综述：循环水养殖系统：进展、影响及可持续发展的综合路径

本综述系统阐述了循环水养殖系统（RAS）在2020-2025年间的最新进展，重点介绍了低水头增氧、模块化生物过滤、微藻集成、AI智能投喂及低温大气等离子体消毒等创新技术如何提升效率、生物安全及可持续性。文章深入探讨了工程设计、水质管理、自动化、物种特异性福利优化及经济性能，并强调了集成微藻和微生物群落对促进营养循环、CO2封存、氧气生产及生物过滤韧性的作用，推动零废物目标实现。同时指出其在能耗、微生物稳定性、系统复杂性及成本可扩展性方面的挑战，为未来循环、精准水产养殖的发展指明了方向。

　　

循环水养殖系统（RAS）的革新之路：迈向可持续精准水产养殖

循环水养殖系统（RAS）作为一种陆基设施，通过连续的水处理和水循环再利用，为水生生物提供了一个受控的养殖环境。与传统的开放或流水式系统相比，RAS具有显著优势：极大减少用水量、增强生物安全性，并能维持高养殖密度以获得更高产量。在传统池塘或网箱系统中，约有79%的饲料氮和83%的饲料磷会流失到周围环境中，导致富营养化和水体污染。而RAS则能在现场捕获并处理废物，显著减少环境排放。随着全球人均海产品供应量从1961年的9.0公斤增至2015年的20.2公斤，水产养殖目前已贡献全球超过50%的海产品供应。RAS技术正契合可持续水产养殖的增长需求，有助于在环境安全限度内满足未来的鱼类需求。

流态（养殖池流体动力学与几何结构）

养殖池内部的流态对鱼类生长、废物输送和能源消耗有着强烈影响。传统的矩形池易产生滞流区和不均匀的流速分布。圆形池能促进自清洁涡流，但可能无法有效利用地面空间。近期的工程研究致力于优化池体几何结构以改善流体动力学。例如，矩形与八角形设计的比较表明，八角形配置改善了流速均匀性，减少了可能积聚废物并造成局部水质恶化的死角。优化的流态能确保溶解氧均匀分布，有效带走代谢废物（如氨和二氧化碳），并减少鱼类在对抗水流中所消耗的能量，从而促进生长和提高饲料转化率。

水质与营养管理进展

在RAS中，维持最佳水质至关重要，因为同一水体被持续循环使用。关键参数包括含氮废物（如氨、亚硝酸盐、硝酸盐）、溶解气体（如氧气、CO₂）、pH值以及有机固体的积累。2020至2025年的研究重点集中在改进生物过滤以去除氮、先进的的气体交换以实现增氧和CO₂剥离，以及更有效的固体管理以维持稳定的水环境。生物过滤器是RAS的心脏，其中的硝化细菌群落将有毒的氨转化为毒性较低的亚硝酸盐，最终转化为硝酸盐。研究通过开发新型滤料和优化微生物群落结构，提升了生物过滤器的效率和稳定性。在增氧方面，低水头氧气技术降低了能耗。对于CO₂的去除，高效的剥离器得到应用，以防止CO₂积累导致水体酸化，影响鱼类健康。此外，低温大气等离子体等先进消毒技术也被探索用于控制病原微生物，提升系统生物安全性。

微藻与集成系统的作用

近期RAS研究中最令人兴奋的趋势之一是集成微藻及其他生物，以创建多营养级系统，将废物转化为附加生产的投入品。其目标是通过利用鱼类产生的废物（如无机营养盐、CO₂和有机物）来培养藻类或植物，从而闭合营养循环。这些藻类或植物随后可作为饲料、生物燃料或其他有价值的产品被收获，同时通过产氧和营养吸收改善水质。集成微藻系统不仅能有效吸收硝酸盐、磷酸盐等营养盐，还能通过光合作用产生氧气，减少外部增氧需求，并封存CO₂。这种“鱼-藻”综合养殖模式体现了循环经济理念，推动了RAS向零废物目标迈进。

自动化与人工智能在RAS中的应用

自动化与人工智能（AI）已成为现代RAS不可或缺的部分，使得实时监测动物行为、优化投喂、动态调整水质以及早期检测系统异常成为可能。由于RAS是封闭且高度可控的环境，它们从传感器、摄像头和其他监控设备产生连续的大量数据，这使其非常适用于智慧农业方法。自2020年以来，机器学习、计算机视觉和物联网（IoT）的快速发展为RAS的智能化管理提供了强大工具。AI驱动的投喂系统能够根据鱼的食欲、大小和环境条件精确控制投喂量和时间，减少饲料浪费和水体污染。计算机视觉技术可用于监测鱼群行为，识别应激或疾病早期迹象。智能传感器网络则能实时追踪水温、溶氧量、pH值、氨氮浓度等关键参数，并在出现偏差时自动调整系统运行或发出警报，大大提升了管理效率和系统的稳健性。

动物健康与福利

确保养殖物种的健康与福利既是伦理责任，也是提高生产力的驱动力。RAS对环境参数的强大控制有助于减少应激和限制疾病风险。然而，管理不善，如过高的养殖密度或维持稳定但不自然的水条件，可能带来福利挑战。近期的研究聚焦于RAS中特有的应激源及缓解策略。这些策略包括调整水流和光照模式以模拟更自然的环境，开发能减少争斗和损伤的富集设施，以及通过改善水质和营养来增强鱼类免疫系统。关注动物福利不仅符合伦理要求，还能直接转化为更好的生长性能、更高的存活率和更优的产品质量。

生产性能与盈利能力

水产养殖创新的成功与否最终通过其对生产性能和盈利能力的影响来衡量。关键指标包括生长率、饲料效率、存活率和经济回报。RAS研究表明，精准投喂和受控环境通常能加速生长，缩短生产周期。然而，高昂的运营成本意味着最大化饲料转化率和维持高存活率对于盈利能力至关重要。优化能源使用（尤其是水泵和增氧设备）、降低劳动力成本以及有效管理污泥等副产物，是提高RAS经济可行性的关键。此外，解决土臭素和2-甲基异莰醇（MIB）等引起的异味问题，减少收获前所需的5-10天清水净化时间及相关成本（约占生产成本的5-7%），对于提升市场灵活性和利润也至关重要。

环境与可持续性影响

RAS技术最初的驱动力来自于对环境可持续性的需求，特别是减少水产养殖的用水量和最小化废物排放。随着其应用的扩大，评估RAS的真实生态足迹以及近期创新的影响变得至关重要。核心考量包括水资源保护、营养盐污染减缓、能源需求、碳排放以及与周围生态系统的相互作用。与传统系统相比，RAS的用水量极少，并能将营养盐排放降至最低。然而，其能源密集型特点可能导致较高的碳足迹，尤其是在依赖化石燃料供电的情况下。未来的方向是整合可再生能源（如太阳能、风能），并采用生命周期评估（LCA）等工具全面衡量其环境影响，确保RAS在整体上是环境友好的解决方案。

挑战、局限性与未来方向

尽管循环水养殖系统（RAS）的设计和管理取得了快速进展，但仍面临若干挑战。这些障碍必须被克服，才能将RAS完全确立为可持续且具有竞争力的水产养殖模式。当前的限制可分为技术、经济和生物领域。技术挑战包括系统的能源强度、维持微生物群落（尤其是生物过滤器内）稳定的复杂性，以及处理高浓度硝酸盐的有效方法。经济方面的挑战涉及高昂的初始投资和运营成本，这限制了中小规模生产者的采用。生物挑战则包括优化不同物种的养殖条件，以及持续应对疾病风险。未来的研发重点应包括：进一步集成可再生能源以降低碳足迹和运营成本；开发标准化协议和操作规程以降低技术门槛；加强跨学科人才培养；以及制定支持性的政策框架，加速循环、精准水产养殖的推广应用。

结论与展望

近期研究突显了循环水养殖系统（RAS）的重大进展，推动了水产养殖的可持续集约化。工程方面在养殖池设计、流体动力学和低能耗过滤方面的改进提升了效率，使得在不牺牲鱼类福利的前提下实现更高养殖密度成为可能。营养盐和废物管理的创新，特别是微藻的集成，将废水转化为用于饲料或肥料的生物质，强化了循环经济实践。自动化与人工智能（AI）的融合正将RAS转变为数据驱动、高精度的生产系统。尽管在能效、微生物稳定性和成本效益方面仍存在挑战，但通过可再生能源整合、跨学科合作和支持性政策的持续创新，为RAS成为全球粮食安全和水产养殖可持续发展支柱铺平了道路。未来的RAS将更加智能、高效、环境友好，为满足不断增长的海产品需求提供重要解决方案。