循环水系统结合鱼菜、紫外处理对镜鲤生长及水质的影响

罗小龙，Abdessan Rauan，邢君霞，李汉东，吉 红

(西北农林科技大学动物科技学院水产动物营养与饲料研究室，陕西咸阳712100)

水产品在人类食物结构中占据重要地位，是主要蛋白源之一[1]。随着人们对水产品需求的持续增加及环保意识的不断增强，传统水产养殖方式已不能满足人们对水产品质的需求。集约化工厂循环水养殖相对传统水产养殖其优点在于单位产量高，并可结合水处理技术，充分循环利用水资源[2]。但此方法不能充分回收利用水中营养物质，如氮元素会以硝酸盐形式留在水体，或通过微生物将氮元素转化为N2O等温室气体释放至空气中，对大气造成污染[3-5]。养殖系统中硝酸盐含量过度积累不仅造成了营养素的严重浪费，而且还会对鱼类的生长、健康及代谢造成影响[6-8]。

鱼菜共生系统是将水产养殖与水培蔬菜种植有机结合的一种新型绿色健康的养殖模式，蔬菜吸收养殖水体中剩余营养元素供其生长，净化养殖系统水质，使养殖水体在系统内循环流动，实现养殖废水零排放。因其具有更好的节水性、环保性且产出蔬菜副产品等特点，鱼菜共生系统在全球广泛应用[9]。

另一方面，在水产养殖过程中，因病原微生物等引起一系列病害对水产养殖业造成了严重损失，制约了水产养殖业的健康发展[10]。研究表明，紫外灯消毒技术相对于化学消毒法具有安全、高效、无二次污染且具有维护简单、费用低等优点，其在水产养殖中广泛运用[11]。Moriarty等[12]发现，鱼菜共生系统中紫外灯的使用能降低大肠杆菌的生物量，但并未提及是否会对水质、蔬菜及鱼类生长造成影响。

针对以上问题，本研究模拟工厂化循环水养殖系统，并耦合水培蔬菜单元及紫外灯对系统处理，研究不同处理模式对镜鲤生长及水质的影响，为优化水产养殖模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验用鱼与饲料

试验鱼为西北农林科技大学安康水产试验示范站同一批健康二龄镜鲤，均重为253.78 g，实验开始时，将54尾试验鱼放入9个缸，每缸6尾，初始密度为10.7 kg/m3。实验用的鲤漂浮商品饲料购自陕西三旺农牧有限公司，粒径为3.0 mm，粗蛋白含量27.56%，粗脂肪含量2.94%。使用自动投食器每天6:30、14:30、22:30定时定量投喂6周，每日投喂量为鱼体重的1.2%。

1.2 试验系统构建

本试验在陕西省咸阳市杨凌区的西北农林科技大学水产动物营养与饲料试验基地的温室大棚进行(2018.9.3-2018.10.12)。试验养殖系统结构如图1。系统水从鱼池顶部进入(每个鱼池150 L，底部内径48 cm，桶口内径58 cm，高73 cm)，利用虹吸原理将聚集于鱼池底部的鱼粪和残饵排出，进入物理过滤桶(50 L，底部内径34 cm，桶口内径41 cm，高43 cm)将鱼粪分离，过滤的水流入硝化桶(50 L)，内部放有滤材K1，供硝化细菌附着，加氧曝气进行硝化反应，产生植物生长所需要的硝酸盐；富含营养盐的水流入菜池(300 L，850 cm×650 cm×59 cm)后进入蓄水池；再使用25 W可调节水泵将过滤完的水重新泵回鱼池，每个鱼池的流量为1.35 L/min。

1.3 试验设计

试验分为三个组，循环水组、鱼菜组及鱼菜紫外灯组。三个系统中水循环方式均相同，循环水组菜池浮板不种植叶用莴苣也不用紫外灯处理；鱼菜组菜池浮板上种植叶用莴苣，不用紫外灯处理；鱼菜紫外灯组菜池浮板上种植叶用莴苣并使用紫外灯处理。在鱼菜紫外灯组，将5W紫外灯置于菜池进入蓄水池的管道中，每日20:00-22:00间歇式开启紫外灯。正式试验前10天，将叶用莴苣种子置于定植杯中，并将定植杯置于菜池浮板中，菜池中共放置24株叶用莴苣。养殖试验时间为6周。

1.4 试验鱼生长指标测定

实验结束时，将所有处理试验鱼禁食24 h后，先对实验鱼用MS-222(100 mg/kg)麻醉处理，每尾鱼称重并测体长、全长；每缸随机取2尾鱼，作为全鱼末样；每缸取4尾鱼侧线上方不含鱼皮的肌肉及其肝脏用于基本组分分析，解剖后测量肠长、称量空壳、肝胰脏、腹腔脂肪、肠及脾脏重等进行生长及生物学性状计算。计算公式如下：

增重率 (WGR)=(Wt-W0)/W0×100%；

特定生长率 (SGR)=[lnWt-lnW0]/t×100%；

饲料系数 (FCR)=F/(TWt-TW0)；

脏体比 (VSI)=[Wt-W1]/Wt×100%；

肝体比 (HSI)=W2/Wt×100；

腹腔脂肪指数 (IFI)=W3/Wt×100%；

肠体比 (RGL)=L1/L；

脾体比 (SI)=W4/Wt×100%；

肾体比 (KI)=W5/Wt×100%；

肥满度 (CF)=Wt/L3×100

式中W0为初始体重(g)，Wt为终末体重(g)，TWt为终末鱼体总重，TW0为初始总重，F为摄食量(g)，t为饲养天数(d)，W1为鱼胴体质量(g)，W2为肝脏重(g)，W3为腹腔脂肪重(g)，W4为脾脏重(g)，W5为肾脏重(g)，L1为肠道长度(cm)，L为鱼体长(cm)。

1.5 体成分测定

饲料、肝脏、肌肉及全鱼的基本组分含量测定参考(AOAC)方法[13]，水分测定采用105 ℃烘干至恒重；粗蛋白含量采用凯氏定氮法测定；粗脂肪含量采用索氏抽提法测定；粗灰分含量采用550 ℃马弗炉灼烧法测定。

1.6 水体细菌含量测定

每两周在养殖系统的蓄水池、鱼池和菜池收集10 mL水样用于水体细菌含量测定，水样收集所用玻璃瓶在采样之前用高压灭菌处理并做密封直至使用。细菌计数在无菌环境下进行。将1 mL样品涂布在3M PeterifilmTM(菌落总数测试片)上，一个红色圆圈代表一个菌落。在35 ℃温育48 h后计数菌落，计数表示为每毫升菌落形成单位(CFU)。

1.7 叶用莴苣生长指标测定

试验结束后，测量每株叶用莴苣叶长、叶重、株重以及根重，叶片在105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后测其干重。

1.8 系统水样采集及其理化指标测定

1.9 数据处理和分析方法

结果中所示数据均为各处理组内重复试验的平均值，采用 SPSS21.0对试验数据进行统计分析，因三组间影响因素有两个，故采用T检验进行两两比较，以P<0.05作为差异显著水平，描述性统计值采用平均值±标准差(Mean±SD)表示。采用Excel2007对试验数据进行曲线绘制，使用GraphPad Prism 6.0对实验数据进行柱状图绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理对镜鲤生长性能、生物学性状及基本成分的影响

不同处理对镜鲤的生长和形体指标的影响见表1，结果显示各组间镜鲤增重率、特定生长率及饲料系数均无显著性差异。鱼菜组和鱼菜紫外灯组鱼体肠体比显著低于循环水组。不同处理间鱼体脏体比、肝体比、腹腔脂肪指数、脾体比、肾体比、肥满度均无显著差异。

镜鲤全鱼、肌肉以及肝脏的基本组分如表2所示。鱼菜组镜鲤全鱼粗蛋白和粗脂肪显著高于循环水组，循环水组肝脏粗蛋白显著高于鱼菜组，其余指标在各组之间均无显著性差异。

2.2 鱼菜共生系统中使用紫外灯对叶用莴苣生长及细菌数量的影响

鱼菜共生系统中使用紫外灯对叶用莴苣生长及细菌数量的影响结果见表3。系统中紫外灯的使用未对水培叶用莴苣叶片长度、叶片湿重、数量及产量造成显著影响。鱼菜共生系统中使用紫外灯对系统水体间歇式处理后显著降低了水体中的细菌数量，第一周鱼菜组及鱼菜紫外灯组细菌菌落数分别为2 554.33 CFU/mL和2 373.00 CFU/mL；第三周鱼菜组细菌菌落数(7 270.00 CFU/mL)显著高于鱼菜紫外灯组(2 394.00 CFU/mL)；第五周鱼菜紫外灯组细菌菌落数(5 908.33 CFU/mL)显著高于鱼菜组(4 331.67 CFU/mL)。

2.3 系统水质指标

由表4可知，试验期间各处理组在养殖水体溶氧、pH及TDS的平均浓度均无显著差异。循环水组溶氧、pH及TDS分别为(7.38±0.73)mg/L、6.42±0.40、(930.81±88.28)mg/L；鱼菜组分别为(7.48±0.65)mg/L、6.54±0.41、(896.10±81.27)mg/L；鱼菜紫外灯组分别为(7.63±0.64)mg/L、6.60±0.36、(883.48±80.69)mg/L。溶氧和pH均在镜鲤正常生长范围内，随着试验周期延长，镜鲤持续消耗饲料并代谢产生废物，导致水中总溶解固体逐渐升高。

表1 不同处理对镜鲤生长和生物学性状的影响Tab.1 Effects of different treatment on growth performance and biological characteristics of C.var.specularis

注：同行标注不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

表2 不同处理对镜鲤体组成的影响Tab.2 Effects of different treatment on body composition of mirror C.var.specularis %

表3 鱼菜共生系统中使用紫外灯对叶用莴苣生长及细菌数量的影响Tab.3 Effects of UV lamp in aquaponics system on growth performance of lettuce and number of bacteria

注：表中数据用平均值±标准差表示(叶用莴苣n=24，细菌菌落测试n=3)。

表4 不同处理对DO、pH及TDS的影响Tab.4 Effect of different treatments on water DO、pH and TDS

试验期间系统水体营养盐及其他水质参数变化情况如图2。各组鱼池中氨氮的含量在0.96～2.92 mg/L，鱼菜组鱼池氨氮含量相对于循环水组在第1周、第4周及第6周显著下降，鱼菜组氨氮含量与鱼菜紫外灯组差异不显著。各组鱼池亚硝酸盐氮含量在0.0028～0.22 mg/L，各组变化趋势相同且无显著性差异。鱼池硝酸盐氮含量在21.64～80.09 mg/L之间，从第1周开始循环水系统中耦合的蔬菜吸收硝酸盐氮速度加快，导致鱼菜组硝酸盐氮含量显著低于循环水组，鱼菜紫外灯组硝酸盐氮含量第1周、第3周时显著高于鱼菜组，试验结束时循环水组、鱼菜组及鱼菜紫外灯组硝酸盐氮含量分别为84.09、63.47和64.04 mg/L。各组鱼池总氮含量在10.60～78.42 mg/L之间，第4周、第5周及第6周循环水组总氮含量显著高于鱼菜组，鱼菜紫外灯组总氮含量在第4周、第5周和第6周时显著高于鱼菜组。各系统中鱼池总磷含量在15.18～29.98 mg/L之间，循环水系统中总磷的含量在第3～6周显著高于鱼菜组，鱼菜紫外灯组总磷含量在第4～6周显著高于鱼菜组。

图2 不同处理对氨氮(A)、亚硝酸盐氮(B)、硝酸盐氮(C)、总氮(D)及总磷(E)的影响Fig.2 Effect of different treatments on

3 讨论

3.1 不同处理对镜鲤生长及基本组分的影响

Björn等[15]研究发现，相对于循环水养殖，系统中耦合水培蔬菜不会对尖齿胡鲶(ClariasgariepinusBurchell)的生长造成影响，并且系统耦合水培蔬菜单元后会明显降低鲶互相攻击造成的外伤数量，表明鱼类和植物的共同养殖可能有利于提高鱼类的福利。方彰胜等[16]的研究结果表明精养水体结合水培蔬菜浮床可显著提高罗非鱼(OreochromisniloticusL.)增重率和成活率。本研究结果表明不同处理方式对镜鲤肠体比有一定影响，不同研究者得出的结论存在差异可能由鱼的种类、生理状态、饲料组成、养殖周期及养殖条件等不同引起的。

蛋白质、脂肪及矿物元素是鱼体的主要营养成分。叶鸽等[17]研究发现，鱼菜共生模式下罗非鱼肉质的鲜味显著优于纯投料模式，并且鱼菜共生模式罗非鱼肉粗蛋白低于纯投料模式。邵俊杰等[18]研究发现，相对于水泥池塘高密度循环水和水泥池塘养殖模式可显著提高斑点叉尾(Ictaluruspunctatus)蛋白质含量。本试验中鱼菜组全鱼粗蛋白和粗脂肪显著高于循环水组，说明不同养殖模式会影响鱼体基本组分。

3.2 紫外灯处理鱼菜共生系统对叶用莴苣生长及菌落总数的影响

细菌通过将鱼代谢产生的有机废物转化为无机营养盐供给蔬菜生长，使鱼菜共生系统能正常运转，是鱼菜共生系统中十分重要的组成部分。为防止有害菌影响水产养殖，常进行杀菌处理。当微生物暴露在紫外线中，使核酸突变，其复制、转录及蛋白质合成均受到阻碍，从而导致微生物死亡[21]。Moriarty等[12]研究发现在鱼菜共生系统中紫外灯对大肠杆菌的灭活十分有效，系统产出的蔬菜中也未检测到大肠杆菌，使食品安全有了更好的保障。本试验结果显示，每天使用紫外灯对系统消毒2小时可显著降低系统细菌总数。

3.3 不同处理对系统水质的影响

根据联合国鱼菜共生指导文件，鱼菜共生系统中综合考虑鱼类和植物生长以及硝化细菌的硝化反应的条件，系统最适温度为18～30 ℃，最适pH 6～7，最适溶氧大于5 mg/L，最适TDS低于800 mg/L[22]。试验期间，三个组的溶氧都达到5 mg/L以上，pH在5.74～7.59内，满足鱼类、植物及细菌的生长需要。鱼菜共生系统中氮循环非常重要，循环过程中包括氨化作用、硝化作用及反硝化作用。残饵及鱼类排泄物等有机物质被微生物分解为氨态氮的过程为氨化，水中氨氮以非离子氨和铵盐两种形态存在，并受pH和温度影响其动态平衡。氨态氮由好氧微生物氧化为亚硝酸盐和硝酸盐的生物反应为硝化作用。硝酸盐通过微生物还原为亚硝酸盐、一氧化氮、一氧化二氮及氮气的生物反应被称为反硝化作用。蔬菜生长会吸收部分铵盐和硝酸盐，因此鱼菜系统中氨氮、硝酸盐氮、总磷及总氮显著低于循环水组，此结果与邵俊杰等[18]的结果一致。紫外灯处理鱼菜共生系统后期，鱼菜紫外灯组总磷总氮含量显著高于鱼菜组，可能由于紫外杀菌作用降低水中参与氮循环的微生物的数量导致。合适的鱼菜比例对于系统的运行至关重要，Buzby等[23]以及Racoky等[24]研究发现，植物生长过程中不同阶段对营养物质的吸收速率不同，因而采用统一播种统一收割，不利于提高鱼菜共生系统的稳定及营养物质平衡。序批式种植会出现植物营养物质缺乏现象，而交叉式种植能够实现营养物质的均匀利用[25]。试验结果表明，循环水系统在温度等条件适宜情况下，结合水培蔬菜可以降低水中营养元素的水平，并且系统中紫外灯的使用也会影响系统中营养元素的水平。