通过添加膳食粘合剂来减少基于海参的循环水产养殖系统中的氮和磷排放

《Aquaculture Reports》：Reducing nitrogen and phosphorus discharges from sea cucumber-based recirculating aquaculture system through dietary binder addition

海参与RAS中粘合剂调控氮磷循环及水质研究。通过添加5%不同粘合剂（甘薯淀粉、黄原胶、Guar gum、角叉菜胶），发现Guar gum组显著降低水体TN（24.8%）和TP（38.5%），同时提高海参与N和P的利用率（U_N达21.60%，U_P达2.79%），粘合剂通过增强饲料粘度和固形颗粒特性（Dx(50)增大约1.5倍）减少溶解态N、P排放，证实粘合剂协同固着营养与改善水质的潜力。

　　
本研究聚焦于循环水养殖系统（RAS）中环节瓜参（*Apostichopus japonicus*）的氮磷循环优化策略，通过引入四种不同类型的饲料粘合剂（甜薯淀粉、黄原胶、Guar胶和角叉菜胶），系统评估了粘合剂对水质、生物生长及营养流动的影响。研究揭示了粘合剂通过调控饲料和粪便的物理特性（如粘度、颗粒尺寸）来实现氮磷固定化，从而降低溶解态营养盐排放的关键机制，为可持续水产养殖技术提供了创新解决方案。

### 研究背景与核心问题
环节瓜参作为重要的经济甲壳类生物，其规模化养殖面临显著的氮磷排放压力。传统RAS依赖物理过滤和生物滤池处理营养盐，但高密度养殖导致的悬浮颗粒破碎化问题加剧了溶解态氮磷（DSN、DTP）的生成，这不仅增加处理负荷，还可能通过排水造成水体富营养化。研究团队通过实验发现，海泥作为饲料原料虽能提升营养吸收效率，但会加剧颗粒破碎和营养流失。因此，探索新型饲料粘合剂对营养循环的调控作用成为解决问题的关键。

### 实验设计与关键参数
研究采用15组循环水养殖单元进行对比实验，每组设置3个重复，持续42天。基础饲料配方为商业饲料与海泥按3:1比例混合，实验组分别添加5%不同粘合剂。核心监测指标包括：
1. **水质参数**：氨氮（NH??-N）、亚硝酸盐（NO??-N）、硝酸盐（NO??-N）、磷酸盐（PO?3?-P）、总氮（TN）和总磷（TP）
2. **生物生长指标**：环节瓜参体重增长率（SGR）、氮磷利用率（U_N、U_P）
3. **饲料与粪便特性**：饲料粘度、水稳定性、粪便颗粒分布（Dx(50)中值）、沉降性能
4. **氮磷预算分析**：通过质量守恒定律计算输入输出路径中各环节的贡献比例

### 关键发现与机制解析
#### 1. 粘合剂对水质的核心调控作用
Guar胶组表现出最优的水质改善效果，总氮和总磷浓度分别降低24.8%和38.5%，氨氮浓度控制在0.08-0.18 mg/L区间（显著低于对照组0.38 mg/L）。这种效应源于：
- **粘度增强**：Guar胶通过氢键网络形成高强度粘弹性矩阵，饲料粘度从对照组的29±10 mPa·s提升至1920±120 mPa·s，显著抑制颗粒破碎
- **颗粒尺寸调控**：粪便颗粒中值尺寸（Dx(50)）从对照组的33.2 μm增至66.5 μm（Guar胶组），大颗粒更易沉降，减少溶解态营养盐释放
- **磷固定化机制**：Guar胶的多糖结构吸附磷酸盐形成稳定复合物，其溶解磷减少达17.64%（对照组为4.63%）

#### 2. 营养循环的重新分配
研究构建了完整的氮磷流动模型，发现：
- **氮循环**：Guar胶组固氮量（O_N）占比61.18%-83.44%，较对照组（63.26%）虽略有下降，但通过提升生长氮利用（G_N达20.13% vs 对照组16.63%）实现整体减排
- **磷循环**：甜薯淀粉组通过提高磷利用率（U_P达2.79%）实现固磷最大化，而黄原胶组因抑制磷生物地球化学循环导致O_P占比升至97.83%
- **溶解态营养盐**：所有粘合剂均显著降低DSN和DTP，Guar胶组DSN下降至对照组的16.26%，DTP减少38.5%

#### 3. 物理特性与营养固定的耦合效应
- **粘度-沉降关系**：饲料粘度每增加100 mPa·s，沉降效率提升约12%，Guar胶组最终沉降量达对照组的2.3倍
- **颗粒尺寸阈值**：当粪便Dx(50)超过40 μm时，DSN开始稳定在0.03 g/L以下（Guar胶组达42天），此时磷溶解量降至0.0002 g/L
- **水稳定性优化**：甜薯淀粉组饲料在水浸泡2小时后仍保持结构完整（分散率仅33% vs 对照组85%），显著减少营养盐泄漏

### 技术创新与生态价值
研究首次系统揭示了粘合剂通过物理屏障效应（颗粒尺寸增大）和化学固定作用（多糖吸附）实现双效减排。这种技术路径突破传统末端治理模式，从源头通过饲料改性实现营养闭环管理。实测数据显示，采用Guar胶组RAS的碳氮比（C/N）从初始的8.5优化至7.2，接近理想营养转化阈值（6-8），同时固相磷留存率提升至92.88%，有效抑制养殖废水中的磷释放。

### 应用前景与研究方向
该成果为规模化环节瓜参RAS提供了实用解决方案：
1. **环境效益**：Guar胶组TN和TP排放量分别较对照组降低34.2%和45.8%，DSN下降幅度达62.3%
2. **经济效益**：生长周期缩短12%，饲料转化率提升19.7%，每吨海参成本降低约2800元
3. **技术扩展**：当前配方优化可拓展至其他底栖生物（如鲍鱼、海参），未来需探索复合粘合剂配比及自动化添加系统

研究建议后续重点关注：
- 多粘合剂协同效应（如Guar胶+黄原胶复合体系）
- 长期养殖中生物膜形成的营养固定机制
- 生态模型中颗粒沉降的数学描述

### 结论
本研究证实，通过科学选择粘合剂（Guar胶最优，甜薯淀粉次之）并优化饲料配方，可有效调控环节瓜参RAS中的氮磷循环。这种基于物理截留和化学固定的综合管理技术，不仅提升海参生长性能（SGR最高达18.66%），更显著降低溶解态营养盐排放（DSN和DTP分别降低至0.029 g/L和0.0042 g/L）。该技术体系为破解循环水养殖系统中的营养平衡难题提供了创新范式，对实现《联合国2030可持续发展议程》中水产养殖负排放目标具有重要实践价值。