張晨，張瑜，曹宇，陳麗紅，劉記，余若禎

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100021; 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境分析測試技術(shù)中心,北京 100021; 3.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

養(yǎng)殖魚類糞便污染的危害、機理及治理方法研究進展

張晨1、2，張瑜1、2，曹宇1、2，陳麗紅1、2，劉記3，余若禎1、2

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100021; 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境分析測試技術(shù)中心,北京 100021; 3.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710064)

隨著集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖活動對天然水體的危害也日趨嚴重。養(yǎng)殖過程中，未經(jīng)過妥善處理的魚類排出的糞便成為破壞養(yǎng)殖水環(huán)境的主要污染物。本研究中闡述了魚類糞便對養(yǎng)殖水體和養(yǎng)殖動物的危害，介紹了養(yǎng)殖條件下影響糞便生成量和顆粒大小的因素，歸納總結(jié)了國外幾種常用的對于魚類糞便危害的治理方法，同時，描述了中國在治理養(yǎng)殖水體污染中存在的問題，并對未來解決魚類糞便污染的措施提出了新的研究展望。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；糞便；污染；穩(wěn)定性

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)逐步向生態(tài)可持續(xù)的方向發(fā)展，降低養(yǎng)殖活動對環(huán)境的不利影響逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[1]。中國集約化養(yǎng)殖的迅速興起雖然解決了國內(nèi)蛋白質(zhì)的供應(yīng)問題，但嚴重影響了中國內(nèi)陸和近岸天然水體的生態(tài)平衡。在養(yǎng)殖過程中，為降低成本，較少采用昂貴的過濾裝置清潔養(yǎng)殖用水或?qū)ε欧诺酿B(yǎng)殖廢水進行處理。未經(jīng)處理的養(yǎng)殖廢水被直接排放到天然水體中，廢水中的污染物也隨之累積，造成天然水體的水環(huán)境惡化，魚類資源退化。養(yǎng)殖水體中的主要污染物是溶解或懸浮的顆粒物質(zhì)[2]，源于殘餌和糞便的破碎分解。魚類排出的糞便是水體中固體顆粒物質(zhì)的主要來源[3]。大顆粒糞便在水流的剪切力作用下，逐漸裂解成細小的固體顆粒并向水體中釋放大量的營養(yǎng)鹽，促使水質(zhì)惡化，威脅魚類正常的生理活動。優(yōu)化投喂方案可以減少甚至避免殘餌的污染。國外還通過限制養(yǎng)殖水體中懸浮的固體顆粒物含量，特別是糞便顆粒的含量來提升養(yǎng)殖效果，大力推行循環(huán)水養(yǎng)殖模式來協(xié)調(diào)養(yǎng)殖活動與環(huán)境間的矛盾[4]。目前，中國學(xué)者對養(yǎng)殖水體中糞便危害的研究較少，更鮮有針對性的解決措施。為此，本研究中綜述了養(yǎng)殖水體中魚類糞便顆粒的危害以及影響糞便生成量和顆粒大小的因素，歸納總結(jié)了國外改善糞便污染問題的有效方法，旨在為解決中國集約化養(yǎng)殖的環(huán)境污染問題提供參考。

1 養(yǎng)殖水體中魚類糞便顆粒的危害

在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，魚類對飼料的利用率較低，投喂的飼料僅有少部分能夠被養(yǎng)殖魚類有效利用，大部分均以排泄物的形式排出體外[5]。為了使魚類快速生長，在高密度的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中通常為過飽食投喂。這種投喂方式不僅容易在養(yǎng)殖水體中形成大量殘餌，還相應(yīng)增加了魚類的攝食量。根據(jù)Kitchell等[6]的生物能量學(xué)方程G=C-F-U-R(其中，G為生長能，C為食物能，F(xiàn)為排糞能，U為排泄能，R為呼吸能)可知，在滿足魚類正常生長的前提下，攝食的飼料越多，生成排泄物的量就越大。與此同時，養(yǎng)殖魚類攝食水平的增加常會導(dǎo)致飼料表觀消化率降低[7]，增加糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。飼料中未被魚類吸收利用的營養(yǎng)物質(zhì)會隨糞便排放到水環(huán)境中[8]。糞便的生成量越大，對養(yǎng)殖水體的不利影響就越顯著。

若魚類排出的糞便在水中維持原有的大顆粒狀態(tài)，其中的營養(yǎng)物質(zhì)溶出速度會相對緩慢。水體中適量增加營養(yǎng)物質(zhì)能促進浮游生物的生長，對維持養(yǎng)殖水環(huán)境的生態(tài)平衡至關(guān)重要。在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，糞便被排出后即刻受到外力的作用，如水流的沖擊、魚體的撞擊等而分解破碎成細小的顆粒，其中的營養(yǎng)物質(zhì)充分與水接觸并溶解到水體中，使養(yǎng)殖水體在短時間內(nèi)積累大量的營養(yǎng)物質(zhì)。溶解后的營養(yǎng)物質(zhì)很難被清除[9]，過度累積后會使有害藻類大量滋生，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。

細小的糞便顆粒以極慢的速度沉降或懸浮于水體中，大部分集中在靠近水面的位置[10]。隨著顆粒物含量的增加，嚴重影響水體表面的氣體交換及水體透光率。這不僅降低了大氣溶解于水體中的氧氣含量，還阻礙了浮游植物的光合作用。糞便中的有機物含量較高，遇水分解時消耗大量的氧氣[11]，加之水生生物的呼吸作用，使養(yǎng)殖水體在一定時間內(nèi)維持較高的氧氣支出量，氧氣的收入量遠小于支出量，最終形成缺氧環(huán)境。在此環(huán)境下，氨氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)在水中迅速累積，使水質(zhì)惡化。

實際生產(chǎn)過程中，養(yǎng)殖魚類攝食和巡游等生理活動均會使其體表和鰓絲不斷受到養(yǎng)殖水體中糞便顆粒的摩擦，增加了兩者受到機械性損傷的概率。魚類主要依靠鰓進行呼吸，細小的糞便顆粒能堵塞鰓部結(jié)構(gòu)[12]，使魚類無法正常呼吸和排泄。對于主要依靠皮膚呼吸的魚類而言，細小的糞便顆粒聚集于水體表層形成的膠體物質(zhì)很容易覆蓋在其皮膚表面，阻礙表皮中的毛細血管與外界進行氣體交換，大大降低了魚類的攝氧量，最終使魚體缺氧并在體內(nèi)積累大量的有毒物質(zhì)，直至魚類死亡。此外，魚類糞便中的大腸桿菌和鏈球菌等病菌隨糞便進入到養(yǎng)殖水體中[13]，嚴重危害養(yǎng)殖魚類的健康[14]，降低了集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益。

2 影響魚類糞便生成量及其顆粒大小的因素

2.1魚類糞便生成量的影響因素

養(yǎng)殖過程中殘餌和糞便的生成量是決定養(yǎng)殖水環(huán)境優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。隨著飼料膨化工藝的迅速發(fā)展，漂浮的殘餌顆粒更易被及時清理，因此，廣泛使用浮性飼料降低了殘餌對養(yǎng)殖水體的影響。相比之下，難以被清理的魚類糞便顆粒則成為影響水質(zhì)的最主要因素，尤其在大量魚類糞便生成的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水質(zhì)的好壞完全取決于水體中魚類糞便的含量。因此，探究魚類糞便生成量的影響因素尤其重要。

根據(jù)Brett等[15]的能量學(xué)方程可知，食性不同的魚類所攝食的食物類型不同，消化率也不同。草食性魚類因喜食難以消化的植物性食物，消化率低于肉食性魚類。養(yǎng)殖魚類的消化率低，所攝食的飼料不能最大程度地被吸收和利用，就會以糞便的形式排出體外。因此，養(yǎng)殖種類及食物類型均會影響?zhàn)B殖水環(huán)境中的糞便生成量。養(yǎng)殖魚類的食物主要來自于飼料，因此，飼料的組成成分較大程度上決定了糞便的生成量。魚類的攝食水平同樣影響著魚類糞便的形成，兩者的關(guān)系可以用特定的函數(shù)來表示。Sun等[16]在研究青石斑魚Epinephelusawoara時發(fā)現(xiàn)，糞便生成量與投喂水平呈線性關(guān)系。軍曹魚Rachycentroncanadum的糞便生成量與投喂水平間的關(guān)系可以用對數(shù)函數(shù)來表示[17]。Cui等[18]在對真鱥PhoxinusphoxinusL.的研究中提出，魚類糞便生成量與攝食量、溫度間存在聯(lián)系，這可能與水溫變化能夠影響魚類的消化率有關(guān)[19]。另外，魚體的大小也可能影響魚類的消化率[20]，進而影響其排糞量。

2.2魚類糞便顆粒大小的影響因素

魚類糞便破碎分解后形成的細小顆粒不僅影響?zhàn)B殖水體的水質(zhì)和其中的生物，還會影響過濾裝置的清除效率[21]。防止魚類糞便形成小顆粒物質(zhì)對維持正常的養(yǎng)殖環(huán)境起著重要作用。影響魚類糞便顆粒大小的因素有很多，其中以魚體自身、飼料和水環(huán)境為主要因素。

2.2.1 魚體種類及規(guī)格 魚類的種類和規(guī)格影響其糞便顆粒的大小。Magill等[22]用同種飼料飼喂規(guī)格相近的海鯛SparusaurataL.和海鱸DicentrarchuslabraxL.后發(fā)現(xiàn)，排出糞便的粒徑明顯不同，說明魚的種類與其糞便顆粒大小間存在相關(guān)性。Buryniuk等[23]研究了不同規(guī)格大西洋鮭SalmosalarL.(1 kg和5 kg)與糞便顆粒大小間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)大個體大西洋鮭(5 kg)排出的糞便顆粒大于小個體大西洋鮭(1 kg)的。在過濾系統(tǒng)中，根據(jù)不同的養(yǎng)殖種類和魚體大小選擇最適孔徑的濾網(wǎng)可提高過濾裝置清除糞便的效率。

2.2.2 飼料的組成成分 飼料成分在很大程度上決定著魚類糞便的物理特性[24]，即穩(wěn)定性。在養(yǎng)殖水體中，魚類糞便的穩(wěn)定性越好，就越容易維持大顆粒狀態(tài)，反之則更容易分解成小顆粒物質(zhì)。飼料的組成成分通過改變糞便的穩(wěn)定性來影響糞便顆粒大小。Blyth等[25]比較了魚類糞便的收集方式，發(fā)現(xiàn)飼料中碳水化合物含量較高時，糞便難以在水中維持結(jié)構(gòu)的完整性。Ogunkoya等[26]將復(fù)合酶制劑添加到豆粕含量不同的飼料中，研究了虹鱒Oncorhynchusmykiss糞便物理特性的變化，結(jié)果表明，豆粕與復(fù)合酶制劑共同使用降低了虹鱒糞便的黏性。糞便的黏性越差，越難以維持自身的穩(wěn)定狀態(tài)，受水環(huán)境的影響就越大。

2.2.3 水環(huán)境因素 魚類在養(yǎng)殖環(huán)境中的各種生理活動均能引起局部水流運動[27]。增氧或過濾設(shè)備在運行過程中也會形成強勁的水流。無論哪種形式的水流，在運動過程中均會形成剪切力作用于水中的懸浮糞便，使其破碎分解形成細小的顆粒[28]。魚類的游動也可能將沉降于水底部的糞便顆粒重新攪回水體中，使糞便顆粒再次經(jīng)受外力的作用，增加糞便顆粒分解的可能性。在養(yǎng)殖過程中，魚類的糞便自排出后就開始經(jīng)受各種因素形成的剪切力作用。糞便的破碎程度與剪切力的強弱密切相關(guān)。即使處于完全靜止的水環(huán)境中，長時間的浸泡糞便也會逐漸膨脹變大，穩(wěn)定性大大降低。

3 魚類糞便危害的防治措施

魚類糞便顆粒中的營養(yǎng)物質(zhì)含量及其在水中的狀態(tài)對養(yǎng)殖水環(huán)境及養(yǎng)殖動物的健康起到了決定性作用。糞便顆粒越大，顆粒中所含的營養(yǎng)物質(zhì)越少，對養(yǎng)殖水環(huán)境及養(yǎng)殖動物的危害就越小。解決魚類糞便污染問題的方法概括起來主要有兩點：一是降低糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量；二是提高糞便的穩(wěn)定性。魚類糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量與養(yǎng)殖動物對飼料的利用率密切相關(guān)，可以通過提高飼料利用率來降低魚類糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。魚類糞便的穩(wěn)定性則可以通過改變其物理特性來調(diào)節(jié)。

3.1提高飼料利用率

一直以來，提高飼料利用率、減少糞便生成量都是解決魚類糞便污染問題的主要方法[29]。最初的研究中，主要通過大量添加魚粉或使用高品質(zhì)魚粉等方式來提高飼料的利用率。隨著魚粉價格持續(xù)上漲，以植物性原料代替魚粉成為飼料行業(yè)的發(fā)展趨勢[30]。但是，植酸等植物性原料中特有的抗營養(yǎng)因子不利于魚類生長[31]，阻礙了魚體對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，降低了飼料利用率，增加了糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。為解決植物性原料中的抗營養(yǎng)因子問題，Amirkolaie[32]提出了向飼料中添加如植酸酶等“消化增強劑”以提高飼料利用率，降低糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。植酸酶能夠水解植酸，降低飼料中抗營養(yǎng)因子的含量。Biswas等[33]和Papatryphon等[34]向含有豆粕的飼料中添加植酸酶，促進了魚類的生長，提高了魚類對營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。由此可知，“消化增強劑”的本質(zhì)是一類抵消抗營養(yǎng)因子作用的物質(zhì)。從當前的生產(chǎn)實踐來看，亟待開發(fā)和利用適用于飼料添加劑使用的此類物質(zhì)。

3.2改變魚類糞便的物理特性

3.2.1 提高魚類糞便的穩(wěn)定性 養(yǎng)殖水環(huán)境幾乎不會處于靜止狀態(tài)，來自養(yǎng)殖魚類和外界的任何因素均會引起水環(huán)境中局部或大范圍的水體流動，形成剪切力并作用于糞便，增加了糞便分解的概率。因此，增強糞便的穩(wěn)定性十分必要。魚類糞便的物質(zhì)形態(tài)介于固態(tài)和液態(tài)之間，兼具固、液兩種特性[35]。在衡量糞便的穩(wěn)定性時，可利用描述液體特性的黏性指標和描述固體特性的彈性模量指標來衡量。糞便的黏性和彈性模量越大，說明糞便穩(wěn)定性越高，抵抗外力作用的能力就越強。

向飼料中添加黏合劑可增強糞便的穩(wěn)定性[36]。雖然作用效果明顯，但對于黏合劑的種類、作用機理和添加量等問題還未做深入地研究，因此，欠缺說服力。在隨后的研究中，Brinker等[35]通過預(yù)試驗，研究并篩選出3種作用效果最好且不會降低飼料利用率的黏合劑：瓜爾豆膠、海藻酸鈉和藻粉。在瓜爾豆膠的作用下糞便的黏性顯著增加，而海藻酸鈉及藻粉促進糞便彈性模量的效果最顯著。Brinker等[37]在研究飼料黏合劑對過濾裝置過濾效率的影響時發(fā)現(xiàn)，瓜爾豆膠顯著提高了糞便的穩(wěn)定性，使糞便更易維持大顆粒狀態(tài)，提升了過濾裝置的過濾效果。然而，Amirkolaie等[38]在以沉降池中魚類糞便的回收率作為糞便穩(wěn)定性衡量標準時發(fā)現(xiàn)，飼料中添加瓜爾豆膠降低了糞便的回收率，說明瓜爾豆膠降低了糞便的穩(wěn)定性，使糞便更易分解成不易沉降的細小顆粒。目前其原因尚未明確，可能與瓜爾豆膠發(fā)酵作用增加了糞便中的水分含量等因素有關(guān)[39]。

早期研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加瓜爾豆膠可降低魚類對營養(yǎng)物質(zhì)的消化率[40]。但Brinker[41]研究表明，飼料中添加0.3%的高黏度瓜爾豆膠不但能顯著提高糞便的穩(wěn)定性，而且也不影響魚類對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用，只有在添加量較高的情況下，瓜爾豆膠才能影響魚類的消化率。黏合劑的品質(zhì)越高，作用效果就越好。

3.2.2 改變魚類糞便的密度 魚類糞便若不能被及時清除出養(yǎng)殖水體，就會吸水使自身的密度更接近于水的密度[42]，因此，降低了糞便的沉降速度，延長了糞便在水體中的停留時間，增加了糞便受外力作用的概率和時間，使糞便顆粒更易破碎分解。即使魚類糞便沉積于水底，魚類的活動依然會將糞便顆粒重新攪動到水體中或用身體直接將糞便打碎。因此，若糞便排出后就立即漂浮于水面之上，可顯著減少與水流和養(yǎng)殖動物接觸的機會，也使糞便清理工作變得更加簡單和方便?，F(xiàn)階段，如何改變魚類糞便的物理性質(zhì)，使其能在水中漂浮逐漸成為研究的重點。

改變飼料組成成分能引起糞便物理性質(zhì)的變化[26]。為使魚類糞便能在水體漂浮，需要在糞便中積累大量的低密度物質(zhì)。這類物質(zhì)主要來源于飼料中添加的浮性材料。Unger等[43]提出了浮性材料的5個限制條件：密度低、不可消化、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高漂浮率、可作飼料添加劑，并探討了以此篩選出的幾種浮性材料對魚類糞便密度的影響。結(jié)果表明，飼料中添加2%的軟木粉(0.5～1.0 mm)顯著降低了魚類糞便的密度，可使糞便的密度(<1 g/cm3)低于水而漂浮，也不會影響魚類的健康。浮性材料為不可消化的物質(zhì)，添加到飼料中會降低飼料的營養(yǎng)水平，影響魚類的生長。但Schumann等[44]研究表明，浮性材料不但不會影響魚類的生長，還可降低養(yǎng)殖魚類的患病概率。這可能與其有效改善了養(yǎng)殖水體的水質(zhì)密切相關(guān)。低密度的魚類糞便顆粒漂浮于水面之上，外形和顏色與飼料顆粒近似，魚類有可能誤將糞便顆粒當飼料而吞食，降低飼料的利用率。然而研究發(fā)現(xiàn)，魚類基本不攝食糞便顆粒，即使偶然吸入口中，也會即刻吐出，魚類胃中未發(fā)現(xiàn)糞便顆粒即是證明[45]。由此說明，魚類能夠明確辨認糞便顆粒與飼料顆粒，漂浮的糞便顆粒不會影響魚類的攝食。

上述新方法在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的作用效果可能與浮性材料的種類及養(yǎng)殖動物種類等因素密切相關(guān)。上述研究中使用的軟木粉源自歐洲栓皮櫧QuercussuberL.樹皮，中國則以栓皮櫟QuercusvariabilisBL.為軟木的主要原材料。栓皮櫟粉作為浮性材料能否達到栓皮櫧的作用效果，或者是否存在其他高效的天然浮性材料，尚需要深入研究。同種浮性材料能否應(yīng)用于不同種類的養(yǎng)殖動物并產(chǎn)生相同的作用效果也需要進一步探討。若此方法應(yīng)用于設(shè)有濾水裝置的養(yǎng)殖過程中，則需根據(jù)不同濾水方式來調(diào)節(jié)糞便的密度，以提升濾水裝置的過濾效果。若濾水方式以沉降為主，可適當增加魚類糞便的密度；若以機械過濾為主，則可相應(yīng)降低魚類糞便的密度[46]。

3.3其他措施

在不改變飼料組成成分的前提下，使用擠壓機制作飼料可在一定程度上提高飼料的利用率，降低糞便的生成量[47]。飼料中的碳水化合物，特別是纖維素的分子鍵，在受到擠壓過程中逐漸斷裂，形成可溶性膳食纖維，其屬于可用作黏合劑的非淀粉多糖。增加飼料中膳食纖維的含量能相應(yīng)降低飼料中黏合劑的用量，提高了飼料的利用率。除飼料因素外，在養(yǎng)殖過程中遵循“四定投喂原則”以及適宜的投喂頻率，在一定程度上也能夠改善魚類糞便污染問題[48]。

4 存在問題與展望

目前，中國解決養(yǎng)殖水體污染的研究主要集中在利用微生物制劑，降低水體中營養(yǎng)鹽和有害離子的含量，以及利用化學(xué)或生物絮凝劑降低水體中固體懸浮物的含量等方法。以上方法雖能夠在短時間內(nèi)使養(yǎng)殖水體的水質(zhì)得到改善，但不能從根本上解決水體污染問題，僅能起到緩解作用。養(yǎng)殖水體的污染物主要源于殘餌和魚類糞便，因此，需通過合理投喂，大幅減少殘餌量。在嚴格遵循投喂標準的養(yǎng)殖過程中，減少魚類糞便污染才是解決養(yǎng)殖水體污染的最根本方法。今后應(yīng)更加深入探討飼料的組成成分與糞便間的關(guān)系，尤其是飼料中不同種類的植物性原料對糞便穩(wěn)定性的影響。其中，黏合劑和浮性材料的最適種類和添加量仍需要深入研究。

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Advancesinhazard，mechanismandpreventionoffishfaecalpollutioninaquaculture:researchprogress

ZHANG Chen1，2，ZHANG Yu1，2，CAO Yu1，2，CHEN Li-hong1，2，LIU Ji3，YU Ruo-zhen1，2

(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100021,China;2.Environmental Analytical and Testing Technique Center,Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100021,China;3.Academy of Environmental Science and Engineering, Chang An University, Xi’an 710064,China)

In recent years, aquaculture activities cause severely impair to health of water body in nature as the rapid development of intensive aquaculture. During the aquaculture, fish faeces fail to be a properly handled and become the main contaminant which can destroy the water environment in aquaculture. The hazards coming from fish faeces to water body and farmed animals are summarized, the factors influencing fecal production and particles size under the condition of aquaculture are described, and several kinds of commonly measures from abroad and at home to prevent and control the hazards are discussed. The problems in management of water pollution in China, and a new outlook in the content of future research on faeces are presented.

aquaculture; faece; pollution; stability

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.05.020

2095-1388(2017)05-0631-06

Q954.4

A

2017-03-08

中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室基金資助項目(2005003001002)

張晨(1988—)，男，碩士研究生。E-mail:316326984@qq.com

余若禎(1969—)，女，博士，副研究員。E-mail：1323795860@qq.com