Advance in the research on water exchange in the sea area
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摘要:
海水交换研究是海洋生态研究的新热点问题，对海域环境质量的评价有重要作用，并且对新兴的人工鱼礁区海洋生态变动机制的研究也有重要的意义。文章综述了国内外海水交换能力的研究进展，系统地分析和评价了国内外海水交换的研究方法，提出了海湾水交换以及人工鱼礁区水交换研究的发展趋势，为以后的相关研究提供参考。
Abstract:As an important topic of marine environment research, seawater exchange research is helpful to assessment of marine environmental quality and the research of marine ecological changing mechanism of artificial reefs area. In this paper, the advances in the research on seawater exchange ability were summarized. The water exchange models and methods were analyzed and compared, and the research hot spot and tendency of water exchange in the field of embayment and artificial reefs in the future were discussed.
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Keywords:
- seawater exchange /
- method study /
- numerical simulation
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蛋白质是水产动物生长发育最主要的营养成分。鱼粉中可消化蛋白质、能量和氨基酸含量都很高，而且氨基酸组成平衡，且有促进生长的未知因子，是一种理想的动物蛋白原料[1]。然而现在鱼粉产量下降，导致供应短缺。鱼粉含磷量1.67%~4.21%，高含量的磷不能被水产动物有效利用，过多使用鱼粉会导致严重的环境污染[2]。因此，植物蛋白源替代鱼粉成为水产饲料配方的一个重要研究方向。
单一植物蛋白源由于氨基酸不平衡，含有抗营养因子，限制其在饲料中的应用。WATANABE等[3]提出，对替代鱼粉的植物蛋白研究应集中在多种植物蛋白的混合使用及和其他蛋白源的联合使用上，而不应只停留在使用单一种类的蛋白源。有研究表明，将多种除去抗营养因子的植物蛋白混合使用，并添加晶体或包膜的限制性氨基酸可显著提高鱼粉替代饲料的效果[4-5]。斑节对虾(Penaeus monodon)是世界上重要的海水经济虾类，是中国台湾、福建、广东等省重要的海水养殖对虾之一[6]，其营养学和生理学受到越来越多的研究者关注。笔者在对斑节对虾幼虾营养需求的试验中得出其对蛋白质和赖氨酸的需求量分别为40%和2.37%[7]。在此基础上，以大豆浓缩蛋白和花生麸为混合植物蛋白源，并添加包膜赖氨酸和蛋氨酸替代鱼粉，研究对斑节对虾生长性能以及非特异性免疫力的影响，为斑节对虾饲料鱼粉替代提供参考依据。
1. 材料与方法
1.1 试验饲料
饲料选取大豆浓缩蛋白(66.27%蛋白)和花生麸(59.33%蛋白)为混合植物蛋白源，分别替代对照组(F0)饲料中10%~50%的鱼粉并添加包膜赖氨酸和蛋氨酸[8]，配制成6种等蛋白(40%)和等脂(7%)饲料。所有原料经粉碎过60目筛后混合均匀后，制成粒径为1.0 mm的颗粒饲料。90 ℃烘箱(烘箱内放适量的清水)烘烤2 h，空调房内抽干，－20 ℃冰柜中密封保存备用。试验饲料配方和营养成分见表 1。
表 1 试验饲料配方及营养成分(干物质)Table 1. Ingredients and proximate composition of experimental diets (dry matter)% 原料ingredients 饲料编号feed No. F0 F1 F2 F3 F4 F5 鱼粉fishmeal 30 27 24 21 18 15 豆粕soybean meal 9 9 9 9 9 9 大豆浓缩蛋白soy protein concentrate 12 12.7 13.5 14.2 15 17 花生麸peanut bran 4.5 7 9.5 11.8 14 15 虾糠krill meal 5 5 5 5 5 5 鱿鱼内脏粉squid visceral powder 3 3 3 3 3 3 高筋面粉wheat flour 26.03 25.49 24.95 24.61 24.38 24.09 大豆卵磷脂soybean lecithin 1 1 1 1 1 1 鱼油fish oil 2.5 2.7 2.8 3 3.1 3.3 氯化胆碱choline chloride 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 维生素C VC 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 多维vitamin premix1 1 1 1 1 1 1 多矿mineral premix2 1 1 1 1 1 1 磷酸二氢钙monocalcium phosphate 1 1 1 1 1 1 海藻酸钠sodium alginate 2 2 2 2 2 2 中草药复合物chinese herbal medicine compound 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 羟甲基纤维素hydroxymethyl cellulose 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 赖氨酸盐酸盐(98.5%)lysine hydrochloride 0.32 0.42 0.51 0.61 0.70 0.75 蛋氨酸methionine 0.05 0.09 0.14 0.18 0.22 0.26 动植物蛋白比animal-plant protein ratio 1：0.67 1：0.82 1：1.00 1：1.21 1：1.46 1：1.78 总和total 100 100 100 100 100 100 营养成分proximate components 水分moisture 10.67 10.35 10.82 10.87 11.29 10.60 灰分ash 11.95 11.34 11.67 11.02 11.33 11.96 粗蛋白crude protein 40.17 40. 05 40.07 40.13 40.08 40.11 粗脂肪crude fat 7.18 7.21 7.26 7.15 7.13 7.24 注：1.多维(g · kg-1)：VA 2.5；VD 6.25；VE 75；VK 2.5；VB10.25；VB2 1.0；VB3 5.0；VB6 0.75g；VB12 2.5；VB5 2.5；叶酸0.25；生物素2.5；肌醇379；纤维素500；2.多矿(g · kg-1)：KCl, 90 g；KI, 40 mg；NaCl, 40 g; CuSO4-5H2O, 3 g；ZnSO4-7H2O, 4 g；CoSO4-7H2O, 20 mg；FeSO4-7H2O, 20 g；MnSO4-H2O, 3 g；MgSO4-7H2O, 124 g；Ca(HPO4)2-2H2O, 500 g；CaCO3, 215 g.
Note：1. Vitamin premix(g · kg-1)：VA 2.5；VD 6.25；VE 75；VK 2.5；VB10.25；VB2 1.0；VB3 5.0；VB6 0.75g；VB12 2.5；VB5 2.5;folic acid 0.25;biotin 2.5;inosite 379;cellulose 500；2.Mineral premix(g · kg-1)：KCl, 90 g；KI, 40 mg；NaCl, 40 g; CuSO4-5H2O, 3 g；ZnSO4-7H2O, 4 g；CoSO4-7H2O, 20 mg；FeSO4-7H2O, 20 g；MnSO4-H2O, 3 g；MgSO4-7H2O, 124 g；Ca(HPO4)2-2H2O, 500 g；CaCO3, 215 g.1.2 试验对象及试验管理
试验用虾取自中国水产科学研究院南海水产研究所热带水产研究开发中心(海南省陵水县新村镇)，挑选大小均匀、体质健康的斑节对虾幼虾暂养1周后随机分配到18个玻璃纤维桶内(500 L)，每个桶放30尾，试验周期为56 d。试验开始后每天早上排污并补充新鲜海水，水温29.0~31.0 ℃，溶解氧质量浓度5.3~6.2 mg ·L-1，盐度28~30，自然采光，24 h充气。试验桶内放置饵料台，投喂量为对虾体质量的4%~8%，定点投喂3次(8: 00、17: 00和22: 00)，投料1.5 h后观察对虾摄食情况并调整投饵量，做好投饵记录。
1.3 生长指标测定及全虾营养成分分析
试验结束对虾先饥饿24 h，再点数并用毛巾吸干水分后称质量(精确到0.01 g)，计算增重率、特定生长率、饲料系数、成活率。每桶随机采全虾10尾，－20 ℃冰柜中保存进行体成分测定。蛋白质采用凯氏定氮法测定(FOSS, 2300)，粗脂肪采用索氏抽提法(FOSS, 2050)，水分测定105 ℃烘干法，粗灰分测定马弗炉550 ℃煅烧法。粗脂肪、蛋白、灰分的检测结果均以干质量计。
增重率(WG，%)= 100×(Wt－W0)/ W0
特定生长率(SGR，%/d)= 100 × [(lnWt－lnW0)]/t
饲料系数(FCR)=FI/W
成活率(SR，%)=100×FN/IN
式中Wt为试验结束时对虾的平均质量(g)，W0为试验开始时对虾的平均质量(g)，t为养殖时间(d)，FI为试验期间对虾摄食饲料的干物质总质量(g)，W为养殖对虾的增质量(g)，FN为终末虾尾数，IN为初始虾尾数。
1.4 酶活性的测定
每个桶随机取5尾虾的肝脏和肌肉于离心管中，称质量记录，－80 ℃超低温保存，用于免疫酶活性的测定。处理样品时加入0.7%的预冷生理盐水研磨成10%的组织匀浆，5 000 r · min-1冷冻离心10 min，取其上清液，4 ℃保存用于免疫酶活性的测定。
肝脏和肌肉组织中超氧化物歧化酶(SOD)、酸性磷酸酶(ACP)和溶菌酶(LSZ)酶活性及蛋白质浓度的检测，均采用南京建成生物研究所生产的试剂盒，具体测定步骤参照说明书进行。组织匀浆中SOD活性定义为每毫克组织蛋白质在1 mL反应液中SOD抑制率达50%时所对应的SOD量为1个活力单位(U · mg-1)。ACP活力单位定义为每克组织蛋白在37 ℃与基质作用30 min产生1 mg酚为1个活力单位(U · g-1)。LSZ活力测定采用比浊法，其机理为在一定含量的浑浊菌液中，由于LSZ能水解细菌细胞壁上肽聚糖使细菌裂解而含量降低，透光度增强，故可以根据透光度变化来推测LSZ含量。
1.5 数据处理
试验数据采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)，处理若有显著差异，再进行Duncan′s多重比较，P＜0.05表示差异显著，所有数据用平均数±标准差(x±SD)表示。
2. 结果与分析
2.1 不同鱼粉含量饲料对幼虾生长和饲料利用率的影响
投喂不同鱼粉含量饲料56 d后，对斑节对虾幼虾的生长和饲料利用率产生了显著性影响(表 2)。对虾的末均质量在F0组最大，显著大于除F1组外其他各组(P＜0.05)。增重率(245.02%)和特定生长率(2.58% · d-1)在F0组最大，显著大于F3~F5组(P＜0.05)。对虾对饲料的利用率在F1组最高，显著高于F3~F5组(P＜0.05)，而与其他各组差异不显著(P>0.05)。对虾的成活率在F1和F2组最高，显著高于F3~F5组(P＜0.05)，与其他各组无显著性差异(P>0.05)。
表 2 不同鱼粉含量饲料对斑节对虾生长和饲料系数的影响Table 2. Effects of fishmeal contents on the growth and feed conversion ratio of P.monodon饲料编号feed No. 初均质量/g initial weight 末均质量/g final weight 成活率/% survival rate 饲料系数feed conversion ratio 特定生长率/%·d-1 special growth rate 增重率/% weight gain F0 1.27±0.03 4.38±0.19c 78.89±3.85bc 2.52±0.22ab 2.58±0.13b 245.02±21.47b F1 1.27±0.02 4.17±0.16bc 86.67±3.34c 2.19±0.02a 2.47±0.06b 227.65±8.72b F2 1.27±0.04 4.08±0.04b 86.67±0c 2.51±0.08ab 2.44±0.08b 222.06±11.21b F3 1.27±0.02 3.65±0.07a 73.33±6.67ab 3.01±0.32bc 2.24±0.04a 193.92±5.43a F4 1.29±0.01 3.79±0.11a 70.00±3.33a 3.54±0.40d 2.26±0.07a 195.34±9.69a F5 1.29±0.01 3.74±0.18a 73.33±6.67ab 3.21±0.38cd 2.22±0.11a 190.75±16.16a 注：同列数据上标字母不同者之间表示存在显著差异(P＜0.05)，后表同此
Note：Values in the same column with different letter are significantly different from each other (P＜0.05), the same case in the following tables.2.2 不同鱼粉含量饲料对幼虾体成分的影响
对虾摄食不同试验饲料，其体成分没有显著性变化(P>0.05)(表 3)。斑节对虾的虾体水分质量分数为75.91%~77.67%，灰分质量分数为16.75%~18.88%，粗蛋白质量分数为67.31%~68.32%，粗脂肪质量分数为4.05%~4.75%。随着饲料中鱼粉被替代的比例升高，虾体的蛋白质沉积成下降趋势。
表 3 不同鱼粉含量饲料对斑节对虾体成分的影响Table 3. Effects of fishmeal contents on the whole body composition of P.monodon饲料编号feed No. 水分/% moisture 灰分/% ash 粗蛋白/% crude protein 粗脂肪/% crude fat F0 76.37±0.72 16.75±0.57 68.10±0.20 4.05±0.12 F1 75.91±0.72 17.40±0.84 68.32±0.76 4.75±0.52 F2 76.44±1.88 18.88±1.38 67.78±0.93 4.61±0.59 F3 77.67±1.49 18.75±2.17 67.31±2.02 4.47±1.23 F4 76.73±0.38 18.18±1.09 67.58±1.12 4.24±0.36 F5 76.76±0.52 17.78±0.55 67.35±0.06 4.42±0.42 2.3 不同鱼粉含量饲料对肝脏和肌肉组织中SOD、ACP和LSZ酶活性的影响
试验中通常采用测定水产动物的血清、肝脏、肌肉以及鳃丝的SOD、ACP和LSZ这3种酶活性来评估其非特异性免疫力的强弱。由于试验结束时对虾规格较小，取血不宜操作，鉴于对虾的血液循环系统是开放式循环系统，故该试验取肝脏和肌肉组织用来进行免疫酶的测定，测定结果见表 4。
表 4 不同鱼粉含量饲料对斑节对虾肝脏和肌肉组织中超氧化物歧化酶、酸性磷酸酶、溶菌酶酶活性的影响Table 4. Effects of fishmeal contents on the activities of SOD, ACP and LSZ in the haptopancreas and muscle ofP.monodon编号No. F0 F1 F2 F3 F4 F5 肝脏 SOD(U·mg-1) 38.21±11.41a 49.08±17.16ab 59.29±3.00b 48.37±11.12ab 47.47±6.32ab 50.27±8.86ab hepatopancreas ACP(U·g-1) 89.23±6.03 108.55±4.06 89.12±24.37 87.64±5.90 104.07±9.56 100.40±16.58 LSZ(U·mg-1) 18.58±7.88 22.74±2.08 23.47±10.44 20.42±3.78 18.38±4.70 25.77±5.97 肌肉 SOD(U·mg-1) 17.79±0.80a 14.13±4.89a 17.07±0.64a 13.74±1.97a 15.20±2.15a 25.90±2.61b muscle ACP(U·g-1) 63.13±10.40bc 76.76±4.14c 51.47±9.31ab 42.30±6.57a 46.43±1.58a 69.17±12.66c LSZ(U·mg-1) 0.45±0.07a 0.43±0.05a 0.50±0.22a 1.00±0.31b 1.88±0.02c 1.61±0.02c 注：同行数据字母不同者之间表示存在显著差异(P＜0.05)
Note：Values in the same row with different letter are significantly different from each other (P＜0.05).在对虾肝脏组织中，SOD酶活性随着饲料中鱼粉含量减少而呈现出升高趋势，在F2组表现出最高的SOD酶活性，显著高于对照组(F0)(P＜0.05)，与其他各组差异不显著(P>0.05)。饲料中鱼粉被混合植物蛋白替代后ACP和LSZ酶活性没有发生显著性变化(P>0.05)。
摄食高鱼粉替代饲料组(F5)的对虾肌肉中的SOD酶活性最高，显著高于其他各组(P＜0.05)。然而ACP酶活性却表现出先降低再升高的趋势，分别在F1和F5组表现出最大，显著大于F2~F4组(P＜0.05)。在该试验范围内，随着饲料中鱼粉含量的降低，肌肉中LSZ酶活性升高，摄食F4和F5饲料组的对虾的LSZ活性显著高于F0~F3组(P＜0.05)。
3. 讨论
植物蛋白因其种类多、来源广泛、营养价值高、价格低廉已成为替代鱼粉的最佳选择，相对于单一植物蛋白源，混合植物蛋白替代效果更加明显[9]。笔者试验中选取的植物蛋白源主要是大豆浓缩蛋白(SPC)和花生麸。有研究认为豆粕是最优质的植物蛋白源之一[11]，但由于其含抗营养因子，适口性差，缺乏一些必需氨基酸和脂肪酸而导致其应用受到限制[12]。然而作为豆粕的衍生物SPC却被认为是对虾饲料中一种优质的鱼粉替代物[13]，因为在加工过程中，大部分抗营养因子已经得到消除。花生麸有特殊的香味以及较好的适口性和较高的消化率，也被认为是一种相对优质的植物蛋白源[14]。
植物蛋白通常由于缺少限制性氨基酸而使其应用受到限制，在饲料中额外添加限制性氨基酸可以改善植物蛋白源中氨基酸不平衡现象[15]。有研究表明，在植物蛋白饲料中添加蛋氨酸和赖氨酸，有利于草鱼(Ctenopharyngodon idellus)和虹鳟(Oncorhynchus mykiss)的饲料利用率和生长[16]。笔者试验中通过额外添加包膜赖氨酸和蛋氨酸来平衡植物蛋白替代鱼粉所引起的氨基酸缺乏，以提高植物蛋白替代鱼粉效果。
仲维玮等[17]用混合植物蛋白源(棉粕、菜粕、玉米蛋白粉和蚕豆)替代25% ~75%的鱼粉而对罗非鱼(Oreochromis aurea)的生长未见显著性影响，但当完全替代时其特定生长率、蛋白质效率显著降低，饲料系数上升。HANSEN等[18]用豆粕、大豆蛋白和小麦蛋白粉替代50%鱼粉对大西洋鳕(Gadus morhua)的生长没有影响，但替代75% ~100%时其特定生长率显著降低，饲料系数显著升高。棉籽粕和菜籽粕(1 : 1)可以替代凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)饲料中22%的鱼粉而生长不受阻[19]，而微生物絮凝体粉和SPC的混合使用却完全可以替代凡纳滨对虾饲料中的鱼粉[20]。PARIPATANANONT等[21]研究表明，大豆浓缩蛋白可以取代斑节对虾饲料中50%的鱼粉，而不会对对虾生长、摄食、饲料系数和成活率产生不利的影响。SUDARYONO等[22]用脱壳羽扇豆粉分别取代饲料中0、25%、50%、75%和100%的鱼粉，得出去壳羽扇豆粉能够替代斑节对虾饲料中75%的鱼粉。而在笔者试验中，用混合植物蛋白替代鱼粉的饲料饲喂斑节对虾56 d后，摄食高鱼粉替代组(F3~F5)饲料的对虾末均质量较小，与在试验期间观察的这几组对虾摄食较少有关。这也许是因为饲料中植物蛋白含量的增加降低了饲料的适口性。随着饲料中鱼粉含量逐渐降低，对虾特定生长率和增重率显著降低，由此得出混合植物蛋白能够替代饲料中20%的鱼粉，替代比例小于其他研究成果。有报道建议对虾饲料中的动植物蛋白比应该在1 : 2.0附近[23]，该试验中对虾摄食动植物蛋白比例接近1 : 2.0的饲料时，其生长性能已经受到不良影响。造成上述结果的原因也许是对虾幼虾阶段对动物性蛋白质依赖性强、植物性蛋白质饲料适口性差影响摄食以及存在抗营养因子等因素引起。因此在斑节对虾幼虾阶段的饲料中应控制植物性蛋白质的用量。
SOD、ACP和LSZ这3种酶活性的大小通常作为评价水产动物非特异性免疫力强弱的指标[24-25]。SOD属于抗氧化酶系，其活性大小可以反映生物体生长发育、体内代谢状态以及外界环境胁迫的变化[26]。ACP是动物体内巨噬细胞溶酶体的标致酶[27], 在体内直接参与磷酸基团的转移和代谢，具有降解酶的作用，同时它可以反映巨噬细胞被激活的程度[28]。LSZ广泛存在于各种动物的血细胞和血液中, 在免疫活动中发挥着重要作用[29]。有研究结果表明，用植物蛋白源替代鱼粉会降低水产动物的非特异性免疫力[30-31]。但使用棉籽粕和菜籽粕混合物替代凡纳滨对虾饲料中的鱼粉后，对虾血清中SOD活性随着替代比例上升有增加的趋势[19]。笔者试验中对虾肝脏和肌肉组织中的SOD和肌肉中LSZ酶活性随着饲料中植物蛋白含量的增加呈上升趋势，与韩斌等[32]对凡纳滨对虾鱼粉替代试验研究结果得出对虾LSZ和SOD活性随着饲料中玉米含量的增加而上升相似，这可能与该试验选取的植物蛋白源含抗营养因子少有关。对虾肌肉中ACP酶活性先降低再升高的趋势，也许与对虾免疫系统的发挥机制有关。
4. 结论
以混合植物蛋白(SPC、花生麸)并添加包膜氨基酸(赖氨酸、蛋氨酸)可以替代斑节对虾幼虾饲料中20%的鱼粉，且随着饲料植物蛋白含量的增加，对虾非特异性免疫力增强。
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