質參數

  • 物理參數:溶氧量和溫度每天通過壹個數字儀表Hach ? 40 qd來計算,和優特儀器(Eutech Instruments)測量pH值。
  • 化學參數:銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽、正磷酸鹽使用奈斯勒(Nessler),重氮化(Diazotation)和硝酸鹽酸(Nitrate HCL)氯化亞錫(Stannous Chloride )壹周內分別測量兩次。

生物和微生物參數

生物參數:在養殖期間需要測量的參數有總重量,平均體重,比生長速率,成活率,飼料轉化率。成活率則用下面所給的公式計算:

SR=N t /N o ×100%

其中:SR代表成活率,N o 代表初始時期蝦數,N t 代表最終蝦數,t代表養殖時長(天)。

比生長速率用如下所給的公式計算:

SGR (%/day)=[ln (W 2 /W 1 )/(T 2 -T 1 )×100]

其中:SGR是比生長速率,W 1 為初始時期體重(g)在時間T 1 (天),W 2代表最後的體重(g)在時間 T 2 (天)。

微生物參數用總細菌數和平皿計數法來計算。總細菌量每周用放置在瓊脂培養基上的水樣來計算,弧菌數量每四周利用硫代硫酸鹽檸檬酸膽汁鹽瓊脂培養基計算壹次。

結果和討論

調節ZWD系統

系統調節期間,已被觀察的現象是在五天內硝化細菌能夠轉化10mg/L的銨根離子至0mg/L(平均分解能力是每天2mg/L),如圖4顯示。能從第五天亞硝酸鹽濃度增至3 mg/L看出,銨根離子轉化成了亞硝酸鹽,之後保持平穩直到養殖期第15天。第十七天前,亞硝酸鹽水平驟然低至接近0 mg/L。作為硝化作用的最後產物,硝酸鹽在最終養殖階段前(第十七天)累積達到60 mg/L。

圖4:ZWD調節中基於銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度上硝化細菌的表現

圖4:ZWD調節中基於銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度上硝化細菌的表現

調節過程是對於蝦的放養以及養殖非常關鍵的步驟,這個環節能使ZWD系統去轉換有毒NH4+和 NO2-成低危害物質NO 3 – 。從結果來看,氨氧化菌在調節階段第五天被活化。然而需要更長的調節時間——十七天,來活化亞硝酸鹽氧化細菌。對於亞硝酸鹽氧化細菌,較長的活化時間是因為較之氨氧化菌更為緩慢的成長和翻倍速度。作為硝化作用的第二步,NO2-氧化發生在NH4+ 氧化反應之後。這種連鎖反應同樣減慢了活化的速度,因為該反應高度依賴NO2-在第壹次反應中的可得性。

即便硝化過程能夠在調節過程中完成,但是較長的調節階段(十七天)會被考慮為ZWD系統中的阻礙環節,因其導致蝦壹個養殖周期的時間延長。壹個備選方案來克服這項劣勢就是,亞硝酸鹽氧化細菌在接種至ZWD系統前,在養殖階段活化。

物理和化學參數測量

銨根離子、亞硝酸鹽和硝酸鹽在常規系統和ZWD系統中的濃度範圍如表格2顯示。銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽濃度在兩套策略中都在允許的範疇之內。

在養殖期間九十天中,銨根離子、亞硝酸鹽和硝酸鹽的趨勢如圖5顯示。值得註意的是,銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽水平趨於緩慢增長。於ZWD系統中,銨根離子、亞硝酸鹽、硝酸鹽水平分別介於0.07–0.69 mg/L, 0–3.15 mg/L, 1.04–42.9 mg/L之間;於常規系統中,則分別介於0.20–0.59 mg/L, 0–3.2mg/L, 1.38–14.17 mg/L之間。根據這些圖片顯示,溶解的無機態氮在九十天養殖期測量水平在兩種養殖系統中並無顯著差別(p>0.05)。除此之外,ZWD系統中 NH4+和 NO2-的分解能力較於常規系統更高。主要是由於ZWD系統所需的飼料量(≈ 1178.28 g)更高,大概高於常規系統(≈ 656.15g)44%。這就造成了更高的有機物積累因此作用到系統中更高的銨根離子(NH4+)積累。根據估算,預估ZWD系統中九十天內的投料能夠產生總計55.20 mg/L 的NH4+,等於每天0.61mg/L。相反,在常規系統中則是30.73 mg/L,每天0.34mg/L(總投料656.15 g)。從預算中可以得出,ZWD系統中每天2 mg/L的銨根離子分解能力更高於常規系統。

更優的銨根離子和亞硝酸鹽轉換率在九十天養殖期測試後得到了驗證(圖5c)。在養殖期的最後階段,亞硝酸鹽水平在ZWD系統中為42.9mg/L較於常規系統的14.17 mg/L高出許多((p<0.05)。硝化作用的最終產物顯示,氨氧化細菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)在系統中表現良好。這體現為維持壹個穩定的、低毒性的NH4+和NO2-水平,除卻ZWD系統中要高出180%的投料。

圖5:(a)銨根離子、(b)亞硝酸鹽、(c)硝酸鹽在九十天養殖期間常規系統和ZWD系統中的水平

圖5:(a)銨根離子、(b)亞硝酸鹽、(c)硝酸鹽在九十天養殖期間常規系統和ZWD系統中的水平

除卻蝦的生產力,ZWD系統中的NH4+和NO2-累積水平需要被謹慎對待,因為這些有毒物質的存在導致了,如果想要保證更好的生長以及避免養殖系統崩潰就需要采取增加飼料投餵。因此,壹個精準的系統調節過程(圖三)是系統操作之前的首要任務。這種調節將提供給ZWD系統表現的穩定性,尤其是NH4+和NO2- 的分解能力。

相對較低的NH4+ 和 NO2- 水平也可能影響到海洋矽藻——角毛藻在ZWD系統中的內含物。角毛藻可以在同化作用過程中攝取NO 3 – 和 NH4+ 作為氮源,因此NH4+ 和 NO2- 水平能夠被保持在壹個可接受的層面。 對於養蝦來說,保持銨根離子、亞硝酸鹽和硝酸鹽的低且穩定的水平是尤為重要的。過量的銨根離子能導致生長減緩,增加耗氧量和氨氮排泄,左右血淋巴蛋白濃度和遊離氨基酸水平,甚至能導致死亡;鑒於,高量亞硝酸鹽能夠誘導高鐵血紅蛋白形成,從而導致低氧和蒼白病,後者能造成蝦生長阻滯及死亡。

在九十天養殖期間內預估的微生物循環在圖6中有所展示。總的來說,營養素循環在ZWD系統中囊括了氮循環和碳循環。可以被觀察到的是過度投料不僅能造成蝦的生長,也能造成水體中與蝦的排泄物壹起累積起來的有機物。這些有機物隨即將會被異養細菌所利用,通過氨化過程轉化成 NH4+ 。再者, NH4+ 離子將被化能無機營養物氨氧化細菌氧化形成有毒物NO2- ,其後NO2- 將被化能無機營養物亞硝酸鹽氧化細菌轉化成輕度有毒物NO3- 。最後,NO3- 作為宏量營養素之壹於同化過程中被能光合自養的有機體(角毛藻)所利用,角毛藻在其中起著蝦的活性食物和水體增氧的作用。微藻生物也能造成水體中有機質增量,伴隨著化能無機營養菌和異養細菌。

圖6:90天養殖期時期微生物循環在ZWD中的預測

圖6:90天養殖期時期微生物循環在ZWD中的預測

縱觀ZWD系統的微生物循環中三種微生物組成成分,只有兩種(光能自養菌和化能無機營養菌)在ZWD 系統中被應用了,而異養成分則還沒有被利用。然而,對於ZWD系統的進壹步發展,功能性異養成分的應用將被作為更為重要的壹步。三種成分協同應用能夠幫助穩定和降低生物多樣性,同時能夠在養殖水體重提高氨化、硝化和同化作用過程。

在兩套系統中,其它理化參數(例如PH、溫度和鹽度)分別在7.63-8.8, 25.96-30.63°C 和27.6-38.3 ppt 之間。這些數據都在對蝦養殖可接受範圍之內。

適宜的ZWD養殖條件將創造出更好的生長環境,即便可能由於蝦的生存率不等(90.82%相比較於較低的 27.22%)和更高的有機物投入導致溶氧平衡漸減。然而,在九十天養殖期間後的這套系統中,溶氧級衰減至少於1mg/L (在常規系統中7.42 ± 0.52 mg/L 和在ZWD系統中6.81 ± 0.5 mg/L)。溶氧級衰減即便沒有造成什麽嚴重的影響,這個結果也應該被采用為未來ZWD系統的進壹步應用和發展,尤其是當養殖過程需要實施超過三個月的情況下,因為其中蝦的養殖密度和有機物累積能減少系統中氧的平衡。從結果來看,溶氧平衡能夠由微型藻和ZWD系統中不間斷充氣得到補償。

微生物參數測量

常規系統和ZWD系統中總細菌量在十二周養殖周期的數量展示在圖7。

圖7:在常規和ZWD系統中 90天養殖期內細菌總量

圖7:在常規和ZWD系統中 90天養殖期內細菌總量

 

根據這些結果,實驗過程中的總細菌量在兩套養殖系統中都有增長的趨勢。在ZWD系統中,最大細菌總量和弧菌總量分別是1 ×1010CFU/ml 和4.8 ×102CFU/ml;在常規系統中,數據則分別是6.7 × 1010CFU/ml 和1.05 × 102CFU/ml 如表格3所示。在養殖周期中,ZWD系統和常規系統中的細菌總量和弧菌總量沒有顯著差異(p>0.05)。

值得註意的是,ZWD系統中過量的有機物累積沒有明顯地提升細菌量,即便高有機物含量能夠促使異養細菌增長這壹現象是人們的普遍認知。結果表明,硝化細菌和角毛藻的存在能夠控制條件致病菌和弧菌的生長。硝化細菌能夠與其他細菌競爭養分和空間,海洋矽藻分泌脂肪酸和酯類可以擔當抗菌化合物。並無驚訝的是,ZWD系統中的弧菌總數低於致病水平的106CFU/ml,即便ZWD系統中存在更高的蝦的養殖密度和投餵量。

常規系統中所觀察到的低細菌總量是由於定期換水(每四周80%)所帶來的常規稀釋,而且會有較少的食物殘留和生物廢棄物累積。

生物參數測量

觀察蝦的養殖生產力是靠計算平均體重(MBW),總重,存活率(SR),比生長率(SGR),和飼料轉化率(FCR)。

於ZWD系統,九十天的養殖周期後得到了更好的養殖效果。生物參數的測量值包括平均體重(MBW)8.24 ± 0.84 g,總重923.38 ± 42.15 g,存活率(SR)90.82 ± 2.5%,比生長率(SGR)7.7 ± 0.11%,都遠遠高於常規系統(MBW: 5.45 ± 0.28 g, 總重: 160.48 ± 6.62 g, SR: 27.22 ± 2.09%, SGR 7.24 ± 0.05)。ZWD系統中的飼料轉化率FCR是1.27遠低於常規系統的4.10(p<0.05)。值得註意的是兩個關鍵參數,SR和FCR預期分別是在51%到91%和 1.5 到 2.6範圍之內。即便投料更多,養殖密度更大,ZWD系統中能有更好的養殖效果是由於更加好且穩定的水質保持。

除卻應用硝化細菌對於水質((NH 4 + and NO 2 -)的益處,使用微生物和角毛藻也可以通過提供遮蔽效應和替代飼料來創建壹個更適宜的養殖條件。這些因素都能夠減少因為水體能見度較低所導致的同類相食現象,並且能夠作為對蝦的食物補充。

除卻在物化、微生物和生物參數信息,對蝦生產的成本預算也將成為這項水產行業新型養殖方法進壹步應用之前尤為重要的壹個步驟。估算是建立在九十天養殖期中預計生產100kg對蝦的基礎之上,根據研究中對蝦的養殖效果(總重、FCR、MBW、SR)、幼體成本、飼料成本、和耗水量來計算。如表格五顯示。

計算需根據九十天養殖期間生物參數來進行。ZWD系統中,對蝦生長快和成活率高表現於FCR更好和更低,最終體現在2375240 IDR(印尼盾)的利潤上。根據此項分析,ZWD系統用於工廠化養殖南美白對蝦的養殖對比帶有同等初始蝦密度的情況下所得到的利潤有所提升。最終的經濟優勢是源於從SR,MBW和FCR所呈現出的更為優勢的養殖效果。在養殖期間,ZWD系統中生產100kg對蝦耗水量較少(52.1m3),相比較於常規系統的78m3。這種情況說明ZWD系統不光能帶來經濟效益,而且能最小化水質幹擾,減少對環境的廢水排放。

結論

基於這項研究,零排水系統ZWD能夠作為蝦養殖的替代系統,ZWD系統從水質、SR(存活率)、增長和FCR(飼料轉化率)方面提升了對蝦養殖性能。

附錄:

表格1:工廠化養殖南美白對蝦的投料計劃

平均體重(gr)攝食率(%)存活率(%)投餵盤監控的時間間隔
<110.01003.5
1-38.0983.5
3-56.0962.5
5–75.0942
7–94.0922

表格2:90天養殖時期中常規和ZWD系統中銨根離子、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度範圍

參量常規系統ZWD系統限度
銨根離子(mg/L)0.20-0.590.07-0.69≤ 3.95
亞硝酸鹽(mg/L)0-3.20-3.15≤ 25.7
硝酸鹽(mg/L)1.38-14.171.04-42.9≤ 232

表格3:九十天養殖期內細菌總量和弧菌總量的最大值和最小值

細菌總量弧菌總量
Min.Max.Min.Max.
常規系統2.7 × 1031 × 1010<1014.8 × 102
ZWD系統5.05 × 1036.7 × 1010<1011.05× 102

表格4:90天的養殖期間在常規和ZWD系統中生理參數測量

變量常規系統ZWD系統
MBW (g)5.45 ± 0.288.24 ± 0.84*
SR (%)27.22 ± 2.0990.82 ± 2.5*
Total Weight (g)160.48 ± 6.62923.38 ± 42.15*
SGR (%)7.24 ± 0.057.7 ± 0.11*
FCR4.10 ± 0.661.27 ± 0.29*

表格5:生產100公斤蝦使用ZWD和常規系統的成本和利潤估算(IDR印尼盾)

參數ZWD常規系統
SR (%)90.8227.22
MBW (g)8.245.45
放養密度1 2 . 1 3 6ind/30m318,348 ind/30m3
耗水量 (m 3 )52.178
FCR1.274.10
總進料 (kg)

(放養密度×35IDR/幼體

127410
飼料費1,905,0006,150,000
種子成本424,760642,180
硝化細菌培養成本(IDR)30,000
藻類培養成本(IDR)25,000
維護費(IDR)

(10%的經營成本)

240,000200,000
總成本(IDR)

(飼料費+種子成本+硝化細菌培養成本+藻類培養成本+維護費)

1,624,7606,992,180
總收入(IDR)

(總生物量X50000IDR/kg)

5,000,0005,000,000
利潤(IDR) (總收入-總成本)2,375,240-1,992,180

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