全 文 ： Marine Sciences / Vol. 36, No. 12 / 2012 95
大型海藻孔石莼在工厂化海水养殖中的生物修复及其应用
前景
The integrated development and application of
macro algae Ulva pertusa on factory marine
aquaculture
吕冬伟, 刘 峰, 李兴佐
(中国农业大学 烟台研究院 海洋学院, 264670)
中图分类号: Q178.53 文献标识码: A 文章编号: 1000-3096(2012)12-0095-05
海水养殖业是山东半岛蓝色经济区建设产业群
的重要组成部分。在大力发展蓝色经济的宏观指导
下, 海水养殖业特别是工厂化海水养殖业得以快速
发展。近几年, 除了较早发展的室内鲍鱼养殖外, 我
国许多海水养殖品种和养殖规模都有所扩大, 如真
鲷、牙鲆、美国红鱼、大西洋鲑等。在以低碳养殖(低
能耗、低排放、低污染)为产业发展方向的政策指引
下, 一种对环境友好、对生物无害、可高值化利用的
养殖模式——海基(生态型)和陆基(集约型)两大类型
的工厂化养殖模式成为养殖业发展的方向。大型藻
类由于生长速度快 , 海水净化能力强 , 用其在水产
养殖过程中替代化学和微生物方法净化水质, 维持
养殖生态平衡, 取得了良好的效果。
孔石莼(Ulva pertusa)又名海白莱、海菠菜等, 属
大型海洋经济藻类, 因其适温范围宽, 适盐范围广,
在我国各沿海地区都有丰富的资源。孔石莼具有生
长快、适应环境能力强等优点, 广泛应用于生态养殖
以及养殖水质调控的研究。另外, 孔石莼本身营养丰
富 , 可以发展成为一种经济作物 , 提高养殖经济效
益, 具有良好的综合开发和应用前景。本文重点阐述
孔石莼在工厂化海水养殖中的生物修复作用以及应
用前景。
1 养殖废水的特点
工厂化养殖池养殖动物种类少, 以目标养殖动
物为主。养殖废水中的污染物主要来自于外部投饵
残留和养殖生物的新陈代谢产物。在海水鱼类养殖
中, 投喂饲料中大约 72%的 N 和 70%的 P 不被鱼
利用[1], 这些营养元素均以固态养殖废物(粪便和残
饵)和溶解态养殖废物(排泄物和分解物)进入水体 ,
对养殖水环境造成一定的污染, 其中氨态氮的含量
最受到重视。
2 养殖水质调控
2.1 吸收 N、P 等营养物质
许多大型海藻在生长过程中, 能够大量吸收海
水中溶解态的 N、P生源要素, 可以利用其作为养殖
环境中对 N、P 等污染物的有效生物吸收器[2-4]。在
多种速生大型海藻中, 孔石莼对营养盐 N、P尤其是
氨氮的吸收更胜一筹。如 Liu等[5]在比较研究了绿藻
Ulva pertusa, 红 藻 Gelidium amansii 和 褐 藻
Sargassum enerve 三种大型海藻对 N 的吸收时发现,
绿藻孔石莼的生长速度和对氨氮的吸收速率要快于
其他两种藻类。何洁等[6]也对包括孔石莼在内的三种
大型海藻对 N、P的吸收动力学研究表明, 孔石莼对
硝酸态氮的吸收不占优势, 但是对氨氮和磷酸盐的
去除率优于其他两种藻类。在王萍等[7]的研究中同样
发现孔石莼对 N、P营养盐的吸收胜于繁枝蜈蚣藻。
类似于此的报道还有很多[8-9]。
收稿日期:2012-06-12; 修回日期:2012-10-21
基金项目: 烟台市科学技术发展计划项目(2008154)
作者简介: 吕冬伟(1980-), 女, 山东烟台人, 博士, 主要从事海洋化学
和环境科学研究, 电话: 0535-6923253, E-mail: lvdw716@163.com; 李
兴佐, 通信作者, E-mail: lixingzuo@126.com
96 海洋科学 / 2012年 / 第 36卷 / 第 12期
孔石莼对氨氮和磷酸盐高的去除率和去除速率
为利用其净化工厂化养殖废水中的 N、P提供了有力
保障。将孔石莼引入养殖池塘, 利用其高效的吸收
N、P 能力, 可以对池塘中氨氮和磷酸盐的浓度进行
原位控制, 防止氨氮对养殖生物的危害以及富营养
化水体排放对外部海域的污染。据王吉桥等[10]报道,
在适宜的光照和水温条件下, 1 g鲜质量的孔石莼日
降解氨氮 1.4 mg, 加上水中细菌的降解作用, 孔石
莼可以有效地消除对虾新陈代谢过程中产生的氨
氮。刘建国[11]等应用孔石莼吸收大菱鲆养殖废水中
的无机氮效果显著, 在不同的换水量和光照条件下,
孔石莼都能够将养殖废水中的无机氮浓度降低至达
到国家一级海水水质排放标准。对于循环水工厂化
养殖 , 将孔石莼引入水处理系统 , 亦能发挥调控水
体营养盐的作用。Wang等[12]将孔石莼应用于海参的
循环水养殖系统, 养殖水体经重力作用进入孔石莼
生物滤池后再经循环泵流回养参池, 孔石莼能够吸
收海参养殖水体中 68%总氨态氮和 26%的正磷酸盐,
有效控制了氨氮和磷酸盐的浓度。杨凤等[13-14]将孔
石莼应用于循环水养鲍水质的调控, 发现孔石莼能
快速地吸收总氨氮, 使水中氨氮维持在 0.3 mg/L 的
幼鲍安全生长限值以下, 其对氨氮的调控能力不亚
于臭氧, 甚至低于流水养殖中的氨氮含量。经孔石莼
净化处理的养殖废水, 无残留, 无毒副作用, 有利于
为养殖生物提供良好的生存环境。
2.2 调节水体溶氧及 pH 水平
孔石莼在光合放氧方面作用明显。郭赣林等[15]
研究发现, 不同温度下孔石莼光合作用产氧速率
在 20.17~25.32 mg/(g·h), 产氧效果显著。在孔石莼
和对虾混养实验中, 1 g鲜质量的孔石莼日提供环
境净氧气 5.5~12.5 mg, 可以有效地为等质量养殖
对虾提供代谢过程中所需的氧气 [10]。日本学者
KITADAI 和 KADOWAKI 将孔石莼引入 鱼
(Seriola quinqueradiata)的养殖水域, 研究发现孔
石莼的最高产氧速率为 6.39 mg/(g·h), 最少 0.21
kg 鲜孔石莼即可维持一条 鱼对氧气的需求[16]。
在孔石莼和鲍鱼的循环水混养系统中, 水体的 pH
水平始终保持稳定的状态且处于较高的水平, 孔
石莼明显改善了幼鲍的养殖水环境, 降低了换水
量[14-15]。在孔石莼与养殖生物混养系统中, 养殖生
物通过呼吸作用消耗水中溶氧, 排出CO2, 降低了
水环境的 pH值, 而孔石莼通过光合放氧并吸收鱼
类产生的 CO2, 能增加水体的 pH值。通过孔石莼
对水体中的碳酸体系的调节, 使得水体 pH不会因
为养殖生物的代谢作用而发生较大波动。
同其他水生植物一样, 夜间石莼要呼吸耗氧。不
同温度下 , 孔石莼呼吸耗氧速率在 7.44~8.35 mg
/(g·h)[15]。另外, 孔石莼在高营养盐水体中生长速度
快 , 控制不好即有可能导致爆发性生长 , 大量藻体
如不能及时清除, 在水体中腐烂降解的过程会消耗
大量溶解氧, 重新释放回水体的降解物质还会再次
成为污染物质。这不仅不能起到修复水体的作用, 反
而加剧了水体的生态恶化, 更不利于养殖生物的健
康生长。因此要使孔石莼与所养水生动物在一个养
殖系统内处于互利的地位 , 达到最佳的利用状态 ,
必须深入开展孔石莼和养殖生物的生理与生态特性
及不同条件下的代谢规律研究, 探索最佳的生态养
殖模式。
3 探索复合生态养殖模式
孔石莼在维持健康的复合养殖系统方面有很重
要的作用。养殖动物是排氨生物。水中氨氮浓度增
高对养殖生物有强烈毒性, 是高密度循环水养殖系
统最常遭遇的问题。故养殖池水中氨氮浓度必须控
制于养殖生物可承受的浓度以下。在孔石莼与鱼、
虾类共生的水体中 , 通过控制孔石莼的生物量 , 可
有效地降低水中氨氮的浓度, 维持水体较高的溶氧
量和适宜的 pH值, 降低鱼类发生窒息和水质恶化的
危险性[10,16-18]。在循环水养殖系统中, 氨氮等水溶性
有害物质的去除技术是整个系统的关键。80 年代以
来 , 已有利用浮游植物净化养殖污水的研究报道 ,
但因藻水分离困难, 使这种微藻净水模式在循环水
养殖系统中的应用受到限制。大型藻类孔石莼能够
突破该限制。相对于微藻而言, 将孔石莼引入鱼虾等
的综合养殖中 , 其数量和密度可控 , 更有利于创造
良好而稳定的水质。孔石莼由于对氮盐尤其是铵盐
和磷酸盐具有良好的吸收作用, 在循环水养殖的水
处理中能发挥良好的水质净化作用。将孔石莼引入
工厂化循环水养殖, 将工厂化循环水养殖和生态养
殖相结合, 在水处理系统中利用孔石莼去除水体中
的氨氮, 辅以必要的杀菌消毒, 实现海水循环利用。
国外利用此种方式在循环水水处理系统中修复水质
研究较早, 并且已经得到了较好的应用[19-20]。宋协法
等[21]也做过相关研究, 发现孔石莼对氨氮的去除效
果良好, 能够达到养殖水质要求。
Marine Sciences / Vol. 36, No. 12 / 2012 97
但是孔石莼在工厂化水产养殖中水处理系统的
应用还受到多方面条件的限制, 如维持孔石莼的最
佳生长状态需要一定的光照和盐度等外部条件, 如
若满足不了, 孔石莼的生长状态将会受到较大影响,
其对水中营养盐的去除效果也会受到较大影响, 产
生的氧气量也会显著减少。另外, 孔石莼本身新陈代
谢过程中也会产生部分有机物质释放到水体中, 控
制不好反而会增加水中有机物的含量, 不利于养殖
水质的管理。因此需要结合养殖动物的习性特征, 在
不影响养殖生物的适宜生长环境下, 为孔石莼的生
长创造适宜的生长条件 , 达到改善养殖环境 , 提升
生态效益的目的。这种孔石莼与养殖生物混养系统
对日益提倡环境友好养殖、生态养殖的可持续无污
染海水综合养殖具有重要意义。
在我国 , 根据工厂化养殖方式的现状和特点 ,
可探索并实施适宜的生态养殖模式。对于海基型和
陆基型流水养殖, 孔石莼对养殖废水中 N、P营养盐
的吸收, 可探索养殖动物与孔石莼的原位混养技术
(如养殖密度 , 孔石莼投放密度 , 孔石莼回收频率 ,
光照强度等), 降低养殖水体的富营养化程度, 减轻
富营养化水体排放对周边海洋造成的环境污染, 达
到清洁生产的目的。对于陆基型循环水养殖, 可以进
一步探索孔石莼在水处理系统中的水质净化技术 ,
寻求一种新型的实用性、操作性和可控性强的节能
环保水处理技术, 解决化学处理存在的残留问题和
微生物处理出现的活性降低等问题带来的不便。循
环水养殖对水质造成影响的主要是养殖动物的溶解
态代谢产物 , 粪便、残饵等颗粒物 , 以及有害微生
物。可以将孔石莼的生物修复功能与经典的物理沉
降以及紫外线、臭氧消毒技术结合应用, 改善养殖环
境的水环境质量, 实现海水养殖的可持续发展。除此
之外, 还要进一步改进投饵技术、改进饵料成分, 使
所投饵料更有利于养殖生物的摄食, 减少颗粒留存,
提高饵料利用率, 防止或减轻水质的败坏程度。
4 资源化利用前景
将孔石莼引入综合性水产养殖的水质管理, 可
以起到调控水质的作用 , 利于改善养殖环境 , 提升
生态效益。同时 , 孔石莼增质量明显 , 日均增质量
3.3%[12]。作为综合性水产养殖的副产物, 孔石莼具
有较高的附加值。可以对孔石莼进行资源化利用, 助
于增加企业经济效益。作者从以下几方面阐述其资
源化利用前景。
4.1 作为藻类食品原材料
孔石莼含有丰富的粗纤维、碳水化合物及蛋白
质, 并含有少量的脂肪。从已分析出的 17 种氨基酸
中, 有 8种为人体必需氨基酸; 孔石莼含有丰富的维
生素 VE 和 VC, 其含量高于角叉菜[22]。孔石莼含有
K、Na、Ca、Mg、Ni、Zn、Mo、Cu、I、F 等多种
微量元素, 这些微量元素对人体的生长发育、新陈代
谢和生理调节等方面有着广泛的作用。不论是提供
营养物质还是预防疾病方面, 孔石莼都可作为人类
良好的食物来源, 可以充分利用水质调控副产物孔
石莼作为原材料, 开发新的藻类食品。
4.2 作为饲料原材料
孔石莼营养丰富, 将其作为饲料添加剂加入饲
料中对畜禽、水生动物无任何毒副作用且可改善畜
禽、水生动物等的生产性能。孔石莼作为饲料不仅
可以提供丰富的营养物质 , 促进动物的健康 , 还可
以为人类提供健康安全的畜禽产品。以鲜孔石莼磨
碎液作为饵料投喂稚参, 其生长速度和成活率高于
鼠尾藻干粉和鲜海带磨碎液的投喂效果[23]。另外, 孔
石莼还是幼鲍的优质饵料。将水质净化的副产物孔
石莼作为饲料资源加以回收利用 , 变废为宝 , 既有
助于降低生产成本, 又实现了循环经济, 一举多得。
4.3 作为提取净水制剂原材料
多项研究表明孔石莼体内含有抑制赤潮藻繁殖
的有效物质 [24-27], 可以从孔石莼体内提取天然除藻
剂, 减轻渔药的施用对养殖生物的毒害和对环境的
污染。孔石莼的分泌物能够有效降低重金属的生物
有效性 [28-29], 可以进一步探索分析有效成分的化学
结构和提取方法, 充分利用水处理系统中产出的孔
石莼副产物提取净水制剂, 为养殖环境中的重金属
污染治理开辟新径。
5 结语
工厂化海水养殖具有密度高、投入高、回报高
的特点。它可以通过人工控制环境达到消除病害、
减少污染的目的, 还可以实现传统养殖模式无法实
现的高品质养殖, 具有广阔的发展前景。提高养殖废
水的处理效果和效率 , 简化工艺 , 降低成本是养殖
废水处理工艺的发展方向。大型海藻孔石莼对海水
养殖的生态意义和经济意义在于它能降低养殖水体
的营养盐负荷 , 改良水质 , 有利于养殖水体环境的
稳定, 提高养殖生物的产量, 同时获得资源化产物。
98 海洋科学 / 2012年 / 第 36卷 / 第 12期
随着生物技术的发展, 以及对养殖生物生理活动研
究的深入, 结合大型藻类生物修复功能向水处理技
术的引用, 养殖废水处理工艺必将会有一个很大的
发展空间, 更好的为水产养殖业服务。
参考文献:
[1] Ackefors H, Enell M. Discharge of nutrients from
Swedish fish farming to adjacent sea area [J]. Ambio,
1990, 19 (1): 28-35．
[2] 毛玉泽, 杨红生, 王如才. 大型藻类在综合海水养殖
系统中的生物修复作用 [J]. 中国水产科学 , 2005,
12(2): 225-231.
[3] 杨宇峰, 费修绠. 大型海藻对富营养化海水养殖区生
物修复的研究与展望[J]. 青岛海洋大学学报 , 2003,
33(1): 53-57.
[4] 汤坤贤, 尤秀萍, 林亚森, 等. 龙须菜对富营养化海
水 的 生 物 修 复 [J]. 生 态 学 报 , 2005, 25(11):
3044-3051.
[5] Liu D Y, Amy P, Sun J. Preliminary study on the rRe-
sponses of three marine Algae, Ulva pertusa (Chloro-
phyta), Gelidium amansii (Rhodophyta) and Sargassum
enerve (Phaeophyta), to nitrogen source and its avail-
ability [J]. Journal of Ocean University of China, 2004,
3(1): 75-79.
[6] 何洁, 刘瑶, 张立勇, 等. 三种大型海藻吸收营养盐
的动力学研究[J]. 渔业现代化, 2010, 37(1): 1-5.
[7] 王萍, 桂福坤, 吴常文. 营养盐因子对孔石莼和繁枝
蜈蚣藻氮、磷吸收的影响[J].水产科学, 2010, 29(4):
208-211.
[8] Valente L M P, Gouveia A, Rema P, et al. Evaluation of
three seaweeds Gracilaria bursa-pastoris, Ulva rigida
and Gracilaria cornea as dietary ingredients in Euro-
pean sea bass (Dicentrarchus labrax) juneniles [J].
Aquaculture, 2006, 252(1): 85-91.
[9] 刘静雯, 董双林. 氮饥饿细基江蓠繁枝变型和孔石莼
氨氮的吸收动力学特征[J]. 海洋学报, 2004, 26(2):
95-103.
[10] 王吉桥 , 靳翠丽 , 张 欣 , 等 . 不同密度的石莼与中
国对虾的混养实验[J]. 水产学报, 2001, 25(1): 32-37.
[11] Liu J G, Wang Z F, Lin W. De-eutrophication of efflu-
ent wastewater from fish aquaculture by using marine
green alga Ulva pertusa [J]. Chinese Journal of
Oceanology and Limnology, 2010, 28 (2): 201-208.
[12] Wang H, Liu C F, Qin C X, et al.Using a macroalgae
Ulva pertusa biofilter in a recirculating system for
production of juvenile sea cucumber Apostichopus ja-
ponicas [J]. Aquacultural Engineering, 2007 (36):
217-224.
[13] 杨凤, 雷衍之, 王仁波．皱纹盘鲍自污染及其对幼鲍
生长及成活率的影响[J]．大连水产学院学报, 2003,
18(1): l-6.
[14] 杨凤, 马燕武, 张东升, 等. 孔石莼和臭氧对养鲍水
质的调控作用比较 [J]. 大连水产学院学报 , 2003,
18(2): 79-83.
[15] 郭赣林, 董双林, 董云伟. 温度及其波动对孔石莼生
长及光合作用的影响[J]. 中国海洋大学学报 , 2006,
36(6): 941-945.
[16] Kitadai K. Grouth,nitrogen and phosphorous uptake
and O2 production rate of seaweeds cultured on coastal
fish farms [J]. Bulletin of Fishery Research Agen, 2007,
19: 149-154.
[17] Troell M, Ronnback P, Halling C, et al. Ecological en-
gineering in aquaculture: use of seaweeds for removing
nutrients from intensive mariculture [J]. Journal of Ap-
plied Phycology, 1999, 11: 89-97.
[18] Wang H, Liu C-F, Qin C-X, et al. Using a macruoalgae
Ulva pertusa bilfilter in a recirculating system for pro-
duction of juvenile sea cucumber Apostichopus ja-
ponicas [J] Aquacultural engineering, 2007, 36:
217-224.
[19] Ellner S, Neori A, Krom M D, et al. Simulation model
of recerculating mariculture with seaweed biofilter:
development and experimental test of the model [J].
Aquaculture, 1996, 143: 167-184.
[20] Cahill P L, Hurd C, Lokman M. Keeping the water
clean-Seaweed biofiltration outperforms traditional
bacterial biofilms in recirculating aquaculture [J].
Aquaculture, 2010, 306: 153-159.
[21] 宋协法 , 李勋 . 工厂化鱼类养殖污水处理技术研究
[J]. 中国水产科学, 2004, 11: 96-101.
[22] 陶平, 贺凤伟. 大连沿海 3中大型速生海藻的营养组
成分析[J]. 中国水产科学, 2001, 7(4): 60-63.
[23] 朱建新, 刘慧, 冷凯良, 等. 几种常用饵料对稚幼参
生长影响的初步研究[J]. 海洋水产研究, 2007, 28(5):
48-53.
[24] 南春容, 张海智, 董双林. 孔石莼水溶性抽提液抑制
三种海洋赤潮藻的生长 [J]. 环境科学学报 , 2004.
24(4): 702-706.
[25] 南春容, 张海智, 林少珍. 孔石莼水溶性抽提液抑制海
洋浮游植物生长[J]. 科技通讯, 2007.23(5): 658-663.
[26] 王悠, 俞志明, 宋秀贤, 等. 共培养体系中石莼和江
蓠对赤潮异湾藻生长的影响 [J]. 环境科学 , 2006,
27(2): 246-252.
[27] Jin Q, Dong S. Comparative studies on the allelopathic
effects of two different strains of Ulva pertusa on Het-
erosigma akashiwo and Alexandrium tamarense [J].
Journal of Experimental Marine Biology and Ecology,
2003, 293: 41-55.
[28] 魏海峰, 刘长发, 张俊新, 等. 孔石莼(Ulva pertusa)
对铅、铜、镉的吸收[J]. 环境科学与管理, 2008, 33(8):
51-53.
[29] 赵元凤, 徐海生, 吕景才, 等. 牙鲆、孔石莼分泌物
对混合重金属在牙鲆组织蓄积的影响[J]. 环境科学
学报, 2006, 26(11): 1875-1879.
(本文编辑:梁德海)