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在综合多营养水产养殖系统中种植人类食用的红海藻

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    发表于 2019-5-9 15:47:27 |显示全部楼层
      Tyler C. Bianchine, Megan Davis, Paul S. Wills and M. Dennis Hanisak


      概述


      绝大部分由海藻组成的水生植物的种植在世界范围内迅速发展,目前已在50个国家形成规模(FAO  2018年)。 在过去十年中,栽培海藻产量增加了近50%,全球对海藻的需求超过了目前的供应量。 2016年,全球海藻市场的价值为117亿美元,相当于3000万吨活畜重量。 在此产量中,养殖了97%的海藻。 海藻是食品工业中广泛使用的商品,用于动物饲料、肥料、药品和化妆品。


      红海藻Gracilaria spp. 占全球海藻总产量的14%(420万吨活畜重量)(FAO 2018)。 Gracilaria的普及是由于它对全球琼脂市场的贡献,尤其是来自印度尼西亚和中国,这两个国家是最大的生产国(Porse和Rudolph 2017)。 2015年,全球琼脂市场价值为2.46亿美元(17美元/公斤),产量为14,500吨,估计继续以每年2%增长(Porse和Rudolph 2017)。琼脂在食品工业中广泛使用,用于药品和化妆品以及化学和科学研究。Gracilaria,也被称为Ogo、Ogonori和海苔,在美国作为食材越来越受欢迎。它被用作沙拉蔬菜,在夏威夷和亚洲国家被作为腌生鱼料理的补充菜,在加勒比地区用于制作一种称为海苔或爱尔兰苔藓的饮料(Smith等人1984),在加州用作海鲜、其它烹饪菜肴、鸡尾酒饮料的调味品,还可以煮熟并作为增稠剂加入Kanten甜点和果冻。


      Gracilaria tikvahiae,发现于亚热带地区到热带地区(Littler等人,2008年),自20世纪70年代以来一直在佛罗里达州皮尔斯堡的佛罗里达大西洋大学 - 海港分校海洋学研究所(HBOI)种植(Hanisak 和 Ryther 1984,Hanisak 1987)。 在过去的六年中,G. tikvahiae和绿藻类Ulva lactuca(海白菜)已被纳入HBOI陆基综合多营养水产养殖(IMTA)系统。 在HBOI IMTA系统中,食用生物(有鳍鱼和虾)的水产养殖与摄取溶解的无机营养物(海藻)或颗粒有机物(海胆,贝类)的生物养殖结合,因此系统中的生物和化学过程是互补(Wills等人,2012,Laramore等人,2018)(图1)。 这些类型的IMTA系统非常灵活(Chopin 2006,Wills等人,2012),并且因为营养物质被回收用于培养多个物种而受到更多关注(Lockwood 2018)。


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    图 1.  HBOI中的IMTA系统组成图(图:Paul Wills,FAU HBOI)。


      此项研究的目的是探讨在HBOI IMTA室外水箱系统中生长的Gracilaria tikvahiae如何生产供人食用的海藻。 将海藻在三个阳光水平下培养以确定产生具有所需形态、生长速率和营养特征的海藻的光强度。


      研究设计


      在HBOI IMTA系统的室外部分中进行为期6周的研究(2018年6月14日至7月26日)(图2)。 有三种自然阳光强度处理(100%,50%和25%),每次处理重复两次。 100%处理的水箱暴露在充足的阳光下,50%处理的水箱用50%的遮阳布覆盖,25%的阳光下的水箱用75%的遮阳布覆盖。 用拉链将遮阳布连接到¾” PVC管道框架上(图3)。

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    图2. IMTA室外部分的海藻水箱(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。


    微信图片_201905091544202.png

    图3. Typer Bianchine,HBOI夏季实习生,将遮阳布放在海藻水箱上(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。

      海藻水箱为矩形玻璃纤维水槽(3.1 m × 0.66 m × 0.33 m; L × W × H)(图4)。 水通过1” PVC管道从一端进入水箱,流速为2.5-2.7L / min。 水通过2”  PVC立管返回IMTA系统,立管在水箱的另一端具有网罩。水箱装有573升水,留出5厘米干舷。 每个水箱的周转率为每天6-7次。 鼓风机通过四个¾” PVC管道输气线路为海藻养殖提供了通风和湍流,这些输气线路贯穿水箱底部的整个长度,并钻有小孔。


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    图 4. 用于研究的六个IMTA海藻水箱(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。


      研究中使用的Gracilaria tikvahiae来自HBOI的海洋植物学培养设施,这是一个使用附近印地河泻湖海水的流通水池系统。 将海藻放入IMTA室外水箱系统中,并在研究开始前培养两周以适应高营养IMTA系统水,并在其中稳定化。基于2 kg WW/m2 的培养密度(Hanisak,1987),六个水池(表面积为2.05 m2)的每一个培养4.1kg湿重(WW)的Gracilaria。


      定期测试水质。 每天早上和下午测量盐度、pH、溶解氧浓度和温度。早晨测量总氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐浓度,下午测量碱度,每周三次。水质参数在Gracilaria tikvahiae生产可接受的范围内(表1)。 来自印地河泻湖环境传感器观测站(fau.loboviz.com)的附近IRL-LP站的光合作用有效辐射(PAR;μmol/ m2 sec)数据被用作环境光的量度。 在研究期间,全日照PAR范围为608至792 μmol/m2 sec。


      表1.研究期间在六个海藻水箱中测量的水质参数。 所有参数均在海藻培养的可接受范围内。
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      海藻生长


      每周从每个水箱中收获Gracilaria并放入单独的塑料筐中。 将每一筐海藻放在悬垂天平上,大约10-15分钟后记录湿重WW,此时从海藻中滴下的水很少(图5)。 当称重海藻时,在重新装入4.1kg相同海藻处理和重复之前,擦洗每个水箱以除去尽可能多的污垢(例如附生的绿色海藻和硅藻)并重复。


    微信图片_201905091544205.png

    图 5.  称重从其中一个处理水箱收获的海藻(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。


      每周从每个水箱中收获的海藻中收集250-300g WW的Gracilaria样品。 将每个样品置于小塑料筐中,并用可饮用的淡水快速冲洗30秒以除去过量的盐。 用手清洁海藻样品以除去任何污垢(Ulva spp., Chaetomorpha spp.和片脚类动物)。 将Gracilaria的每个样品置于铝箔托盘中,称重并在50-65℃下置于干燥箱中72小时。每天称量样品以确保实现恒定干重(DW)。为了确定海藻生长,将来自每个水箱的每周收获产品(g WW)转换为DW以计算生产率(g DW/m2 d)。


      单因素方差分析表明存在显着(p <0.05)的生长差异。事后Tukey HSD测试表明,100%阳光下的生长速率(11 g DW/m2 d)显着高于25%阳光下的生长速率(4 g DW/m2 d),但50%阳光下的生长速率(7 g DW/m2 d)与100%或25%阳光下的生长速率没有显着差异(图6)。在此项研究中, 100%阳光下的Gracilaria生长是预期值22-25 g DW/m2 d的一半(Hanisak和Ryther 1984,Hanisak 1987)。海藻和箱壁的大量夏季污染可能会阻碍生长。此外,矩形水箱的通风并不总是保持海藻的均匀分布。良好的通风有利于鱼缸养殖中的海藻生长,原因有很多:光合效率提高,养分吸收率增加,二氧化碳和氧气更多,以及附生植物减少(Hanisak 1987)。



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    处理


      图6. Gracilaria tikvahiae在三种日照强度下的平均生长。 标准偏差由误差条表示(n = 7个样本;起始值和六个每周值)。处理之间的统计差异用字母表示。


      海藻的营养概况


      在第0周、第2周、第4周、第5周和第6周,将干燥的海藻样品用研钵和研杵研磨成细粉。 将样品(每种10-25g DW)运送到新泽西饲料实验室以分析水分、蛋白质、脂肪、灰分和碳水化合物。 重新计算每种成分百分比的干重结果以获得无水分值,以帮助进行比较。 使用具有事后Tukey HSD测试的单因素方差分析确定在周和处理之间是否存在统计学差异(p <0.05)。 每个处理周之间没有差异,但是处理之间存在差异(图7)。

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    图7. 在三种阳光处理中培养的Gracilaria tikvahiae的营养概况。 标准偏差由误差条表示(n = 7个样本;起始值和六个每周值)。 每种营养成分的处理之间的统计差异由字母a,b,c表示。


      与蛋白质、灰分和脂肪相比,海藻的碳水化合物含量最高(41-43%)。 海藻在50%阳光下的碳水化合物含量显着低于25%阳光下的碳水化合物含量。 海藻在100%阳光下的碳水化合物含量与25%或50%阳光下的碳水化合物含量没有显着差异。 海藻的灰分也很高(29-33%),100%和50%阳光下的灰分含量没有显着差异,尽管两者都高于25%阳光下的灰分含量。 海藻含有高蛋白质(25-28%)。 海藻在100%阳光下的蛋白质含量显着低于25%和50%阳光下的蛋白质含量,25%和50%阳光下的蛋白质含量没有显着差异。 海藻的脂肪含量是名义上的(0.11-0.17%),阳光强度处理之间没有显着差异。


      总体而言,海藻的营养概况在阳光强度处理之间相似。 海藻脂肪含量低,碳水化合物含量高(包括琼脂和纤维),灰分高,代表矿物质,蛋白质含量高。


      海藻的描述


      根据目测观察,Gracilaria的颜色、形态和污垢在处理之间不同。 在100%阳光下生长的海藻为橙色到红色,而在50%阳光下生长的海藻为深红棕色,在最低光照强度下,海藻是更深的红棕色。 两种较低光照处理的海藻具有最吸引人的外观,是针对人类消费营销目的的理想产品。


      使用解剖显微镜,100%阳光处理海藻的形态在菌体上显示出块状尖端,并且与较低光强度的海藻相比在尖端上具有更多的分枝,较低光强度的海藻具有伸长的分枝(图8a,b)。 通常在生长较快的海藻培养物中观察到尖端上更多的分枝。


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    图8a和b. 在三种日照强度下生长的Gracilaria tikvahiae的形态差异:a)100%和b)50%和25%(照片:Megan Davis,FAU HBOI)。


      到第5周,所有处理中均出现污垢(图9)。为了获得污垢的近似百分比,每次处理从海藻样品中除去污垢并重复(n = 2)和称重。在阳光强度为100%时污垢最严重,污垢为培养物的47%。在较低阳光强度处理中,污垢明显减少:阳光强度为50%时为18%,阳光强度为25%时为9%。 100%阳光强度的污垢藻类是绿色海藻Ulva lactuca、U. intestinalis和两种Chaetomorpha spp。在两个较低的阳光强度中只发现了两种污染物种:Chaetomorpha sp.和少量U. lactuca。在研究开始时污垢很少。 U. lactuca也在IMTA系统中生长,并且可能很容易污染Gracilaria培养物,因为它是同一水系的一部分。由于百分之百的阳光处理海藻污垢更多,很难保持海藻随通风而翻转,一些地方的海藻会变得非常厚,几乎像绳子一样有污垢。


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    图9.研究五周后Gracilaria tikvahiae培养物中绿色海藻污垢的实例(照片:Megan Davis,FAU HBOI)。


      为了帮助减少培养物中的污垢,最好在每周收获之间使用额外的水箱进行干燥和清洁。增加一定程度的遮光也有助于减少污垢并产生受到市场欢迎的深红色海藻。


      粗琼脂提取物


      进行粗琼脂提取的目的是了解可以从食用海藻中获得多少琼脂。例如,用肉桂和肉豆蔻在淡水中将干燥的Gracilaria 煮沸10分钟是制作加勒比地区流行的浓稠海苔饮料的开始。 煮沸后,从液体中过滤海藻,加入糖和牛奶。 海苔饮料可以热饮或冷饮。


      用于确定在三种阳光强度处理中生长的Gracilaria的天然非转基因琼脂含量的技术是Gunasekera(1963)描述的简化粗琼脂提取流程。用手将烤箱干燥的海藻粉碎成小颗粒,并以2%的混合物(19g海藻比800mL淡水)加入淡水中,并加热至95-100℃,保持4小时。将装有该混合物的2L烧杯放置在具有搅拌器的电炉上,并将铝箔盖松散地放置在顶部以减少蒸发。在提取过程中定期加入少量(50-200mL)淡水,使水蒸发后的体积回到800mL。将热溶液倒入漏斗中,漏斗放置在位于冰上的1.2L塑料容器上(图10)。将250-μm  Nitex筛网置于漏斗内以收集固体并使液体琼脂通过。使用刮刀帮助引导液体通过筛网和漏斗。每个冰冻容器中的液体将在20-30分钟内形成果冻状琼脂。


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    图 10. 加工粗制琼脂提取物(照片: Megan Davis, FAU HBOI).


      将装有琼脂溶液的每个容器置于冰箱中12小时。容器中形成较大的冰晶,当解冻时,大部分水被排出,留下浓缩的琼脂凝胶。将含有水分的琼脂置于干燥烘箱中并在50-65℃下干燥72小时。通过将琼脂DW除以提取中使用的海藻的初始DW(19g)计算琼脂产量。 对于每次处理和重复(n = 2),在第5周进行琼脂提取。


      一般来说,随着阳光强度的降低,琼脂产量增加。 在100%阳光强度下琼脂产率为33%,在50%阳光强度下为40%,在25%阳光强度下为42%。 这些结果与Gunasekera(1963)获得的粗琼脂产量相似。 基于这些初步结果, HBOI IMTA系统中生长的Gracilaria似乎产生了可用于制作海苔饮料的足够琼脂。


      总结


      HBOI IMTA系统适合种植Gracilaria以生产供人类食用的产品。 海藻是该系统的重要产品,因为它使用系统中生长的鱼和其他物种产生的废物和营养物,并向鱼类返回营养较低的水。


      减少对Gracilaria夏季作物培养物的光照产生了具有令人满意的深红棕色和结实叶状体的产品。 较低的光照也减少了污垢,尽管生长速度没有完全光照培养的那么高。


      海藻的营养成分表明高水平的碳水化合物、蛋白质和灰分以及非常低水平的脂肪。 因此, IMTA系统中生长的Gracilaria营养丰富,可用于沙拉和添加到其他烹饪菜肴中。 基于IMTA系统中生长的海藻能生产粗琼脂的凝胶,它将是制作海苔饮料的理想选择。


      总之,我们建议在IMTA系统中种植海藻,因为它可以捕获系统中饲喂物种的营养成分,并产生供人类消耗的高质量可持续产品。更充分地开发海藻市场可以显着提高IMTA系统的经济可行性和商业成功。


      注释


      Tyler C. Bianchine, 纽黑文大学的本科生,是佛罗里达大西洋大学海港分校海洋学研究所的2018年联系基金暑期实习生。

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    图片. Tyler Bianchine, HBOI 夏季实习生,和Zach Nilles,HBOI 生物学家,从研究水箱中收获 Gracilaria (照片: Brian Cousin, FAU HBOI).


      Megan Davis,Paul S. Wills和M. Dennis Hanisak是佛罗里达大西洋大学海港分校海洋学研究所(地址:佛罗里达州,皮尔斯堡,5600 US 1 North,34946)的研究教授


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    图片。 HBOI研究教授Megan Davis将Gracilaria放入其中一个海藻研究水箱(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。


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    图片。Megan Davis和Tyler Bianchine正在讨论海藻研究(照片:Brian Cousin,FAU HBOI)。


      通信作者: Megan Davis (Mdavi105@fau.edu)


      鸣谢


      此项研究得到了Link Foundation和水产养殖专业计划(通过海港分校海洋学研究所基金会授予)的支持。作者感谢以下人士对本研究做出的贡献:Rich Mulroy,Richard Baptiste,Ryan Winant,Zack Nilles,Patrick Monaghan,Liberta Scotto,Brian Cousin,Casey Den Ouden,Ethan Weber,Patrick Keller,Pete Stock和Jack Lee。


      参考文献


      Chopin, T. 2006. Integrated multi-trophic aquaculture. Northern Aquaculture 12(4):4.


      Gunasekera, C. 1963. Small scale manufacture of crude agar from Gracilaria seaweeds. Bulletin of Fisheries Research Station, Ceylon 16:49-52.


      FAO. 2018. The State of World Fisheries and Aquaculture 2018 - Meeting the sustainable development goals. Rome. License: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.


      Hanisak, M.D. 1987. Cultivation of Gracilaria and other macroalgae in Florida for energy production. Pages 191-218 in K.T. Bird and P. H. Benson, editors. Seaweed Cultivation for Renewable Resources, Elsevier, New York.


      Hanisak, M.D. and J.H. Ryther. 1984. Cultivation biology of Gracilaria tikvahiae in the United States. Hydrobiologia 116:295-298.


      Laramore, S., R. Baptiste, P.S. Wills., and M.D. Hanisak. 2018. Utilization of IMTA-produced Ulva lactuca to supplement or partially replace pelleted diets in shrimp (Litopenaeus vannamei) reared in a clear water production system. Journal of Applied Phycology 30: 3603-3610.


      Littler, D.S., M.M. Littler and M.D. Hanisak. 2008. Submerged Plants of the Indian River Lagoon, a Floristic Inventory and Field Guide. Offshore Graphics, Inc., Washington, D.C. 286 p.


      Lockwood, G.S. 2018. Integrated multi-trophic aquaculture and the future of food. World Aquaculture 49(2):28-30.


      Porse, H. and B. Rudolph. 2017. The seaweed hydrocolloid industry: 2016 updates, requirements, and outlook. Journal of Applied Phycology 29:2187-2200.


      Smith, A.H., K. Nichols and J. McLachlan. 1984. Cultivation of sea moss (Gracilaria) in St. Lucia, West Indies. Hydrobiologia 116/117:249-251.


      Wills P.S., G. Beiser, J. Scarpa, M.D. Hanisak, S. Laramore and A. Garr. 2012. A new design concept for a land-based integrated multi-trophic aquaculture system. In: Rakestraw T.T., and Lawson L.S., editors. Proceedings of the ninth international conference on recirculating aquaculture, Department of Food Science and Technology, Virginia Polytechnic Institute and State College, Roanoke.

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