不同养殖模式对南美白对虾生长性能及肠道菌群的影响

张海耿,吴小茜,姜世豪,宋红桥,张 贺,於叶兵,张亚雷

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092;2 同济大学环境科学与工程学院,上海 200092;3 农业农村部水产养殖设施工程重点实验室,上海 200092;4 农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092;5 盐城工学院海洋与生物工程学院,江苏 盐城 224000)

南美白对虾(White pacific shrimp)又称凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei),隶属节肢动物门、甲壳纲、十足目、对虾属,自从20世纪80年代末从国外引进后,已成为中国重要的海水养殖品种[1]。2020年,中国南美白对虾养殖年产量达到了186.29万t[2],比2019年增加了2.54%,养殖产量呈现逐渐增加的趋势。南美白对虾的养殖方式主要包括池塘养殖和工厂化养殖,其中,池塘养殖包括土塘露天养殖、高位池养殖和土塘小棚养殖等方式,工厂化养殖包括水泥池流水养殖、水泥池微流水养殖和循环水养殖方式。目前,中国南美白对虾以粗放型的池塘养殖为主,该方式易受天气和环境的影响,单位水体的养殖产量仅为0.5～1.0 kg/m3[3-4],养殖过程中尾水的排放不仅给环保带来了压力,也提升了南美白对虾交叉感染病害的可能性[5-6]。

工厂化养殖方式中的水泥池微流水养殖和循环水养殖常采用一定的水处理手段净化养殖水体,实现养殖水体的可控可调及循环利用,每日换水量一般<10%[7],而单位水体的养殖产量达到了5～15 kg/m3[8-9],且可实现反季节养殖,具有较高的经济效益[10]。该模式在养殖过程中不添加抗生素等杀菌药物,并配有养殖尾水处理系统,具有绿色环保的优势,有望成为未来南美白对虾健康可持续养殖的主流模式[11]。目前,常采用生物絮团技术和生物膜技术控制养殖水体中氨氮等营养盐的浓度,通过细菌的生物降解作用实现养殖水体中氮磷等营养物质的高效转化。Carlos等[13]在实验室规模下用生物絮团技术养殖南美白对虾42 d,虾每周增长体质量在0.8 g以上且存活率最高达到94%。而Ray等[14]在较大的室内规模下建立了循环水养殖系统和生物絮团养殖系统,并通过稳定同位素来确定虾的生长性能,最终发现循环水养殖系统下的南美白对虾周体质量增长和存活率都高于生物絮团养殖系统。

本研究构建了一套简易节能型南美白对虾养殖系统,并以生物絮团养殖方式为对照组,系统分析了两组水环境指标变化、南美白对虾生长性能、肠道菌群差异及生产成本,以期为构建高效经济的南美白对虾养殖模式提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 南美白对虾养殖模式构建

本研究构建了南美白对虾循环水养殖系统(Recirculating Aquaculture System,RAS)和生物絮团养殖系统(Biofloc System,BS)两种中试规模的生产方式。RAS主要由1个养虾池(方切角形,长17 m、宽15 m、深1.2 m,实际养殖水体200 m3),4台水泵和4个移动床生物滤器组成,水泵从养虾池中抽水至移动床生物滤器,而后又从移动床生物滤器流至养虾池,通过生物滤器控制养殖水体中氨氮等营养盐的浓度。水泵的流量为10 m3/h,南美白对虾在生长过程中,水泵的流量从0.5 m3/h逐渐增大至最大值。BS主要由1个养虾池(实际养殖水体200 m3)组成,无额外水处理设施。放虾苗前,先往养虾池中加入芽孢杆菌进行活化,而后加入葡萄糖和饲料进行生物絮团培养,在养殖过程中,通过调节碳氮比控制养殖水体中菌群结构来实现氨氮等营养盐的去除。

1.2 试验设计

试验设计RAS和BS 2种养殖模式,每种养殖模式包括3个养殖池,共6个养殖池。挑选健康大小均一的南美白对虾苗60万尾(初始平均体质量0.01 g,平均体长1.15 cm),随机分配至6个养殖池中,每个养殖池中放置10万尾南美白对虾虾苗。

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标

南美白对虾测定的生长指标包括特定生长率(SSGR,%),饲料系数(FFCR),增重率(WWG,%),肥满度(CCF,%)和存活率(SSR,%),其计算公式[15]如下:

SSGR=100 ×(lnW2-lnW1)/(t2-t1)

(1)

FFCR=F/[N2×(W2-W1)]

(2)

WWG=100×(W2-W1)/W1

(3)

(4)

SSR=100×(N1-N2)/N1

(5)

式中:t1和t2为试验开始和结束时间,d;W1和W2为试验t1和t2时的平均体质量,kg;N1和N2为试验开始和结束时南美白对虾尾数,尾;F为饲料总投入量,kg;L2为南美白对虾t2时期体长,cm。

1.3.2 水质指标测试

1.3.3 肠道菌群分析

采用细菌通用引物338F和806R对肠道样品16 s rRNA的V3-V4区域进行PCR扩增[16]。扩增条件按照文献[17]进行,将扩增产物使用2%琼脂糖进行凝胶电泳分析,并将其在Illumina-MiSeq平台上进行高通量测序。

1.4 数据处理

采用SPSS 10.0方差分析对南美白对虾生长性能,水质指标进行单因素方差分析(One-way ANOVA),选择Duncan多重比较方法,显著性水平设置为P<0.05。肠道菌群样品采用StudentT检验进行不同组别在属水平的显著性差异分析[18]。

2 结果与分析

2.1 不同养殖模式下养殖水体水质指标差异

图1 不同养殖模式下水体中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化情况Fig.1 Change of ammonia nitrogen,nitrite nitrogen and nitrate in water under different cultivation modes

图2显示了不同养殖模式下水体中温度和溶氧的变化情况,RAS组的平均水温为28.26±1.26 ℃,BS组的平均水温为27.88±1.30 ℃,两种养殖模式下无显著差异(P>0.05)。养殖周期的最后20 d,由于气温下降,水温也有所下降,两组的水温最低下降至21.4 ℃。RAS组的平均溶氧质量浓度为6.68±0.44 mg/L,BS组的平均溶氧质量浓度为6.36±0.67 mg/L,两组之间无显著性差异(P>0.05)。由于在养殖中后期BS组里存在大量的生物絮团,并且未及时移出养殖池,故养殖池中最低的溶氧质量浓度只有5 mg/L,在一定程度上影响了南美白对虾的生长。

图2 不同养殖模式下水体中温度和溶氧变化情况Fig.2 Change of temperature and dissolved oxygen in water under different cultivation modes

图3显示了不同养殖模式下水体中pH和碱度的变化情况,由该图可知,RAS组和BS组的平均pH分别为8.36±0.18和8.29±0.29,两组之间无显著差异(P>0.05)。而RAS组的平均碱度为188.93±29.10 mg/L,显著高于BS组(P<0.05)。

图3 不同养殖模式下水体中pH和碱度的变化情况Fig.3 Change of pH and alkalinity in water under different cultivation modes

2.2 不同养殖模式下南美白对虾生长性能差异

表1显示了不同养殖模式下南美白对虾生长性能差异,由表1可知,RAS组的南美白对虾的期末平均体质量高于BS组,平均特定生长率达到(7.40±0.01)%/d,显著高于BS组(P<0.05)。在养殖过程中,RAS组南美白对虾的存活率达到(73.37±1.00)%,显著高于BS组(P<0.05)。RAS下最终养殖密度达到5.58±0.06 kg/m3,显著高于BS组(P<0.05)。不同养殖模式间的饲料系数和肥满度无显著差异(P>0.05)。

表1 不同养殖模式下南美白对虾生长性能差异Tab.1 Change of growth performance of Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei)under different culture patterns

2.3 不同养殖模式下南美白对虾肠道菌群组成及差异

采用高通量测序技术对不同养殖模式下南美白对虾的肠道菌群进行了分析,结果显示,共获得1 103个操作分类单元OTU(Operational taxonomic unit,OTU),RAS模式下共筛选出495个有效OTU,BS模式下共获得608个有效OTU,其中302个有效OTU两种模式下都具有(图4)。

图4 不同肠道样品Venn图Fig.4 Venn diagram of different intestinal samples

表2显示了不同养殖模式下南美白对虾肠道门水平群落结构变化。

表2 不同养殖模式下肠道门水平群落结构组成所占比例Tab.2 Proportions of the structural composition of the community at the gut portal level under different culture patterns

由表2可知,两种养殖模式下筛选出的门种类相同,但门种类的占比有所差异。筛选出的6个门分别为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和髌骨菌门(Patescibacteria) 。RAS模式下的占比最高的三个门及比例分别为变形菌门(Proteobacteria,40.56%),酸杆菌门(Actinobacteria,31.63%)和绿弯菌门(Chloroflexi,12.91%),而BS模式下占比最高的三个门及比例分别为变形菌门(Proteobacteria,60.75%),酸杆菌门(Actinobacteria,24.30%)和绿弯菌门(Chloroflexi,6.15%)。其中,变形菌门在RAS和BS养殖模式中占据优势地位。

在属的水平上,两种养殖模式下筛选出的属种类不同。RAS组中丰富度排名前4的菌属及比例依次是norank_f_JG30_KF_CM45(11.83%)、红杆菌属(Rhodobacteraceae,11.33%)、丙酸杆菌属(Propionibacteriaceae,9.79%)、副球菌属(Paracoccus,8.33%);而BS组中丰富度排名前4的菌属及比例依次是下水道球菌属(Amaricoccus,15.56%)、norank_f_norank_o_PeM15(14.50%)、鲁杰氏菌属(Ruegeria,13.66%)、红杆菌属(Rhodobacteraceae,10.33%)。其中,红杆菌属(Rhodobacteraceae)在RAS和BS养殖模式中占据优势地位(图5)。

图5 不同养殖模式下肠道属水平群落结构组成所占比例Fig.5 The proportion of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

图6显示了不同养殖模式下南美白对虾肠道属水平群落结构差异,由图6可知,norank_f_JG30_KF_CM45、丙酸杆菌属(Propionibacteriaceae)、细杆菌属(Microbacterium)、白蚁菌属(Isoptericola)、IIumatobacter、类诺卡氏菌属(Nocardioides)在RAS养殖模式中的相对丰度极显著高于BS养殖模式(P<0.05);而鲁杰氏菌属(Ruegeria)、norank_f_norank_o_PeM15、下水道球菌属(Amaricoccus)、Woeseia、暖绳菌属(Caldilineaceae)、圆杆菌属(Cyclobacteriaceae)在BS中的相对丰度极显著高于RAS(P<0.05)。RAS养殖模式中norank_f_JG30_KF_CM45的丰度最高,BS养殖模式中下水道球菌属(Amaricoccus)的丰度最高,两种养殖模式均存在显著差异(P<0.05)。

图6 不同养殖模式下肠道属水平菌群结构差异Fig.6 The differences of community structure of intestinal genus level under different culture patterns

2.4 不同养殖模式下南美白对虾生产成本对比

表3显示了不同养殖模式下生产每斤南美白对虾的成本,不包括养殖池、大棚设施建造及租金费用。RAS的生产成本主要包括饲料、电费、虾苗、水费、设施折旧等费用,以单套系统养殖水体200 m3,养殖密度5.58 kg/m3统计,生产每斤南美白对虾的成本约为10.41元。BS的生产成本主要包括饲料、电费、虾苗、葡萄糖等费用,养殖密度按5.01 kg/m3计算,生产每斤南美白对虾的成本约为10.16元,略低于RAS养殖模式。

表3 不同养殖模式南美白对虾每0.5 kg生产成本(元)对比Tab.3 Comparison of per catty production costs of Pacific white shrimp (Litopenaeus vannamei) under different culture systems

3 讨论

3.1 不同养殖模式对南美白对虾生长性能的影响

本试验比较了中试规模RAS模式和BS模式下南美白对虾的生长性能差异,经过100 d的饲养,两种养殖模式下最终的养殖密度分别达到了5.58±0.06 kg/m3和5.01±0.02 kg/m3,RAS组中南美白对虾的存活率和特定生长率显著快于BS组,该研究结果与Andrew等[19]研究相似,其可能是由于两种模式下养殖水体中水质指标的差异所致。RAS模式下水体中的氨氮等营养物质主要通过养殖池外的移动床生物滤器去除,由于试验开始前该生物滤器中的生物膜已成熟,故对养殖水体中的营养盐去除效率比较稳定,在整个试验过程中,亚硝酸盐氮质量浓度低于1.2 mg/L,而BS组有近20 d试验周期亚硝酸盐氮质量浓度达到2 mg/L。养殖水体中亚硝酸盐氮质量浓度对水生动物的生长有一定的抑制作用[20-21],有研究报道体长1.5 cm南美白对虾的亚硝酸盐氮安全质量浓度为5.71 mg/L[22]。亚硝酸盐氮胁迫增加了斑节对虾幼虾的蜕皮频率,但每次蜕皮的体积增量较小,导致生长速度缓慢[23]。在较高的亚硝酸盐氮水平下,南美白对虾肝胰腺中的R细胞数量(消化酶合成的主要部位)显著减少,导致限制其生长的代谢能量减少。另外,若南美白对虾在蜕皮时,养殖水体中的亚硝酸盐氮浓度高,容易造成亚硝酸盐中毒,其死亡率也会增加[24-25]。BS模式主要通过调控碳氮比实现异养细菌的快速繁殖,养殖水体中的无机氮主要通过化学自养细菌的氧化和异养细菌的同化去除[26]。本试验养殖前期,BS组中以异养细菌占主导,故亚硝酸盐氮质量浓度偏高,而后逐渐转为以化学自养细菌为主,进而实现亚硝酸盐的有效控制。而一段时间亚硝酸盐氮质量浓度的高居不下,导致了BS组南美白对虾的存活率降低,进而影响其最终的养殖密度。

3.2 不同养殖模式对南美白对虾肠道菌群的影响

南美白对虾养殖环境中的微生物群落结构复杂,并且一直处于动态变化之中,而外界环境极易影响南美白对虾肠道微生物群落结构。研究发现,肠道细菌群落的平衡对宿主健康至关重要[27]。本研究发现虾体肠道微生物中变形菌门占比最多,在RAS养殖模式中占比40.56%,在BS养殖模式占比达60.75%,说明变形菌门在南美白对虾肠道菌群中占优势地位。这与之前的研究类似,南美白对虾肠道的优势菌均是变形菌门[28-29]。变形细菌是所有细菌中种类最多的一个族群,在水体中分布广泛具有较强适应性[30],其中α-变形菌纲在海水细菌中尤其重要。有学者研究发现,下水道球菌属(Amaricoccus)属于α-变形菌门,它可以通过在无氧环境中合成大量的碳源贮存物质(PHB)来对污水中的有机物进行降解[31]。由于生物絮团可作为饲料被南美白对虾食用,因此对虾肠道内可能存在与生物絮团相同的某些菌。下水道球菌属(Amaricoccus)在对虾肠道内的出现说明了养殖环境对南美白对虾肠道菌群的影响。变形菌门在健康的虾肠道中占比较多,可作为指示物种,被用来判断虾生长是否健康[32-33]。本试验中,norank_f_JG30_KF_CM45在RAS养殖模式中的丰度最高,属于绿弯菌门。绿弯菌门为兼性厌氧菌,可以进行光合作用,具有异养同化功能。这种细菌在对虾肠道中出现表明它是作为水生环境中的菌群进入对虾肠道的。综上所述,养殖模式的差异影响了南美白对虾肠道内的优势菌门和优势菌属的丰度。

4 结论