《Aquaculture》：Evaluating nutrient removal efficiency of aquatic plants in pond aquaculture discharges
编辑推荐：
半-intensive鲤鱼养殖系统通过水芹和浮萍协同种植实现水质净化与经济效益提升，水芹生物量达7.99–11.92 kg·m?2，除氮效率5.93–8.63%，除磷效率达23.43%；浮萍除氮效率19.15%，除磷效率57.89%，显著降低养殖废水氮磷浓度（-9.9%和-25.6%），出水达到欧盟排放标准，且植物生物量重金属安全达标，可转化为食品级高价值产品。
皮奥特·埃尔亚西克（Piotr Eljasik）| 阿尔卡迪乌什·涅德扎雷克（Arkadiusz N?dzarek）| 马尔戈扎塔·索布查克（Ma?gorzata Sobczak）| 斯瓦沃米尔·利谢茨基（S?awomir Lisiecki）| 科乌希克·罗伊（Koushik Roy）| 普热米斯瓦夫·斯米埃塔纳（Przemys?aw ?mietana）| 雷米吉乌什·帕尼奇（Remigiusz Panicz）
波兰西波美拉尼亚工业大学食品科学与渔业学院肉类科学系，什切青
摘要
在中欧和东欧，半集约化普通鲤鱼（Cyprinus carpio）的池塘养殖提供了宝贵的生态系统服务，如水分保持和生物多样性热点，但也可能导致营养污染和富营养化。本研究评估了两种水生植物——水田芥（Nasturtium officinale）和浮萍（Lemna minor）——利用鲤鱼养殖场废水进行植物修复的潜力、生物富集效率和生物量产出。水田芥的生物量产出为7.99–11.92公斤/平方米，而浮萍为2.54公斤/平方米。水田芥可以去除总氮（TN）的5.93–8.63%，浮萍则能去除总磷（TP）的19.15%。尽管碳（C）的吸收量可以忽略不计，但浮萍和水田芥系统有效降低了鲤鱼养殖场废水中的氮（-9.9%）和磷（-25.6%）浓度，其中浮萍在营养吸收方面表现最佳。所有经过植物修复的水都符合欧盟水框架指令对氮浓度的限制；经过浮萍处理的水也接近磷浓度的安全排放标准。此外，这两种大型水生植物中的重金属含量均低于食品级标准，从而提供了安全且可销售的生物量。这些发现表明，将水田芥和浮萍的生产整合到鲤鱼养殖中，可以通过可扩展的基于自然的生物修复方法来多样化农场收入并减轻富营养化问题。
引言
传统的普通鲤鱼（Cyprinus carpio）养殖主要发生在土塘中，无论在哪个国家、采用何种养殖策略或国家政策，这些池塘都充当半自然生态系统。2022年，欧盟（EU27）的鲤鱼产量达到63,865吨，市场价值接近1.9亿欧元。在全球范围内，鲤鱼是水产养殖中第五大重要养殖物种（FAO, 2024a, FAO, 2024b）。半集约化养殖系统通常包括一个为期三年的周期，鲤鱼主要依靠天然食物生存，并辅以黑麦、大麦等谷物（Woynarovich et al., 2010）。然而，由于半集约化喂养标准和养殖后的废水排放方式，鲤鱼养殖场被视为营养物质的来源，根据2006年的欧盟水框架指令（EU-WFD 2006），这可能加剧生物多样性的丧失和富营养化。尽管如此，鲤鱼养殖场仍作为重要的水资源库和营养物质捕获器，能够吸收来自内部（鱼饲料、粪便、浮游生物）和外部（农业径流）的营养物质。此外，鱼类在池塘中的活动以及风驱动的水循环促进了多样化微生物群落的发展，有助于有机物质的有效矿化，这些有机物质主要储存在沉积层中（Rahman et al., 2008）。为了减轻鲤鱼养殖对环境的影响，生产者遵守官方规定，将每公顷的生物量增加量限制在1500公斤以内，以控制营养物质的释放，这可能导致利润较低，但通常通过政府补贴来平衡（Water Law, 2017）。
通过改进的营养管理实现池塘养殖的生态集约化，可以多样化养殖策略，这在鲤鱼养殖中非常必要。大多数情况下，淡水混养包括鲤鱼与其他辅助物种的养殖，如鲫鱼（Tinca tinca）、草鱼（Ctenopharyngodon idella）和梭鱼（Esox lucius）（Woynarovich et al., 2010）。鲤鱼养殖场的规模差异很大，从几公顷到数千公顷的大规模养殖场都有（例如波兰的米利奇池塘，面积达7000公顷）。结合水生或半水生植物用于食物或饲料的综合性养殖，既有利于环境也有利于农民。利用水生植物吸收营养物质和其他化合物是改善水质和安全的常见且有前景的方法。许多近期研究已经证明了使用浮萍（Lemna）和香蒲（Carex comosa）能有效去除池塘和湿地中的营养物质（Ansal et al., 2010; Chen and Costa Jr., 2023）。然而，鲤鱼养殖生产者寻求低成本且适应性强的解决方案，以共同生产可作为食物或饲料的植物，从而提高养殖场的整体盈利能力。其中最有前景的水生植物之一是水田芥（Nasturtium officinale），这是一种半水生多年生植物，以其富含营养的叶子和辛辣的风味而闻名。水田芥被誉为营养密度最高的蔬菜之一，含有丰富的维生素A、C和K以及钙、铁和锰等矿物质（Fraser and Bramley, 2004）。食用水田芥具有多种健康益处，包括抗氧化特性和潜在的抗癌效果（Gill et al., 2007）。水田芥既能在人工环境中（Irhayyim et al., 2020）也能在自然环境中茁壮成长（Vincent and Downes, 1980），这使其成为与传统养殖系统结合生产的理想植物。然而，现有文献中关于水田芥在池塘养殖环境中的生产潜力、植物吸收水中的营养物质的能力以及这种新型“蓝色食物”对消费者的安全性方面仍缺乏信息。另一种广泛使用的水生植物是浮萍，这种小型浮游植物对池塘生态系统具有巨大潜力。浮萍可以有效去除水中的氮和磷等营养物质，从而改善水质（Paolacci et al., 2022）。此外，浮萍可作为高蛋白饲料喂养鲤鱼，因为它含有高达45%的蛋白质和生长发育所需的必需氨基酸，这得益于其快速繁殖和高效利用营养物质的能力（Xu et al., 2023）。水田芥的产量受生长地区的天气条件和水环境中的水化学参数显著影响（Leng et al., 1995; Paolacci et al., 2022）。作为鲤鱼养殖生态系统中的自然元素，浮萍在数据不足的池塘养殖环境中，在评估年生物量生产和化学组成方面尚未得到足够关注。
池塘养殖在提供对社会和环境至关重要的多种生态系统服务方面发挥着关键作用。这些服务包括水分保持、防洪、支持授粉者和减缓气候变化等。在池塘环境中额外种植具有生物修复功能的大型水生植物可以改善排放水的质量，并为鲤鱼养殖者带来额外收入。因此，本研究旨在探索在水田（w-pond）、人工渠道（w-channel）、鱼菜共生系统（w-aquaponics）以及占据池塘间通道的浮萍（d-channel）三种不同系统中生产的水田芥的植物修复潜力。此外，该研究还评估了产量、生态系统服务的价值，并探讨了将植物生物质作为食物或饲料成分的进一步应用方向。
本研究在波兰西北部的一个商业鲤鱼养殖场Maliniec进行（北纬53° 42′ 5.99′′，东经15° 21′ 22.19′′）。该养殖场占地120公顷（其中80公顷为水面），包括44个土塘（用于越冬、鱼苗培育、第二年鲤鱼养殖和储存），主要生产鲤鱼（年总生物量增加28吨），采用传统的三年周期养殖模式，鱼类主要以天然食物为食，并辅以谷物（如黑麦、大麦和燕麦）（Woynarovich et al., 2010）。
对比w-pond的进水与出水发现，大多数水质参数存在显著差异（表1）。出水池塘的pH值高出0.15（1.94%），温度高出0.39°C（3.17%），碱度降低2.59%，溶解氧饱和度提高37.56%。水中氮（NH4+）和氨（NH4+）的浓度显著降低（图2A, B），而硝酸盐（NO3?）浓度增加了13.92%（图2）。
植物修复是一种利用植物和根际微生物从水中或土壤中去除污染物的生物修复技术。植物修复过程已成为重要的生态工程工具，有助于减轻水产养殖对环境的影响，特别是在欧盟水框架指令的背景下（McCutcheon and J?rgensen, 2008; Alexander et al., 2015）。此外，人们对综合多营养级生态系统的兴趣日益增加...
水田芥和浮萍在去除鲤鱼养殖场废水中的营养物质方面表现出显著潜力。在连接渠道、排放渠道和未使用的池塘中种植这两种植物，可以帮助半集约化鲤鱼养殖解决欧盟水框架指令（EU-WFD, 2006）中提出的优先事项。此外，水生植物的共同生产可能带来经济效益，尤其是在用于人类消费的情况下。低成本和高效的...
皮奥特·埃尔亚西克（Piotr Eljasik）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、调查、数据分析、概念化。阿尔卡迪乌什·涅德扎雷克（Arkadiusz N?dzarek）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查。马尔戈扎塔·索布查克（Ma?gorzata Sobczak）：撰写 – 审稿与编辑、验证、调查。斯瓦沃米尔·利谢茨基（S?awomir Lisiecki）：撰写 – 初稿撰写、验证、调查。科乌希克·罗伊（Koushik Roy）：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法论、数据分析。普热米斯瓦夫·斯米埃塔纳（Przemys?aw ?mietana）：撰写 – 初稿撰写...
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
本研究是欧盟“Horizon Europe”项目SAFE的一部分，该项目获得了欧盟“Horizon Europe”资助计划的支持，授权协议编号为101084549。该项目得到了科学部的支持，属于2024-2027年的“区域卓越计划”（RID/SP/0045/2024/01）。第五位作者（KR）感谢NAZV QL25020009在手册准备过程中的支持。我们还要感谢Mateusz Gzyl和ICR团队的后勤协助。
