淺析養蝦水體氮循環與弧菌防治

2021-01-08 10號公路

弧菌病嚴重威脅對蝦健康,往往造成全場對蝦死亡倒池,即使成功治療,成活率也只在10%-30%之間,給養蝦場業主造成巨大損失。弧菌在水體中廣泛存在,弧菌爆發與哪個因素最直接相關,又受哪個要素抑制呢?

一、氮循環基本路徑

構成氮循環的主要環節是:生物體內有機氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。

植物(含藻類)吸收土壤(水體)中的銨鹽和硝酸鹽,進而將這些無機氮同化成植物體內的蛋白質等有機氮。動物直接或間接以植物為食物,將植物體內的有機氮同化成動物體內的有機氮。這一過程叫做生物體內有機氮的合成。動植物的遺體、排出物和殘落物中的有機氮被微生物分解後形成氨,這一過程叫做氨化作用。在有氧的條件下,土壤(水體)中的氨或銨鹽在硝化細菌的作用下最終氧化成硝酸鹽,這一過程叫做硝化作用。

氨化作用和硝化作用產生的無機氮,都能被植物吸收利用。在氧氣不足的條件下,土壤(水體)中的硝酸鹽被反硝化細菌等多種微生物還原成亞硝酸鹽,並且進一步還原成分子態氮,分子態氮則返回到大氣中,這一過程叫做反硝化作用。

大氣中的分子態氮被還原成氨,這一過程叫做固氮作用。沒有固氮作用,大氣中的分子態氮就不能被植物吸收利用。地球上固氮作用的途徑有三種:生物固氮、工業固氮(用高溫、高壓和化學催化的方法,將氮轉化成氨)和高能固氮(如閃電等高空瞬間放電所產生的高能,可以使空氣中的氮與水中的氫結合,形成氨和硝酸,氨和硝酸則由雨水帶到地面)。據科學家估算,每年生物固氮的總量佔地球上固氮總量的90%左右,可見,生物固氮在地球的氮循環中具有十分重要的作用。

二、對蝦弧菌病與氮源細菌關係

據現場檢測表明,蝦池弧菌病爆發,弧菌數量是養成蝦池的千倍以上,一位有20多年臺灣養蝦專業人士文章介紹說,一直都有許多的報告和例證說明蝦病的爆發於細菌(弧菌)的感染有絕對的關係。1997年的夏天,他個人曾從事一項養蝦實驗,因實驗之需要必須定期作水質和微生物的監測。在同一日於另一養蝦實驗場放養同一池的蝦苗。放養期間他發現,從事的養蝦實驗場的水質測定數據於一般良好水質條件的認知有極大的差異姑,但弧菌量的測試一直維持在102株/cc以下,最後順利收成,養殖成績不錯。但是另一養殖實驗場的弧菌一直維持在104—105株/cc,水質數據即使非常正常,養殖卻從未超過30天。二養蝦實驗場既是來自同一池的蝦苗,病毒的感染狀況因該相同,但就因池水中的弧菌的量不同而有截然不同的養殖結果,這便可以說明病蝦的致死原因應是細菌(弧菌)而非病毒。

越來越多養殖者認為肥水養蝦成功率較高,可肥水中亞硝酸鹽濃度很多時候都比較高,是否有一種能夠利用氮源的細菌能抑制弧菌,據監測肥水裡弧菌數量普遍不高。雖然會利用亞硝酸鹽的細菌很多,但以處理速度之快,推測池水中應有一類似硝化細菌的氮營養源細菌(簡稱氮源細菌)的優勢種存在。假設就因這類優勢的氮源細菌相存在才得以抑制弧菌族群的增殖,若此氮源細菌相的優勢崩潰,弧菌族群的抑制因子消失便能增值形成優勢種。

氮源細菌的增值需要溫度、溶氧,氮源等,而氮源營養源又比溶氧較為重要。水中若缺乏含氮物質,藻類也會因營養鹽的缺乏使得動力降低,甚至大量死亡,光合作用的效率因此降低而造成水中溶氧的不足,也連帶使得氮源細菌的增值受到抑制,甚至破壞其優勢狀態。所以可推論當水中缺乏含氮物質時,是造成氮源細菌相崩潰,藻類大量死亡,弧菌族群大量增值,蝦病爆發的主要原因。

三、藻類、氧氣在氮循環中的作用

水體中的藻類都能利用氨化作用和硝化作用產生的無機氮,也包括其它礦物質營養素。綠色植物包括藻類能利用太陽的光能,同化二氧化碳(CO2)和水(H2O)製造有機物質並釋放氧氣的過程,稱為光合作用。藻類光合作用所產生的有機物,主要是碳水化合物蛋白質等,並釋放出氧氣和能量。藻類生命周期到時或死亡後,又被氨化菌迅速分解為氨氮和胺,進入氮循環。

藻類,如硅藻是海洋中最「成功」的浮遊光合生物之一,它們通過光合作用貢獻了地球上每年約20%的有機物生產力,相當於固定了近五分之一的二氧化碳,高於全球所有熱帶雨林的貢獻,這與硅藻特有的捕光天線蛋白「巖藻黃素-葉綠素a/c蛋白複合體」(Fucoxanthin chlorophyll a/c protein,FCP)的功能密切相關。硅藻綠藻藍藻等在養殖水體裡的光合作用,能利用碳氮磷鉀等無機物合成有機物,向水體釋放氧氣,增加水體含氧量。在白天,養殖土池水體中的溶解氧百分八十以上來自藻類。

足夠的氧氣不但滿足對蝦的生存和活動的需求,還會增強水體氧化淨化能力,整體改善水體環境,特別是保證硝化菌硝化作用的需求,是硝化菌成為優勢菌群的必要條件。

正常水溫和氮源等下,在硝化菌作用下,永遠不斷地將氨或銨鹽轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽,又會被藻類所利用。

四、肥水養蝦與弧菌抑制

傳統認知裡,肥水養蝦是肥水裡有益菌藻蟲多,能為對蝦提供天然餌料,能提高餌料轉化率還會促進蝦體健康。肥水裡氮源豐富,能氮源細菌提供營養素使氮源細菌(硝化菌)成為優勢菌相,起到抑制弧菌作用。

氮源細菌的增值限制因子在不考慮溫度的條件下,還有溶氧、營養源即氮源,而營養源又較溶氧為重要。水中若缺乏含氮物質,藻類也會因營養鹽的缺乏使得動力降低,甚至大量死亡,造成水中溶氧的不足,也連帶使得氮源細菌的增值受到抑制,會破壞其優勢菌群狀態。因而當水中缺乏含氮肥,氮源細菌和藻類大量死亡,弧菌族群大量增值,蝦病就必然爆發。

在養殖者的認知中,水中因投餌、排便、有機物的堆積等因素常造成含氮物質過多,水質過度富營養化的結果,常使養殖者頗為恐慌,怎麼會有含氮物質缺乏的情形發生呢?水質學中的「氮循環」應是養殖領域中人人耳熟能詳的,含氮物質在進入池塘後,經過一聯串的氧化分解反應,最後以硝酸鹽的形態存在,這些硝酸鹽何去何從呢?適宜溫度和光合作用下,大部分被藻類利用,在缺氧的環境下,有些硝酸鹽會被厭氧菌還原成亞硝酸鹽,而大部分則反硝化菌的脫氮反應還原成氮氣。此時水中的氮氣會形成過飽和,對養殖魚蝦會造成氣泡病,這就是為什麼在「透南風」富營養化的池塘中,魚類會大量死亡的原因;強烈的反硝化反應也發生在下雨的日子。

此時PH值有急劇降低的現象,以往總被認為時下酸雨造成的結果。蝦類因循環系統的差異,並不會引發氣泡病,但大量的含氮物質被還原後,並不會以氮氣的形態再重回水中,一次又一次的脫硝反應消耗掉大量的含氮物質,若補充不足,當氮含量低於臨界值時,便引發氮源細菌相崩潰、藻類大量死亡、病原菌增值和蝦病爆發的連鎖反應。值得注意的是,當發生蝦病的池塘水漏幹時,池底一定非常的乾淨,都沒有黑爛土,這是很值得探討的現象!或許可以推論反硝化反應使水中的含氮物質缺乏所引發的蝦病爆發的連鎖反應便是蝦病發生的「根源」了。

如果以上的推論正確,將含氮物質大量而適當施放於水中,應該就能再創氮源優勢菌相而抑制病原菌的增殖了嗎?20多年在淡水蝦、草蝦和白蝦的蝦病處理上所得到的結果倒是頗為一致而肯定的。而經過處理後,當水中的弧菌族群受到控制時,池塘中無論是水質狀態、浮遊生物相、生態生物相等各項生態指標都指示著池水是屬於富營養水質,所以以一般性的說法是:蝦病的發生與控制無方竟然是「水不夠肥」。

了解到反硝化作用與蝦病之間的密切關係後,許多在蝦病處理上的疑惑可得到合理的解釋:為什麼養蝦成功的池塘池底都有一層黑土,即所謂的還原層,而蝦病發作的池塘池底卻非常乾淨,為什麼養蝦成功的池塘水中相當濃度的氨和亞硝酸,而蝦病發作的池塘的水質條件卻一如教科書所列的「標準值」?總結就是為什麼在一般人認為根本無法養殖的水中,蝦類養得特別好,而根本不可能發生蝦病的水質條件,蝦病卻一再得發生?從開始養蝦事業以來,由人為認定的「養蝦標準水質條件」幾乎是參考養魚的水質條件而來,也沒什麼人去深切探究什麼才是養蝦的最佳水質條件,固有的知識一直桎梏著養殖業界所有人的思維而不知變通,其實這才是蝦病問題無法解決的真正原因。

以往有老師傅所謂的「可遇不可求」的暗棕色矽藻水,蝦於其中存活率高成長也快速,是最佳的養蝦水質,但也有人說矽藻水不穩定,容易倒藻造成蝦類大量死亡。這便是以固有的知識想法而不知變通的例證。以現行生態法則很清楚的知道前者是富營養水質的矽藻水而後者是貧、中營養水質的矽藻水,兩者的藻相是不同的,當然也有著前者穩定後者不穩定的差異存在。然而經過多年現場養蝦研究後,有一點可確認的是,千萬不可再理所當然得以養魚的水質管理套用在養蝦的池塘管理上。

五、反硝化菌與水體氮源逃逸

反硝化菌:在土壤(或水體)氧氣不足時,將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽,並進一步把亞硝酸鹽還原為氮及氮氧化物。能將硝酸鹽還原,並產生分子態氮氣的細菌,稱為反硝化細菌。如反硝化桿菌等均屬此類。這種菌分布範圍較廣,大量存在於汙水、土壤及廄肥中,在缺氧的條件下能夠將硝酸鹽變成氨和氮。

微生物吸收利用硝酸鹽有兩種完全不同的用途,一是利用其中的氮作為氮源,稱為同化性硝酸還原作用:NO3- →NH4+ →有機態氮。許多細菌、放線菌和黴菌能利用硝酸鹽做為氮素營養。另一用途是利用NO2-和NO3-為呼吸作用的最終電子受體,把硝酸還原成氮(N2)。

這個過程需經過4個反應合成階段,稱為反硝化作用或脫氮作用:NO3- →NO2- →N2↑。能進行反硝化作用的只有少數細菌,這個生理群稱為反硝化菌。大部分反硝化細菌是異養菌,例如脫氮小球菌、反硝化假單胞菌等,它們以有機物為氮源和能源,進行無氧呼吸。

養殖池底土壤裡總會有缺氧現象,大量藻類死亡或其它原因,水體也會存在缺氧狀態,或某一區域缺氧, 反硝化菌就會進行反硝化作用產生分子氮氣,氮氣N2在常溫常壓極難溶於水,也無法被藻類所利用,會直接排放到空氣中去,造成氮源損失。

六、養殖水體各要素平衡與健康養殖

養殖水體由於各種要素變化處於不斷影響作用、變化與平衡中,對蝦的生理機能運轉和健康要求水體各要素因子如溫度、氧氣、鹽度、PH值、藻相、菌相等等,都要處於合理範圍內,特別是氨氮、亞硝酸鹽、PH值,還有其它有害因子、有害菌,超過對蝦承受範圍,就會造成損害甚至養殖重大失敗。

據20多年對蝦養殖理論和實踐探索,採用施肥,肥水養蝦基本上可以對抑制弧菌有作用,可水體氮源等營養素過多,會增加氨氮和亞硝酸鹽濃度,對蝦體造成危害,甚至長期損害,超過承受範圍還會致命。因而需要了解對蝦耐受水體和化學因子的各項指標,採用科學又方便的方法加以控制,使水體各指標調控在合理範圍內。

在對蝦養殖正常投餌情況下,氮源大多數不缺,而水體氧氣充足,是有效促使水體各指標平衡最重要手段之一,因而做好溶解氧日常檢測,在溶解氧不足時及時採取增氧措施,有利於維持硝化菌相優勢進而達到抑制弧菌,防止弧菌病爆發由重要意義,足夠溶氧也是對蝦健康提高其免疫力第一要素。

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