李 浩，周 紅，朱建新，劉 洋，崔正國，陳世波

（1.大連海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266071；3.山東恒興漁業(yè)發(fā)展有限公司，山東 濰坊 262714；4.青島卓越海洋集團(tuán)有限公司，山東 青島 266408）

刺參(Apostichopus japonicus)素有“海產(chǎn)八珍”之首的美譽(yù)，自然棲息于西太平洋北部，包括俄羅斯遠(yuǎn)東沿海、日本和韓國等地，在我國主要分布于遼寧半島和山東半島沿海海域[1]。近年來我國刺參養(yǎng)殖面積不斷增加，刺參養(yǎng)殖已成為漁業(yè)經(jīng)濟(jì)新的增長點(diǎn)。刺參具有窄溫窄鹽的生活習(xí)性，當(dāng)水溫低于3 ℃時(shí)刺參會(huì)進(jìn)入冬眠狀態(tài)，水溫高于24 ℃時(shí)，刺參會(huì)進(jìn)入夏眠狀態(tài)，因此，自然狀態(tài)下刺參的全年最適生長期一般只有4個(gè)半月[2-4]。我國目前刺參增養(yǎng)殖主要以近海底播養(yǎng)殖和池塘養(yǎng)殖為主，此外還有海上浮筏吊籠養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、潮間帶圍堰養(yǎng)殖等多種養(yǎng)殖方式[5-7]。上述幾種刺參養(yǎng)殖模式都屬于傳統(tǒng)的開放式養(yǎng)殖，容易受外界環(huán)境干擾，如遇高溫、高寒、暴雨、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害都會(huì)對(duì)刺參養(yǎng)殖造成不同程度損害[8-10]。室內(nèi)刺參工廠化養(yǎng)殖環(huán)境則相對(duì)可控，主要用于刺參的苗種繁育和大規(guī)格苗種培育。室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖需要投放大量人工附著基，一般采用靜水充氣和微流水兩種養(yǎng)殖模式[11]。但刺參工廠化養(yǎng)殖過程中需要投喂大量海泥和藻粉，池底經(jīng)常出現(xiàn)大量殘餌和糞便堆積的現(xiàn)象，為防止病原菌和敵害生物滋生，需要定期清污，工作強(qiáng)度很大[12-13]。因此，改進(jìn)刺參養(yǎng)殖模式，發(fā)展高效清潔的循環(huán)水養(yǎng)殖，對(duì)推動(dòng)刺參養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的健康與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本科研團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)清洗功能的刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖專用附著裝置，在此基礎(chǔ)上，首次構(gòu)建一套由雙通道進(jìn)排水系統(tǒng)和四級(jí)生物凈化池組成的刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，并利用該套系統(tǒng)探究不同料泥質(zhì)量比飼料對(duì)刺參養(yǎng)殖效果的影響，可為刺參循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)優(yōu)化及推廣普及提供理論指導(dǎo)。

1 刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

1.1 自清潔附著基

刺參工廠化養(yǎng)殖除需要投喂大量的藻粉和海泥外，還需要提供足夠的附著物，而刺參攝食后排出的糞便、剩余的殘餌常黏附于池底和附著物上難以清理，傳統(tǒng)波紋板、網(wǎng)片等附著物需要定期通過“倒池”方式進(jìn)行清洗，工作強(qiáng)度很大。為保證構(gòu)建的刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，本研究利用朱建新等[14]設(shè)計(jì)的一種海參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖自清潔附著裝置（專利號(hào)：ZL202110452222.7），布設(shè)于每個(gè)循環(huán)水養(yǎng)殖池中，既為刺參提供附著物，同時(shí)也解決了養(yǎng)殖池的清污難題。

1.2 雙通道進(jìn)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刺參的糞便主要成分是泥沙，為在養(yǎng)殖尾水進(jìn)入水處理系統(tǒng)前將泥沙和其他有機(jī)代謝物分開，并排出系統(tǒng)外，本研究設(shè)計(jì)適合刺參循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的雙通道進(jìn)排水系統(tǒng)（圖1）。

圖1 刺參養(yǎng)殖池示意Fig.1 Schematic diagram of Apostichopus japonicus culture pond

進(jìn)水系統(tǒng)由進(jìn)水管和污物沖洗管組成，管道上均安裝電磁閥，且電磁閥由智控箱控制。進(jìn)水管負(fù)責(zé)日常循環(huán)水養(yǎng)殖工況下的進(jìn)水，污物沖洗管用于沖洗池底和附著基。智控箱可控制沖洗時(shí)長和流量。

雙通道排污裝置由瀝參網(wǎng)、中心花管、排泥管、集泥槽、回水管組成（圖2）。瀝參網(wǎng)的主要作用是防止刺參從排污口逃逸，集泥槽用于收集刺參糞便，并通過排泥管定期排出。中心花管、回水管負(fù)責(zé)日常循環(huán)水養(yǎng)殖工況下的排水。

圖2 雙通道排污裝置示意Fig.2 Schematic diagram of dual-channel wastewater discharge device

1.3 刺參循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝流程

在實(shí)現(xiàn)附著基自清潔和通過雙通道進(jìn)排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泥污快速分離后，本研究借鑒魚類循環(huán)水養(yǎng)殖工藝，構(gòu)建刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。該系統(tǒng)由養(yǎng)殖池、微濾機(jī)、四級(jí)生物濾池、紫外消毒器、增氧與控溫池和提水泵組成（圖3）。其水處理工藝流程：養(yǎng)殖池→微濾機(jī)→四級(jí)生物凈化池→紫外消毒→增氧控溫→提水泵→養(yǎng)殖池。

圖3 刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Flow chart of industrialized recirculating aquaculture system for Apostichopus japonicus

1.3.1 養(yǎng)殖池 刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)共包括4 個(gè)養(yǎng)殖池。養(yǎng)殖池均為內(nèi)徑6.0 m 的方形圓角磚混池，池邊深度1.0 m，中心深度1.2 m，有效養(yǎng)殖面積約為35.0 m2。每個(gè)養(yǎng)殖池內(nèi)均布設(shè)10 組自清潔附著基，并設(shè)置適宜刺參循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的雙通道進(jìn)排水系統(tǒng)。

1.3.2 物理過濾 采用轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)，具有液面智能控制自動(dòng)間隙反沖洗功能，可以以最快速度“移出”養(yǎng)殖水體中的殘餌、糞便等固體顆粒物，處理精度大于60 μm。

1.3.3 生物過濾 生物凈化采用4 級(jí)固定床生物凈化池，固定床生物凈化池內(nèi)布設(shè)PⅤC 立體彈性填料的微生物附著基，不但能降解養(yǎng)殖水體中氨氮、亞硝酸鹽等有毒有害無機(jī)鹽，還能有效截污沉淀。生物凈化池底部均設(shè)計(jì)為斗狀集污和多孔排污結(jié)構(gòu)，以利于沉積物收集與排出。

1.3.4 紫外消毒 采用敞開型浸沒式紫外燈消毒器，具有消毒效果好、造價(jià)低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可有效殺滅養(yǎng)殖水中的病原微生物，降低刺參發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.5 增氧及控溫裝置 為滿足刺參高密度養(yǎng)殖對(duì)高溶氧要求，采用液氧供氧的方式，以保證刺參養(yǎng)殖池內(nèi)的水體溶氧始終維持在7 mg·L-1以上。由于刺參每年受夏季高溫和冬季低溫的影響都會(huì)停止生長進(jìn)入休眠狀態(tài)，所以為了避休眠對(duì)刺參正常生長的影響，本研究在夏季高溫期利用地下低溫海水降溫，在冬季低溫期利用環(huán)保過濾升溫設(shè)施對(duì)整個(gè)養(yǎng)殖車間進(jìn)行保溫處理，以降低環(huán)境溫度對(duì)刺參生長的影響，可為刺參營造一個(gè)長期適宜的生長環(huán)境。

2 材料與方法

2.1 材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)刺參 實(shí)驗(yàn)所用刺參均來自于山東省海陽市黃海水產(chǎn)有限公司，刺參的初始體質(zhì)量約為（40.00±5.25）g。

2.1.2 飼料 實(shí)驗(yàn)刺參飼料選用山東升索科技有限公司的成參配合飼料（粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥18.0%、粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤8.0%、粗纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤15.0%、粗灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤32.0%、賴氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.8%、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤11.0%、鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5.0%、總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.2%）。海泥來源于養(yǎng)殖場(chǎng)附近灘涂表層泥土，經(jīng)殺菌、曝曬后制成塊狀，于密封袋內(nèi)常溫儲(chǔ)存?zhèn)溆?。使用時(shí)，將配合飼料與海泥按比例分別稱質(zhì)量，稱量后同時(shí)置于白色塑料桶中用海水浸泡4 h以上，投喂時(shí)攪拌均勻滿池潑灑。

2.1.3 系統(tǒng)運(yùn)行管理 2021 年6 月30 日，刺參工廠化循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建完成并開始啟動(dòng)運(yùn)行。每池放養(yǎng)刺參150 kg，初始養(yǎng)殖密度為4.28 kg/m2，水循環(huán)頻次控制在8～10次/d。每日下午4點(diǎn)進(jìn)行投喂，投喂后系統(tǒng)停止循環(huán)2 h，以保證投喂的飼料和海泥充分沉降至池底和附著基的表面。每2～3 d 啟動(dòng)一次自動(dòng)清洗系統(tǒng)，每次清洗時(shí)間20～30 min，清洗通常于投餌前完成。

2.2 方法

2.2.1 養(yǎng)殖條件 按照海泥在飼料中所占比例設(shè)置4 個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，分別為A 組（料泥質(zhì)量比1∶1）、B 組（料泥質(zhì)量比1∶2）、C組（料泥質(zhì)量比1∶3）、D組（料泥質(zhì)量比1∶4），4 個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度分別在4 個(gè)養(yǎng)殖池中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行120 d，投喂量按刺參體質(zhì)量的1%～2%進(jìn)行投喂。

2.2.2 水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè) 養(yǎng)殖期間，每7 d 用YSL556 MPS多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量儀測(cè)定養(yǎng)殖池水溫、pH、鹽度、溶解氧等數(shù)據(jù)；每3 d 定時(shí)定點(diǎn)抽樣監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的氨氮、亞硝氮等水質(zhì)指標(biāo)，抽樣時(shí)間為早上8:00，抽樣點(diǎn)養(yǎng)殖池外側(cè)的回水管管口（所采水樣為4 個(gè)養(yǎng)殖池出水管匯聚口處）。水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378.4-2007)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2.3 刺參樣品采集及生化指標(biāo)檢測(cè) 養(yǎng)殖期間，每30 d采用“五點(diǎn)采樣法”分別從4個(gè)養(yǎng)殖池隨機(jī)撈取50只刺參進(jìn)行抽樣稱質(zhì)量，每次采樣稱質(zhì)量重復(fù)3 次。將刺參樣品置于干濾紙上放置30 s 后快速用電子天平（精確至0.001 g）稱量，稱量過程盡量減少操作誤差。養(yǎng)殖結(jié)束后，饑餓24 h，再從4 個(gè)養(yǎng)殖池中各隨機(jī)選取5只刺參，進(jìn)行解剖并取出其腸道，用液氮快速冷凍保存，隨后用干冰保溫送樣至南京生物工程研究所進(jìn)行腸道胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等生化指標(biāo)檢測(cè)。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019 進(jìn)行分析處理；采用OriginPro 2018 作圖；采用SPSS 25.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOⅤA)和組間多重比較分析(LSD)，顯著水平α=0.05，結(jié)果均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

3 結(jié)果與分析

3.1 循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)部氨氮、亞硝氮水質(zhì)變化情況

實(shí)驗(yàn)前期，氨氮與亞硝氮濃度呈持續(xù)緩慢升高態(tài)勢(shì)，于80 d達(dá)到峰值，其中氨氮質(zhì)量濃度最高達(dá)到0.289 mg/L，亞硝氮質(zhì)量濃度最高達(dá)到0.025 mg/L。后快速下降，并在100 d 左右維持相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)，氨氮質(zhì)量濃度維持在0.20 mg/L左右，亞硝氮質(zhì)量濃度維持在0.01 mg/L左右(圖4)。

圖4 刺參養(yǎng)殖系統(tǒng)氨氮、亞硝氮變化Fig.4 Ⅴariation of ammonia and nitrite concentration in the recirculating aquaculture system of Apostichopus japonicus

3.2 飼料中不同料泥質(zhì)量比例對(duì)刺參生長的影響

在6－10 月的高溫期，各實(shí)驗(yàn)組刺參并未因環(huán)境高溫而停止生長進(jìn)入休眠狀態(tài)，反而各實(shí)驗(yàn)組呈現(xiàn)不同程度的生長趨勢(shì)，且實(shí)驗(yàn)刺參平均增重達(dá)43.70%。不同料泥質(zhì)量比飼料對(duì)刺參生長影響：實(shí)驗(yàn)60 d 時(shí)，C、D 兩組刺參體質(zhì)量顯著高于A、B 兩組(P＜0.05)，C、D 組間差異不顯著(P＞0.05)，A 組體質(zhì)量最低，并與B組差異顯著(P＜0.05)；實(shí)驗(yàn)后60 d時(shí)，B 組、C 組刺參體質(zhì)量增長迅速，在養(yǎng)殖結(jié)束時(shí)B、C 組刺參體質(zhì)量高于其他各組；而D 組生長相對(duì)緩慢，其與C 組的差異顯著(P＜0.05)，而A 組體質(zhì)量仍然處于最低（圖5）。

圖5 刺參的生長Fig.5 Growth of Apostichopus japonicus

3.3 飼料中不同料泥質(zhì)量比例對(duì)刺參腸道消化酶活性的影響

A 組刺參腸道內(nèi)淀粉酶活性最低(1.25 U/mg)，與B、C、D 組差異顯著(P＜0.05)，C 組淀粉酶活性最高(2.87 U/mg)，與D組差異顯著(P＜0.05)(圖6(a))。C組刺參腸道內(nèi)的胰蛋白酶活性最高(6 007.36 U/mg)，A組最低(2 701.84 U/mg)，除B組與D組間差異不顯著外(P＞0.05)，其他各組間差異均是顯著(P＜0.05)(圖6(b))。由圖6(c)得知，C 組刺參腸道內(nèi)的脂肪酶活性最高(6.986U/mg)，A 組最低(4.349 U/mg)。其中B 組脂肪酶活性與C 組間差異不顯著(P＞0.05)，D 組與A 組差異不顯著(P＞0.05)，而A、D 兩組與B組、C 組之間的脂肪酶活性均是呈顯著差異(P＜0.05)(圖6(c))。

圖6 刺參前腸道中各消化酶活性Fig.6 Activities of digestive enzymes in the foregut of Apostichopus japonicus

4 討論

4.1 刺參工廠化循環(huán)養(yǎng)殖的水質(zhì)特點(diǎn)

生物濾池是循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的核心單元，培養(yǎng)一個(gè)成熟的生物濾池對(duì)水質(zhì)調(diào)控至關(guān)重要。朱建新等[15]認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)生物代謝產(chǎn)氮作用與生物濾池的綜合消氮作用達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡時(shí)，可視為生物膜培養(yǎng)成熟，而未培養(yǎng)成熟的生物膜，其濾池內(nèi)硝化細(xì)菌豐度較低，對(duì)水體中氨氮等物質(zhì)的總體去除能力則較弱。

本研究中氨氮、亞硝態(tài)氮的濃度變化呈一致性，均為先升高后下降趨勢(shì)，且隨生物膜的穩(wěn)定成熟，在系統(tǒng)運(yùn)行100 d 左右逐漸趨穩(wěn)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與大多數(shù)循環(huán)水養(yǎng)殖報(bào)道中的水質(zhì)變化趨勢(shì)一致[16-17]，但最終趨穩(wěn)的時(shí)間略長。以往研究表明，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的生物膜成熟時(shí)間一般為30～60 d，如在牙鲆(Paralichthys oliνaceus)的封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物膜熟化大約為36 d[18]；在斑節(jié)對(duì)蝦(Penaeus monodon)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中需60 d 左右[19]；美國紅魚(Sciaenops ocellatus)的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物膜成熟需48 d左右[20]。而本研究中刺參循環(huán)水養(yǎng)殖中生物濾池的生物膜熟化時(shí)間為80 d左右，時(shí)間明顯長于上面所述研究結(jié)果。本研究推測(cè)這可能與養(yǎng)殖過程中低水溫有關(guān)。由于刺參喜低溫，在養(yǎng)殖過程中水溫一直控制在18 ℃左右，而硝化細(xì)菌其適宜生長溫度約為20～40 ℃，因此低溫可能影響硝化細(xì)菌的正常生長，從而延長系統(tǒng)建立完整硝化作用的時(shí)間。。

然而，喬瑋等[21]構(gòu)建的大菱鲆(Scophthalmus maximus)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)、蔣雯雯等[22]構(gòu)建的虹鱒(Oncorhynchus mykiss)等冷水性魚類的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)[養(yǎng)殖水溫(16 ± 0.9)℃]，其生物膜熟化時(shí)間均只要50 d 左右。本研究分析造成刺參循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物膜成熟時(shí)間延遲的原因除低水溫以外，可能還與刺參飼料所用的蛋白均為植物蛋白有關(guān)，其或許會(huì)造成生物膜生長所需的營養(yǎng)不足。因此，刺參循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生物膜培養(yǎng)技術(shù)及其影響機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

總之，在4個(gè)月的養(yǎng)參過程當(dāng)中，整個(gè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的氨氮質(zhì)量濃度始終≤0.289 mg/L、亞硝氮質(zhì)量濃度始終≤0.025 mg/L，且養(yǎng)殖池自清潔效果顯著，即使在長期高料泥質(zhì)量比的投喂情況下，各養(yǎng)殖池也從未出現(xiàn)積淤現(xiàn)象，這也就說明所構(gòu)建的循環(huán)水養(yǎng)參系統(tǒng)具有良好的清污功能和水質(zhì)凈化能力。

4.2 不同料泥質(zhì)量比對(duì)刺參生長的影響

本研究經(jīng)過4個(gè)月的養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前期，刺參生長速度與飼料中加入的海泥量呈正相關(guān)，且料泥質(zhì)量比較高的D、C 兩組的生長速度快于料泥質(zhì)量比較低的A、B 兩組；而在實(shí)驗(yàn)后期，料泥質(zhì)量比最高的D組的生長速度逐漸放緩。史策等[23]用不同料泥質(zhì)量比的飼料喂養(yǎng)刺參50 d 后，發(fā)現(xiàn)刺參生長率隨飼料中海泥比例的上升而升高，Shi等[24]也指出增加海泥比例可提升刺參的攝食率和排糞率，這些研究結(jié)果均與本研究早期結(jié)果一致；而曹學(xué)彬等[25]用不同料泥質(zhì)量比的飼料喂養(yǎng)刺參90 d 后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)飼料海泥含量超過75%時(shí)，會(huì)造成飼料中粗蛋白、粗脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)含量降低，增加刺參的攝食能量消耗，從而導(dǎo)致刺參生長效率下降，其實(shí)驗(yàn)結(jié)論又與本實(shí)驗(yàn)后期結(jié)果相同?？梢姡诒緦?shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)各組刺參的生長速率，不僅與飼料中料泥質(zhì)量比有關(guān)，還與攝食不同料泥質(zhì)量比餌料的周期有關(guān)，即較短的攝食周期內(nèi)適當(dāng)提高飼料海泥含量可以促進(jìn)刺參的生長速率，但長期攝食過高料泥質(zhì)量比例的餌料反而會(huì)造成其生長速率下降。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)120 d 的刺參生長和腸道酶活性檢測(cè)結(jié)果，本研究認(rèn)為過高海泥含量可能會(huì)造成刺參腸道內(nèi)胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶的活性下降，進(jìn)而影響刺參生長；但消化酶活性的下降過程并非短時(shí)間內(nèi)造成的，而是刺參腸道長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)累計(jì)而成的。本實(shí)驗(yàn)得出刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖飼料的最優(yōu)料泥質(zhì)量比為1∶3，為指導(dǎo)刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖提供理論指導(dǎo)。

5 結(jié)語

本研究構(gòu)建的刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的穩(wěn)定控制，提高了刺參的生長效率，使本該處于夏眠狀態(tài)的刺參在6－10月的高溫期平均增重達(dá)43.70%，此外本研究還發(fā)現(xiàn)在刺參工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖過程當(dāng)中飼喂料泥質(zhì)量比為1∶3的餌料時(shí)刺參生長效果最優(yōu)。