活化巴巴苏生物炭在循环水养殖系统中的饲料补充与过滤应用：对水质及亚马逊坦巴基鱼（Colossoma macropomum）性能的影响

《Aquacultural Engineering》：Dietary supplementation versus filtration application of activated babassu biochar in recirculating aquaculture systems: Effects on water quality and performance of Amazonian tambaqui ( Colossoma macropomum)

　　

摘要：在集约化鱼类养殖中，水质是决定生长性能和动物福利的关键因素。其中，氨因其对鱼类的高毒性而备受关注。本研究评估了由巴巴苏椰子（Attalea speciosa）果皮制备的活化生物炭（activated biochar, ABC）作为水过滤器吸附剂、饲料添加剂或两者结合使用时，对循环水养殖系统（recirculating aquaculture system, RAS）中亚马逊坦巴基鱼（Colossoma macropomum）的水质、生长性能、全鱼体成分及血液学参数的影响。研究设置了四个处理组：对照组（NABC，不使用ABC）、饲料添加组（DABC，饲料中添加4% ABC）、过滤组（FABC，过滤器中使用200 g ABC）以及联合组（DFABC，饲料中添加4% ABC且过滤器中使用200 g ABC）。结果表明，将ABC应用于过滤器（FABC和DFABC）显著降低了总氨氮（total ammonia nitrogen, TAN）和非离子氨（unionized ammonia, NH?-N）浓度，降幅分别超过60%和70%。相反，仅通过饲料添加ABC并未降低氨浓度。此外，ABC过滤应用提高了蛋白质沉积和氮保留率，从而改善了生长性能和饲料转化率。无论以何种方式应用，ABC均改善了坦巴基鱼的血液学指标。这些发现表明，将ABC作为RAS中的过滤介质是一种有效的策略，可改善水质、促进鱼类生长并维护其健康，同时为原本废弃的农业副产品提供了增值利用途径。

研究背景与意义

在集约化水产养殖中，水质管理是决定鱼类生长性能和动物福利的核心要素。其中，氨氮（ammonia）因其高毒性成为最受关注的胁迫因子之一。水体中的非离子氨（unionized ammonia, NH?-N）极易扩散穿过生物膜，干扰细胞功能并破坏血浆至水的扩散梯度，导致鳃组织损伤、渗透失衡甚至死亡。因此，有效控制氨浓度是保障循环水养殖系统（recirculating aquaculture system, RAS）稳定运行的关键。传统降氨手段包括生物过滤、换水和吸附剂应用，其中生物炭（biochar）作为一种碳质多孔材料，因原料来源广、成本低且兼具吸附和微生物载体功能而受到重视。然而，现有研究多聚焦于单一应用方式（饲料添加或滤材），缺乏对两种策略在统一系统中直接比较的系统性评估。此外，巴西本地丰富的巴巴苏椰子（Attalea speciosa）果皮作为一种农业废弃物，其制备的活化生物炭（activated biochar, ABC）在水产养殖中的应用潜力尚未被探索。基于此，研究人员提出假设：将源自巴巴苏果皮的ABC作为RAS过滤介质，可有效降低氨浓度，进而提升坦巴基鱼（Colossoma macropomum）的生长性能、营养利用率和血液学状态，并探究其在饲料中单独或联合应用的协同效果。

研究方法概述

研究人员从巴西马拉尼昂州当地生产者处获取巴巴苏椰子，并在法国CIRAD实验室完成生物炭制备与活化。具体流程包括：在管式反应器中以5 °C/min升温至800 °C进行热解，随后在氮气和水蒸气混合气氛中于相同温度下活化90分钟，以增加孔隙率和比表面积。活化后材料的比表面积（BET法）从348.37 m2/g增至818.62 m2/g，微孔面积增加153.81%，总孔容增加90%。实验采用完全随机设计，将360尾幼鱼（初始体重18.26 ± 0.06 g）随机分配至4套独立运行的RAS中，每套系统包含6个重复水箱（15尾/箱），实验持续50天。四套RAS除ABC应用方式不同外，水力条件、过滤容积及生物滤料均保持一致。ABC在过滤器中以200 g袋装形式替换机械泡沫滤棉，每10天更换一次；饲料中以4%比例等量替代纤维素。实验设置四个处理组：无ABC对照（NABC）、仅饲料添加（DABC）、仅过滤应用（FABC）及饲料+过滤联合应用（DFABC）。

研究结果

2.8 水质监测

研究期间每两天测定一次总氨氮（total ammonia nitrogen, TAN）、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、pH和温度。结果显示，FABC和DFABC组的TAN浓度较NABC组降低超过60%，NH?-N浓度降低超过70%，差异具有统计学意义（P < 0.05）。DABC组与NABC组相比，TAN和NH?-N浓度无显著差异，表明仅靠饲料添加ABC无法有效降低水体氨水平。各处理组间DO、pH和温度保持相似范围，未受ABC应用影响。

2.9 生长性能

经50天饲养后，FABC和DFABC组鱼类的终末体重、增重率（weight gain）和特定生长率（specific growth rate, SGR）显著高于NABC组（P < 0.05），同时饲料转化率（feed conversion ratio, FCR）显著改善。DABC组上述指标虽略优于NABC组，但差异不显著。联合组（DFABC）与单独过滤组（FABC）之间无显著差异，表明过滤应用是驱动生长改善的主要因素。

2.10 全鱼体成分与氮保留

全鱼体成分分析显示，FABC和DFABC组鱼体的粗蛋白含量显著高于NABC组，而粗脂肪和灰分含量无显著变化。氮保留率（nitrogen retention）计算表明，过滤应用组鱼类的氮沉积效率更高，反映出更优的蛋白质利用能力。DABC组在全鱼体成分方面与NABC组无显著差异。

2.11 血液学参数

所有应用ABC的处理组（DABC、FABC、DFABC）均表现出红细胞计数、血红蛋白浓度和血细胞比容的显著升高（P < 0.05），提示ABC可能通过改善水质间接缓解鱼类应激，从而增强携氧能力和整体健康状况。白细胞分类计数在各组间未见明显异常，表明ABC未引起炎症或免疫抑制反应。

讨论与结论

本研究表明，将活化巴巴苏生物炭（ABC）作为RAS过滤介质，可高效去除水中TAN和NH?-N（降幅超60%和70%），其机制涉及静电吸引、阳离子交换以及多孔结构提供的微生物附着表面。相比之下，仅通过饲料添加ABC未能改善水质，但两种应用方式均对血液学指标产生积极影响，可能与ABC吸附肠道内毒素或调节离子平衡有关。过滤应用带来的水质改善直接促进了坦巴基鱼的生长性能、饲料效率和氮保留率，证实了氨控制是提升RAS生产力的关键瓶颈。联合应用（DFABC）未显示出优于单独过滤（FABC）的效果，提示在现有条件下饲料添加的额外贡献有限。综上，研究人员得出结论：将巴巴苏果皮ABC作为RAS过滤介质，是一种低成本、环境友好且区域可得的策略，能够在不依赖换水或化学药剂的前提下显著改善水质、提升鱼类生产性能并维护健康，同时为巴西本地农业废弃物提供了高值化利用途径。