研究簡介:在過去五十年中，全球食品魚供應(yīng)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(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖全球供應(yīng)了約1.48億公噸的魚類。由于世界漁業(yè)生產(chǎn)自1970年代以來已趨于平穩(wěn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖在滿足日益增長的魚類需求中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖管理中，最重要的問題是避免水相中有毒無機(jī)氮物種（尤其是NH3和NO2?）的積累。在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，魚類通常喂以高蛋白飲食，蛋白質(zhì)含量從25%到55%不等。魚類消化蛋白質(zhì)時主要產(chǎn)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(jìn)行換水。然而，這種方法存在一些環(huán)境問題，例如需要持續(xù)供應(yīng)淡水并產(chǎn)生富氮的廢水等。

另一種方法是增強(qiáng)硝化作用，通過使用硝化生物過濾器促進(jìn)氨和NO2?轉(zhuǎn)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(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中添加可溶性淀粉對氮轉(zhuǎn)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(yǎng)細(xì)菌的生長和反硝化作用，導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)調(diào)了在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，通過添加碳水化合物來調(diào)節(jié)氮轉(zhuǎn)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(chǎn)生了不利影響。這些發(fā)現(xiàn)對于設(shè)計更環(huán)保的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義，提示人們在追求產(chǎn)量的同時，也需考慮環(huán)境的可持續(xù)性。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微剖面分析系統(tǒng)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(yīng)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(shù)，能夠選擇性地原位測量基質(zhì)生物膜內(nèi)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(shù)據(jù)有利于分析氮化合物轉(zhuǎn)化和生物膜生成一氧化二氮（N2O）的過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

可溶性淀粉的添加對零水交換的密集水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的氮轉(zhuǎn)化和溫室氣體排放產(chǎn)生了顯著影響。添加可溶性淀粉的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)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(yǎng)細(xì)菌的生長和脫氮作用的增強(qiáng)?？扇苄缘矸鄣奶砑哟龠M(jìn)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(yuǎn)高于對照水箱的33.3%。盡管可溶性淀粉的添加減少了水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的N2O排放，但卻導(dǎo)致了顯著更高的CO2排放?？傮w而言，添加可溶性淀粉使水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的每日溫室氣體排放（以CO2當(dāng)量計）增加了60.2%，這表明其在控制商業(yè)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的溫室氣體排放方面可能會產(chǎn)生顯著的不利影響。

圖1.水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)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(shù)的值為三次重復(fù)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(xué)需氧量（B）和總磷（C）濃度的變化。每個參數(shù)的值為三次重復(fù)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(shù)據(jù)點(diǎn)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(xué)需氧量（D）濃度的晝夜變化。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)是不同日期的三次測量的平均值。

結(jié)論與展望

水產(chǎn)養(yǎng)殖是現(xiàn)代食品經(jīng)濟(jì)中增長最快的部分之一，同時被認(rèn)為是溫室氣體（GHG）排放的重要來源。目前，關(guān)于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)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(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)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(chǔ)，考察了碳水化合物添加對氮轉(zhuǎn)化和溫室氣體排放的影響?？扇苄缘矸鄣奶砑哟碳ち水愷B(yǎng)細(xì)菌的生長和反硝化作用，導(dǎo)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(chǎn)養(yǎng)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(dǎo)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(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中的溫室氣體排放。Unisense微電極系統(tǒng)在本研究中的應(yīng)用使得研究人員能夠深入理解含氮化合物的轉(zhuǎn)化途徑，并分析生物膜根據(jù)微剖面濃度（如NH4+,NO2-和NO3-）產(chǎn)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(xì)地了解氮轉(zhuǎn)化過程和溫室氣體排放機(jī)制，特別是在集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中N2O的產(chǎn)生和排放，這對于評估和優(yōu)化養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境影響具有重要意義。