研究簡介:在過去五十年中，全球食品魚供應顯著增加，1961至2009年期間平均增長率為每年3.2%。2010年，捕撈漁業和水產養殖全球供應了約1.48億公噸的魚類。由于世界漁業生產自1970年代以來已趨于平穩，水產養殖在滿足日益增長的魚類需求中發揮了關鍵作用。在集約化水產養殖管理中，最重要的問題是避免水相中有毒無機氮物種（尤其是NH3和NO2?）的積累。在集約化水產養殖系統中，魚類通常喂以高蛋白飲食，蛋白質含量從25%到55%不等。魚類消化蛋白質時主要產生氨，并將其排放到周圍水相中。防止過量氮積累的常用方法之一是進行換水。然而，這種方法存在一些環境問題，例如需要持續供應淡水并產生富氮的廢水等。


另一種方法是增強硝化作用，通過使用硝化生物過濾器促進氨和NO2?轉化為相對無毒的NO3?。本研究旨在探討在零水交換的集約化水產養殖系統中添加可溶性淀粉對氮轉化和溫室氣體排放的影響。研究顯示，添加可溶性淀粉能夠刺激異養細菌的生長和反硝化作用，導致水體中總氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度降低。在添加淀粉的處理池中，約76.2%的氮輸出以氣體氮（N2和N2O）的形式排放，而對照池中這一比例僅為33.3%。盡管淀粉的添加使N2O排放量減少了83.4%，但同時也導致了CO2排放量的91.1%增加。總體而言，淀粉的添加并未有效控制溫室氣體排放，反而使得每日溫室氣體排放量增加了60.2%。


本研究強調了在集約化水產養殖系統中，通過添加碳水化合物來調節氮轉化和減少換水的需求，雖然在一定程度上減少了N2O排放，但同時顯著增加了CO2排放，對溫室氣體排放的總體控制產生了不利影響。這些發現對于設計更環保的水產養殖系統具有重要的指導意義，提示人們在追求產量的同時，也需考慮環境的可持續性。


Unisense微電極測定系統的應用


Unisense微剖面分析系統用于測量水體中溶解的氧化亞氮（N2O）濃度。使用了克拉克型氧氣和氧化亞氮微電極，尖端直徑分別為10μm和25μm，響應時間約為10s-30s，測量了生物膜中DO（溶解氧）和N2O的微剖面濃度。研究人員通過使用這種高空間和時間分辨率的微電極技術，能夠選擇性地原位測量基質生物膜內的氧化亞氮的濃度，以及非破壞性地確定生物膜的微剖面測試。測試的數據有利于分析氮化合物轉化和生物膜生成一氧化二氮（N2O）的過程。


實驗結論


可溶性淀粉的添加對零水交換的密集水產養殖系統中的氮轉化和溫室氣體排放產生了顯著影響。添加可溶性淀粉的水產養殖系統中獲得了較低的總氨氮（TAN）、亞硝酸鹽（NO2?）和硝酸鹽（NO3?）濃度，這歸因于異養細菌的生長和脫氮作用的增強。可溶性淀粉的添加促進了脫氮作用，處理水箱中約76.2%的氮輸入以氣體氮（如N2和N2O）的形式排放，這遠高于對照水箱的33.3%。盡管可溶性淀粉的添加減少了水產養殖系統中的N2O排放，但卻導致了顯著更高的CO2排放。總體而言，添加可溶性淀粉使水產養殖系統的每日溫室氣體排放（以CO2當量計）增加了60.2%，這表明其在控制商業水產養殖系統的溫室氣體排放方面可能會產生顯著的不利影響。

圖1.水產養殖系統示意圖

圖2.研究期間處理和控制水箱中總氨氮（A）、亞硝酸鹽（B）和硝酸鹽（C）濃度的變化。每個參數的值為三次重復樣本的平均值。

圖3.研究期間處理和控制水箱中總懸浮固體（A）、化學需氧量（B）和總磷（C）濃度的變化。每個參數的值為三次重復樣本的平均值。

圖4.處理和控制水箱中CO2（A）和N2O（B）排放速率的晝夜變化。每個數據點是不同日期的三次測量的平均值。

圖5.處理和控制水箱中總氨氮（A）、亞硝酸鹽（B）、硝酸鹽（C）和化學需氧量（D）濃度的晝夜變化。每個數據點是不同日期的三次測量的平均值。


結論與展望


水產養殖是現代食品經濟中增長最快的部分之一，同時被認為是溫室氣體（GHG）排放的重要來源。目前，關于水產養殖系統溫室氣體排放的研究仍然有限。本研究通過在零水交換的集約化水產養殖系統中每日添加魚飼料和可溶性淀粉，以碳氮比（C/N）16:1（重量比）為基礎，考察了碳水化合物添加對氮轉化和溫室氣體排放的影響。可溶性淀粉的添加刺激了異養細菌的生長和反硝化作用，導致水相中總氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度降低。在添加淀粉的處理池中，約76.2%的氮輸出以氣體氮（即N2和N2O）的形式排放，而對照池（不添加可溶性淀粉的水產養殖池）中氣體氮僅占氮輸出的33.3%。盡管可溶性淀粉的添加使每日N2O排放減少了83.4%，但同時導致每日二氧化碳（CO2）排放增加了91.1%。總體而言，淀粉的添加未能有效控制水產養殖系統中的溫室氣體排放。Unisense微電極系統在本研究中的應用使得研究人員能夠深入理解含氮化合物的轉化途徑，并分析生物膜根據微剖面濃度（如NH4+,NO2-和NO3-）產生的N2O的潛在途徑和影響因素。通過這些測量，研究人員能夠詳細地了解氮轉化過程和溫室氣體排放機制，特別是在集約化水產養殖系統中N2O的產生和排放，這對于評估和優化養殖系統的環境影響具有重要意義。