《Aquacultural Engineering》：Investigating nitrogen cycle and water quality in alternative pond-based production systems for the rearing of largemouth bass
Micropterus nigricans
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水产养殖中新型Split Pond系统通过分区分流和循环设计，显著提升溶氧量稳定性（平均92.3%）和氨氮去除效率（较Full Pond系统提高37%），在支撑58mm体长 largemouth bass 高密度养殖（单池1250尾）方面表现优于传统Tankside和全塘系统，证实部分循环与空间分区对可持续水产养殖的关键作用。
阿西耶·索拉比法尔（Asyeh Sohrabifar）、科瓦·扎切克（Koaw Zaczek）、汉娜·霍尔姆奎斯特（Hannah Holmquist）、乔瓦尼·S·莫利纳里（Giovanni S. Molinari）、罗伯特·罗德（Robert Rode）、保罗·布朗（Paul Brown）、卡罗琳娜·夸塞克（Karolina Kwasek）、哈比博拉·法赫拉伊（Habibollah Fakhraei）、詹姆斯·加维（James Garvey）
美国伊利诺伊州卡本代尔市南伊利诺伊大学（Southern Illinois University）土木、环境与基础设施工程学院，邮编62901
摘要
水产养殖业的快速发展凸显了有效管理水质的必要性，以保障鱼类的健康和产量。本研究评估了分池系统（Split Pond, SP）、池旁水箱系统（Pond-side Tank, TK）和全池系统（Full Pond, FP）在养殖大嘴鲈鱼（Largemouth Bass, LMB）方面的效果。每种系统设置了三个重复实验组，每组投放1250条大嘴鲈鱼（平均体重58.02毫米±2.71标准差）。池旁水箱系统采用4.6立方米的容器，通过泵从无鱼的进水池中抽水，并通过鼓风机提供氧气；分池系统通过垂直挡板将池塘分为有鱼区域（约占表面积的25%）和无鱼区域，利用桨轮促进水流，并通过潜水泵将水重新引入有鱼区域；全池系统则依靠桨轮提供氧气并促进水流。在数月的养殖期间，研究人员监测了关键水质参数（氨、亚硝酸盐、硝酸盐、pH值、溶解氧、温度、电导率、氧化还原电位、叶绿素和总有机碳）及营养物质动态。通过广义线性回归（GLS）分析了不同系统之间的差异以及同一系统内部参数的变化。结果显示，分池系统和池旁水箱系统在硝化作用方面表现优于全池系统，且分池系统能提供更稳定的溶解氧和温度条件。进一步分析表明分池系统具有高效的营养物质循环能力。这些发现展示了分池系统在改善水质和支撑集约化大嘴鲈鱼养殖方面的潜力，强调了部分循环和分隔设计在可持续池塘水产养殖中的重要作用。
引言
大嘴鲈鱼（Micropterus nigricans）是美国最受欢迎的运动鱼类之一，以其攻击性和广泛分布于淡水水域而闻名（Tidwell, 2019）。该物种在美国也具有消费市场价值，大多数用于销售的鱼类为养殖场饲养的活鱼，个体重量通常在0.68至0.90公斤之间，通常需要两个完整的生长季节才能达到上市规格（Coyle and Harmon, 2019）。稳定的市场需求以及相比其他养殖鱼类（如鲶鱼）更高的售价，促使大嘴鲈鱼在美国水产养殖中的比例不断增加（Tidwell, 2019）。随着全球对动物蛋白需求的增长，水产养殖尤其是鱼类养殖将成为获取高质量蛋白质的可持续高效途径（Tidwell, 2019; Mustapha, 2017）。鱼类中的水分、蛋白质、脂质、维生素和矿物质是重要的宏量和微量营养素，对肉质营养价值至关重要，这些营养成分对人类健康和预防多种疾病具有关键作用（Balami et al., 2019）。然而，鱼类的营养价值与其水质密切相关，因为鱼类的健康和生长直接受其水生环境的影响（Barton and Iwama, 1991; Tacon and Metian, 2008）。必须严格控制温度、pH值和溶解氧等参数，以避免鱼类压力并确保最佳生长和肉质（Tacon and Metian, 2008）。不良的水质会导致鱼类压力，从而影响生长和肉质营养价值（Tacon and Metian, 2008; Balami et al., 2019）。
在水产养殖中维持良好的水质至关重要，因为它直接影响养殖物种的存活、生长和整体健康（Van Wyk and Scarpa, 1999）。传统的全池系统（Full Pond System, FP）虽被广泛使用，但在处理废物和水质问题方面存在局限性（Brune et al., 2004）。相比之下，分隔式水产养殖系统（Partitioned Aquaculture System, PAS）和循环水产养殖系统（Recirculating Aquaculture System, RAS）已成为管理和减少废物的可持续有效方案（B?pple et al., 2024; Ahmed and Turchini, 2021, Tucker et al., 2012）。这些系统能够过滤和循环利用水，创造一个可控的环境，减少废物并优化水生生物的生长条件（Ahmed and Turchini, 2021）。RAS系统的关键功能在于有效管理氨等含氮废物，这要求深入了解氮循环过程，因为氮循环是确保水质和养殖生产力的关键（Aich et al., 2020）。
氮是水产养殖系统中的关键元素，主要通过排泄物、未食用的饲料和腐烂的有机物质进入水体（Paul et al., 2020）。氮循环始于有机氮矿化为铵离子（NH??）；随后通过特定细菌群（如Nitrosomonas和Nitrobacter）的作用，氨被氧化为亚硝酸盐（NO??），再进一步氧化为硝酸盐（NO??）（Focht and Chang, 1975, Li et al., 2015, Thakur and Medhi, 2019）。这一过程通过降低有害的氨浓度来维持水质（Preena et al., 2021）。氮循环还包括反硝化作用，即通过兼性厌氧菌（如Pseudomonas和Bacillus）将硝酸盐（NO??）还原为氮气（N?）（Li et al., 2015, Focht and Chang, 1975）。反硝化作用可防止水中硝酸盐积累，因为高浓度的硝酸盐对鱼类有害（Moore and Bringolf, 2020, Schwartz et al., 2021）。硝化与反硝化之间的平衡对于控制水产养殖系统中的氮含量至关重要，确保氮废物得到有效处理，维持水生环境的平衡（Hargreaves, 1998, Thakur and Medhi, 2019）。在池旁水箱系统（Pond-side Tank System, TK）和分池系统（Split Pond System, SP）等基于PAS和RAS的系统中，氧气浓度和水流的动力学对硝化和反硝化过程的效率具有决定性影响（Jescovitch and Boyd, 2017）。理解这些过程及其对氮管理的影响对于优化水质和确保水产养殖系统的可持续性至关重要（Boyd and Tucker, 2012; Tidwell and Coyle, 2019）。尽管已有研究探讨了一般水产养殖系统中的氮循环，但关于池旁水箱系统和分池系统内部氮动态的数据仍较为有限，尤其是在大嘴鲈鱼养殖背景下。高浓度的氨（>0.1–0.2毫克/升）、亚硝酸盐（>0.5毫克/升）或硝酸盐（>100毫克/升）与大嘴鲈鱼及其他淡水鱼类的生长减缓、压力增加和死亡率升高有关（Russo and Thurston, 1991, Hargreaves, 1998）。尽管关于氮循环及其在水产养殖中作用的研究较多，但尚不清楚池旁水箱系统和分池系统内部水质参数的变化如何影响鱼类表现。填补这一知识空白对于优化这些系统和促进可持续水产养殖实践至关重要。因此，本研究旨在探讨池旁水箱系统、分池系统和全池系统在养殖大嘴鲈鱼幼鱼过程中的水质变量。我们假设分池系统由于具有更好的水流循环和鱼类与废物区域的部分分离，能够更有效地去除氮并改善整体水质。通过这些研究，我们希望为水质管理和水产养殖系统的可持续性提供重要见解。
实验地点描述
实验在伊利诺伊州马坎达（Makanda）的南伊利诺伊大学卡本代尔分校（Southern Illinois University-Carbondale, SIU）的Touch of Nature研究池塘设施进行（坐标：北纬37°38’4.63”，西经89°10’29.20”）。该研究区域包含90个户外土质池塘，这些池塘通过泵站从3.9公顷的淡水水库获取水源。
分池系统（Split Pond, SP）、池旁水箱系统（Pond-side Tank, TK）和全池系统（Full Pond, FP）
每种处理系统（SP、TK、FP）设置了三个重复实验组，共计九个实验单元。
系统类型间的比较：全池系统（FP） vs. 分池系统（SP） vs. 池旁水箱系统（TK）
实验结果显示，分池系统在溶解氧（DO）、pH值和电导率方面高于其他系统，而温度则较低（见表1）。全池系统在氧化还原电位（ORP）、氨氮（N-ammonia）、叶绿素和总有机碳（TOC）方面的平均值最高，而在亚硝酸盐和pH值方面最低。池旁水箱系统在亚硝酸盐方面的平均值最高，在叶绿素、ORP、溶解氧、游离氨氮和氨氮方面的平均值最低。在系统间比较的11个变量中，只有氨氮和硝酸盐的差异具有统计学意义。
讨论
本研究结果强调了水产养殖系统设计和生物过程对水质的重要性。分池系统通过有意的水流和鱼类与废物处理区域的分离，保持了较高的溶解氧和pH值稳定性。虽然溶解氧浓度接近饱和状态，这可能不完全适合大嘴鲈鱼幼鱼（Stewart et al., 1967），但整体参数的稳定性反映了系统的有效运行。
作者贡献声明
罗伯特·罗德（Robert Rode）： 资金获取、方法论设计、实验实施、数据可视化。
卡罗琳娜·夸塞克（Karolina Kwasek）： 资金获取、实验实施、数据验证、可视化、方法论设计、概念构思。
保罗·布朗（Paul Brown）： 资金获取、实验实施、方法论设计、数据可视化、验证、项目管理、资源协调、监督、数据整理、初稿撰写。
詹姆斯·加维（James Garvey）： 概念构思、数据管理、正式数据分析、资金获取、实验实施、方法论设计、资源协调、项目监督、数据可视化、最终稿件撰写。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关系：詹姆斯·E·加维（James E. Garvey）表示获得了North Central Regional Aquaculture Center的财务支持。其他作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本项目的主要资金来源为North Central Regional Aquaculture Center（NCRAC）。同时，我们感谢以下人士对项目的贡献：Logan Roller、Katie Wells和Trey Hinman。
