碳水化合物增加对集约化水产养殖体系的氮转换和集温室气体排放的影响

研究简介:在过去五十年中，全球食品鱼供应显著增加，1961至2009年期间平均增长率为每年3.2%。2010年，捕捞渔业和水产养殖全球供应了约1.48亿公吨的鱼类。由于世界渔业生产自1970年代以来已趋于平稳，水产养殖在满足日益增长的鱼类需求中发挥了关键作用。在集约化水产养殖管理中，最重要的问题是避免水相中有毒无机氮物种（尤其是NH3和NO2?）的积累。在集约化水产养殖系统中，鱼类通常喂以高蛋白饮食，蛋白质含量从25%到55%不等。鱼类消化蛋白质时主要产生氨，并将其排放到周围水相中。防止过量氮积累的常用方法之一是进行换水。然而，这种方法存在一些环境问题，例如需要持续供应淡水并产生富氮的废水等。

另一种方法是增强硝化作用，通过使用硝化生物过滤器促进氨和NO2?转化为相对无毒的NO3?。本研究旨在探讨在零水交换的集约化水产养殖系统中添加可溶性淀粉对氮转化和温室气体排放的影响。研究显示，添加可溶性淀粉能够刺激异养细菌的生长和反硝化作用，导致水体中总氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐浓度降低。在添加淀粉的处理池中，约76.2%的氮输出以气体氮（N2和N2O）的形式排放，而对照池中这一比例仅为33.3%。尽管淀粉的添加使N2O排放量减少了83.4%，但同时也导致了CO2排放量的91.1%增加。总体而言，淀粉的添加并未有效控制温室气体排放，反而使得每日温室气体排放量增加了60.2%。

本研究强调了在集约化水产养殖系统中，通过添加碳水化合物来调节氮转化和减少换水的需求，虽然在一定程度上减少了N2O排放，但同时显著增加了CO2排放，对温室气体排放的总体控制产生了不利影响。这些发现对于设计更环保的水产养殖系统具有重要的指导意义，提示人们在追求产量的同时，也需考虑环境的可持续性。

Unisense微电极测定系统的应用

Unisense微剖面分析系统用于测量水体中溶解的氧化亚氮（N2O）浓度。使用了克拉克型氧气和氧化亚氮微电极，尖端直径分别为10μm和25μm，响应时间约为10s-30s，测量了生物膜中DO（溶解氧）和N2O的微剖面浓度。研究人员通过使用这种高空间和时间分辨率的微电极技术，能够选择性地原位测量基质生物膜内的氧化亚氮的浓度，以及非破坏性地确定生物膜的微剖面测试。测试的数据有利于分析氮化合物转化和生物膜生成一氧化二氮（N2O）的过程。

实验结论

可溶性淀粉的添加对零水交换的密集水产养殖系统中的氮转化和温室气体排放产生了显著影响。添加可溶性淀粉的水产养殖系统中获得了较低的总氨氮（TAN）、亚硝酸盐（NO2?）和硝酸盐（NO3?）浓度，这归因于异养细菌的生长和脱氮作用的增强。可溶性淀粉的添加促进了脱氮作用，处理水箱中约76.2%的氮输入以气体氮（如N2和N2O）的形式排放，这远高于对照水箱的33.3%。尽管可溶性淀粉的添加减少了水产养殖系统中的N2O排放，但却导致了显著更高的CO2排放。总体而言，添加可溶性淀粉使水产养殖系统的每日温室气体排放（以CO2当量计）增加了60.2%，这表明其在控制商业水产养殖系统的温室气体排放方面可能会产生显著的不利影响。

图1.水产养殖系统示意图

图2.研究期间处理和控制水箱中总氨氮（A）、亚硝酸盐（B）和硝酸盐（C）浓度的变化。每个参数的值为三次重复样本的平均值。

图3.研究期间处理和控制水箱中总悬浮固体（A）、化学需氧量（B）和总磷（C）浓度的变化。每个参数的值为三次重复样本的平均值。

图4.处理和控制水箱中CO2（A）和N2O（B）排放速率的昼夜变化。每个数据点是不同日期的三次测量的平均值。

图5.处理和控制水箱中总氨氮（A）、亚硝酸盐（B）、硝酸盐（C）和化学需氧量（D）浓度的昼夜变化。每个数据点是不同日期的三次测量的平均值。

结论与展望

水产养殖是现代食品经济中增长最快的部分之一，同时被认为是温室气体（GHG）排放的重要来源。目前，关于水产养殖系统温室气体排放的研究仍然有限。本研究通过在零水交换的集约化水产养殖系统中每日添加鱼饲料和可溶性淀粉，以碳氮比（C/N）16:1（重量比）为基础，考察了碳水化合物添加对氮转化和温室气体排放的影响。可溶性淀粉的添加刺激了异养细菌的生长和反硝化作用，导致水相中总氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐浓度降低。在添加淀粉的处理池中，约76.2%的氮输出以气体氮（即N2和N2O）的形式排放，而对照池（不添加可溶性淀粉的水产养殖池）中气体氮仅占氮输出的33.3%。尽管可溶性淀粉的添加使每日N2O排放减少了83.4%，但同时导致每日二氧化碳（CO2）排放增加了91.1%。总体而言，淀粉的添加未能有效控制水产养殖系统中的温室气体排放。Unisense微电极系统在本研究中的应用使得研究人员能够深入理解含氮化合物的转化途径，并分析生物膜根据微剖面浓度（如NH4+,NO2-和NO3-）产生的N2O的潜在途径和影响因素。通过这些测量，研究人员能够详细地了解氮转化过程和温室气体排放机制，特别是在集约化水产养殖系统中N2O的产生和排放，这对于评估和优化养殖系统的环境影响具有重要意义。

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