Challenges of Microalgae Integration in Recirculating Aquaculture Systems: Bridging Potential and Practice

想象一下这样一种鱼类养殖场：它不仅生长鱼类，还通过一个单一的闭环系统生长鱼类赖以生存的食物，并净化它们游动的海水。这就是循环水养殖系统（RAS）所承诺的前景。在这些陆基设施中，水被不断过滤并重复利用，而不是排入河流或海洋。该系统依靠细菌将有毒的鱼类排泄物转化为无害的营养物质，但水中仍会携带溶解的氮和磷，这些物质如果堆积到有害水平会造成问题。几十年来，科学家们一直在寻找一种方法，利用这些剩余的营养物质来生长有用的东西，而不是仅仅将其视为废物。于是，微藻出现了——这些是在水中漂浮的微型植物。这些微小的生物是天然的能量工厂；它们吸入二氧化碳，释放氧气，并以水中溶解的营养物质为食，而这些营养物质是鱼类无法利用的。如果能在鱼类养殖场内部培育这些微藻，它们或许能净化水质、提供新鲜鱼食，甚至捕获碳，从而创造一个真正的循环生态系统。

基尔大学和不莱梅哈芬应用科学大学的研究人员最近进行了一项深入且清晰的审查，探讨了这一构想在商业规模上是否真的可行。研究团队检查了数百项研究，以确定将活体微藻整合到鱼类养殖场中是一个可行的现实，还是仅仅是一个充满前景的理论。他们发现，虽然这一概念在科学上是成立的，并提供了多种益处，但从实验室走向实际运作的鱼类养殖场的道路被重大的实际障碍所阻挡。研究人员证实，微藻确实可以作为生物过滤器，吸收过剩的营养物质并改善水质。它们还可以作为营养补充剂，促进鱼类和虾类的健康与生长。然而，研究结论指出，尽管具有这些优势，该技术尚未准备好进行广泛应用。主要的障碍不在于缺乏知识，而在于在混乱且多变的生长环境中保持藻类存活并保持生产力的难度，以及一旦生长起来后收获这些微小生物的高昂成本。

这种整合的潜在益处是巨大的。在典型的鱼类养殖场中，未食完的食物和鱼类排泄物会溶解在水中，形成一锅营养汤，如果不加以管理，会对鱼类造成伤害。微藻可以吸收这些营养物质，将其转化为新的生物量。这个过程不仅净化了水质，还产生了对鱼类至关重要的氧气。此外，藻类本身富含蛋白质和健康的脂肪，这意味着它们有可能取代鱼类饲料中昂贵的鱼粉。研究人员指出，在受控环境下，某些类型的藻类（如小球藻和四面体藻）已经展示出它们能够去除水中大量的氮和磷。在一些实验中，向系统中添加藻类提高了幼鱼和幼虾的存活率，并增强了它们的抗病能力。藻类还有助于稳定水化学性质，防止 pH 值剧烈波动，从而减轻动物的压力。

然而，从小型受控实验向大型商业化鱼类养殖场的过渡正是困难开始的地方。主要挑战在于鱼类养殖场是一个混乱的地方。水质会根据鱼类进食量、鱼群密度以及过滤器工作效率的变化而不断变化。微藻非常敏感；它们需要特定量的光照、温度和营养物质才能茁壮成长。在大水箱中，藻类可能会生长得过于茂密，从而遮挡光线到达下层的藻类，导致整个培养过程减缓或死亡。这种被称为“自遮蔽”的现象是一个主要的瓶颈。此外，藻类必须与同样存在于鱼类废弃物中的细菌和其他微生物竞争。有时，这些不受欢迎的竞争者会占据上风，导致藻类培养崩溃。研究人员发现，在非无菌的鱼类养殖环境中维持一个稳定、纯净的藻类培养物是非常困难的，并且往往会导致结果的不一致。

即使藻类生长良好，将它们从水中提取出来也是一个巨大的技术和经济问题。微藻细胞是微观的，且以极低的浓度漂浮在水中，这使得它们很难从水中分离。收获它们的过程需要消耗大量能量和昂贵的设备，例如离心机或特殊的过滤器。研究强调，收获和干燥藻类的成本往往超过了藻类作为饲料成分的价值。在许多情况下，运行灯光、泵和收获机械所需的能量使得整个过程比直接购买常规鱼饲料更加昂贵。研究人员指出，虽然利用废水来种植藻类节省了肥料费用，但这不足以抵消运行该系统所需的高额机械和电力成本。

另一个关键问题是水的透明度。鱼类需要看到食物才能进食，并且依赖视觉来导航和避免压力。如果水中充满了浓密的绿色藻类，水就会变得浑浊，这会让鱼类感到困惑，降低其摄食量，并增加它们的压力水平。研究人员发现，必须达成一种微妙的平衡：既要有足够的藻类来净化水质，又不能让水变成绿色的浓汤。实时管理这种平衡非常困难，因为藻类的生长和死亡速率不同，而鱼类产生废弃物的时间也难以预测。现有的技术难以自动监测并调整这些条件，导致养殖场经营者只能靠猜测来判断多少藻类才算过多。

经济状况仍然是最大的障碍。该综述分析了各种成本，发现虽然大规模的藻类池如果主要用于废水处理则可能实现盈利，但专门为了生产饲料而添加到鱼类养殖场中的做法很少能具备成本效益。用于反应器、灯光和收获设备的资本投入很高，而电力和人工的运营成本甚至更高。研究表明，除非传统鱼类饲料的价格飙升，或者藻类收获的成本大幅下降，否则商业鱼类养殖场很可能会坚持使用传统方法。只有在非常特定的高价值场景下，或者当藻类是为其他目的（如生产生物燃料或药物）而非仅仅作为鱼类饲料生长时，这些数据才具有意义。

最终，论文得出结论：虽然建立一个既能生长自身食物又能净化自身水的鱼类养殖场在科学上是可能的，但对于大多数养殖户来说，这在实践中尚不现实。这项技术在小型、受控的实验中表现良好，但尚未被证明能在大规模环境下可靠且廉价地运作。研究人员强调，未来的成功取决于开发更好的藻类收获方式，培育出更强韧、更容易在复杂环境中生长的藻类品种，并找到更便宜的水体照明和混合方法。在这些工程和经济挑战得到解决之前，将微藻整合到循环水养殖系统中，很可能仍将是一种小众实验，而非标准的行业惯例。潜力是存在的，但要让它成为鱼类养殖的常规部分，道路依然漫长且艰辛。