研究簡(jiǎn)介:在過(guò)去五十年中，全球食品魚(yú)供應顯著(zhù)增加，1961至2009年期間平均增長(cháng)率為每年3.2%。2010年，捕撈漁業(yè)和水產(chǎn)養殖全球供應了約1.48億公噸的魚(yú)類(lèi)。由于世界漁業(yè)生產(chǎn)自1970年代以來(lái)已趨于平穩，水產(chǎn)養殖在滿(mǎn)足日益增長(cháng)的魚(yú)類(lèi)需求中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在集約化水產(chǎn)養殖管理中，最重要的問(wèn)題是避免水相中有毒無(wú)機氮物種（尤其是NH3和NO2?）的積累。在集約化水產(chǎn)養殖系統中，魚(yú)類(lèi)通常喂以高蛋白飲食，蛋白質(zhì)含量從25%到55%不等。魚(yú)類(lèi)消化蛋白質(zhì)時(shí)主要產(chǎn)生氨，并將其排放到周?chē)嘀?。防止過(guò)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(wèn)題，例如需要持續供應淡水并產(chǎn)生富氮的廢水等。

另一種方法是增強硝化作用，通過(guò)使用硝化生物過(guò)濾器促進(jìn)氨和NO2?轉化為相對無(wú)毒的NO3?。本研究旨在探討在零水交換的集約化水產(chǎn)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(cháng)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(shí)也導致了CO2排放量的91.1%增加?？傮w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(chǎn)養殖系統中，通過(guò)添加碳水化合物來(lái)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(shí)顯著(zhù)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)現對于設計更環(huán)保的水產(chǎn)養殖系統具有重要的指導意義，提示人們在追求產(chǎn)量的同時(shí)，也需考慮環(huán)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(shí)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(guò)使用這種高空間和時(shí)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(guò)程。

實(shí)驗結論

可溶性淀粉的添加對零水交換的密集水產(chǎn)養殖系統中的氮轉化和溫室氣體排放產(chǎn)生了顯著(zhù)影響。添加可溶性淀粉的水產(chǎn)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(cháng)和脫氮作用的增強?？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)養殖系統中的N2O排放，但卻導致了顯著(zhù)更高的CO2排放?？傮w而言，添加可溶性淀粉使水產(chǎn)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(yè)水產(chǎn)養殖系統的溫室氣體排放方面可能會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的不利影響。

圖1.水產(chǎn)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(gè)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(xué)需氧量（B）和總磷（C）濃度的變化。每個(gè)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(gè)數據點(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(gè)數據點(diǎn)是不同日期的三次測量的平均值。

結論與展望

水產(chǎn)養殖是現代食品經(jīng)濟中增長(cháng)最快的部分之一，同時(shí)被認為是溫室氣體（GHG）排放的重要來(lái)源。目前，關(guān)于水產(chǎn)養殖系統溫室氣體排放的研究仍然有限。本研究通過(guò)在零水交換的集約化水產(chǎn)養殖系統中每日添加魚(yú)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?？扇苄缘矸鄣奶砑哟碳ち水愷B細菌的生長(cháng)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(chǎn)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(shí)導致每日二氧化碳（CO2）排放增加了91.1%?？傮w而言，淀粉的添加未能有效控制水產(chǎn)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(chǎn)生的N2O的潛在途徑和影響因素。通過(guò)這些測量，研究人員能夠詳細地了解氮轉化過(guò)程和溫室氣體排放機制，特別是在集約化水產(chǎn)養殖系統中N2O的產(chǎn)生和排放，這對于評估和優(yōu)化養殖系統的環(huán)境影響具有重要意義。