水产养殖动物的生态营养调控与环保饲料
文/中国科学院海洋研究所海洋生物技术研发中心 李 勇 王 华 夏苏东 王美琴
近10多年来，水产养殖在世界范围内迅速发展，对人类健康长寿和改善发展中国家人民膳食结构做出了杰出贡献，但同时对养殖水域及海岸带生态环境的污染越来越严重，引起了各国关注与重视。集约化、工厂化水产养殖的自污染主要由饵料溶失、残饵和排泄物的营养物质在水和底质中积累造成，导致自污染的主要根源在于营养和饲料。
随着动物营养研究的进一步深入和人类环保意识的不断加强，生态营养学（Eco-nutrition）在20世纪末应运而生。它是通过饲料营养素及加工工艺对水生态环境的适宜性特征、动物营养与水质变化规律、投饲策略等方面的研究与技术调控，来设计和配制环保型饲料，使之对水生动物更加适合。生态营养对集约化养殖的水生动物尤为重要，是实现水产动物养殖中营养适宜与环境稳定这一目标的实质性举措，更是封闭循环水养殖净化水质、最大限度减轻以生物滤器为主的水质净化处理系统负荷的关键环节之一。
养殖污染根源与生态营养调控
饲养鱼虾水体中的可溶性营养物有三个主要来源：鳃排泄、饲料溶失和粪便中溶出。欧洲网箱养殖鲑鱼的80%摄入氮（N）中，仅有25%用于鱼体生长，65%内源排泄、10%粪便排泄，即投入饲料仅有约20%被有效利用，其余部分都以污染物的形式排放在环境中了。随着饲料质量的提高，其利用率增加到约25%[1]。美国池塘养殖斑点叉尾蛔鱼饲料中约3.1%的有机物、28.5%的N 、7.0%的磷（P）被溶释到水中。鲑鳟鱼类的网箱养殖，饲料中75%的总磷（TP）和总氮（TN）排入水环境。在亚太地区，人们普遍以投喂鲜活杂鱼在近海岸网箱养殖非鲑科鱼类，饵料浪费和污染更加严重。东南亚在对虾养殖中，仅有5.8%～21.7%的N和4%～6%的P以对虾产品形式收获，其余都排入海中或沉积在底池[2]。马海清[3] 从1989年以来，用20个大网箱先后对15种国内外优质饵料进行对比试验发现，按养虾规程推荐投饵量的30%投喂仍有残饵，残饵和饵料溶释成分的降解均需耗氧，并产生氨。孙耀、李健等[4]通过试验模拟估算了35天内由配合饲料累计的新生饵料溶出营养物，要使该养殖水域达到TP为0.03mg/L、无机磷（IP）为0.015mg/L和TN 0.6mg/L的富营养阈值水平，在不换水和无浮游植物营养消耗的假定条件下，分别仅需要1.8、2.6和0.5d，说明新生残饵溶出的N、P营养物质是养殖虾塘邻近浅海的主要污染源。
可见，投喂饲料中有约10%～20%未被摄食直接溶失到水中，摄入饲料中20%～25%的N和25%～40%的P（即投入饲料中约18%N和25%P）用于生长，75%～80%的N和60%～75%的P以粪便和代谢物形式排入水环境。养殖水体中排泄物和残饵逐渐大量累积，使水环境中物理和化学指标及生物学因子发生改变，引起水体自净能力下降，导致水体富营养化或水质恶化。
为了从根本上治理养殖业的环境污染问题，生产出满足人们需要的绿色动物产品，近年来许多国家和地区在生态养殖和生态饲料研制方面进行了大量的研究工作，取得了初步成果。我国自1995年提出生态营养的概念以来，许多学者进行了研究和探索。目前还没有一个完整而公认的生态营养学定义。笔者认为：生态营养学是一门新生的交叉边缘学科，它是建立在动物营养学理论基础上，运用生态学和系统论的观点，通过现代营养学、生物技术产品、加工工艺、饲喂方案等措施，对动物与环境（包括消化道内环境）进行营养调控的一门科学。其目标是达到营养适宜、环境稳定、动物健康、产品优质四者间平衡而协调发展的目的—既可持续发展，又总体效益最高。
动物生态营养学是一门新生学科，它的研究角度和思路与传统动物营养学有较大区别，特别适合于研究水产动物营养与环境的平衡与和谐,是营养调控和研制环保饲料的科学基础。其主要区别和特点在于：(1)研究试验尽量在实际养殖条件下进行（工厂化养殖更易做到），克服传统鱼虾营养研究多借鉴调控的烧杯或小型水槽饲养，结果与实际养殖水生态条件下的结果数据有很大差异的局限性；(2)制定营养需要量或饵料质量指标，首要的是兼顾对生长和水环境二者的影响，而不是唯一的增重最快；(3)投喂管理的依据是受水温、体重、密度、溶氧等因素影响的摄食需要，而不是人为确定的投饲量；(4)同时兼顾动物微生态平衡，即通过正常微生物群落及其代谢产物，调理消化道内环境，提高营养利用和健康状况；(5)要考虑饲料成分间的互作效应、加工工艺改善等因素。最终达到显著提高动物营养利用率，最大限度减轻环境污染和水质净化处理系统的负荷，保持水生态平衡，控制病害发生，生产出低成本、高效益、低污染的无公害环保型饲料，获得安全、优质、风味佳的水产动物食品。
生态营养和环保饲料的研究，已开始在世界范围内兴起。到目前为止，国内外有关畜禽生态营养研究已有一些可喜进展，但针对水产动物真正意义上的生态营养学研究甚少。
猪禽方面的研究表明，当日粮按“理想蛋白模式”配制，达到赖氨酸、蛋氨酸等的适宜和平衡时，可使日粮粗蛋白含量降低2%～5%，既不影响生产性能，又可使粪便排除的氮减少25%～50%。通过添加一定量的益生素，可降低氮排泄量2.9%～25%。通过添加植酸酶，可降低猪、鸡日粮有效磷30%～50%，在仔猪日粮中添加50mg/kg酪蛋白铜（螯合盐）的促生长效果和添加250mg/kg硫酸铜的效果基本一致[5]。
对大西洋鲑鱼的试验中，把日粮中的脂类或糖类含量从18%提高到30%，蛋白质的吸收率就可以从25%提高到50%[6]。Shozo等[7]在含鱼粉的鳟鱼饲料中加入柠檬酸，使磷的表观消化率从65%提高到95%。并发现当喂以低磷日粮时，鳟鱼尿液中很难检测到磷，当摄入的磷超过需要量时，尿液磷含量迅速上升。
中国科学院海洋研究所在国内率先进行“水产动物生态营养学”研究。经过多年研究和试验，获得了一些研究成果：（1）创新提出和研究了大菱鲆的蛋白质生态营养需要量。从生长、水环境和蛋白质消化等方面综合研究，结果表明，我国深井循环海水养殖大菱鲆幼鱼环保膨化颗粒料中，蛋白质的生态营养需要量为50%。其增重率达到最高蛋白水平组的95.1%(P>0.05)，饲料系数相当(P>0.05)，水体氨氮降低31.5%(P<0.05)，粪氮排出量下降17.6%(P<0.05)[8]。（2）首次命名和定义了蛋白质生态营养调控之“菱形特征”—随饲粮蛋白质水平增加，鱼体增重与水体氨氮之间的增幅变化呈反向对应的菱形特征[9]。(3) 最新研究表明：在封闭循环水养殖条件下，饲料蛋白质营养水平与半滑舌鳎日投饲量成正相关关系；饱食度与增重、采食量成正相关关系，与饲料利用率有负相关趋势，对水质氨氮含量影响不大。这些特征和规律的获得，具有重要的实际应用价值，也为营养调控之采食模式和数学模型的构建提供了基础依据。
从动物营养生理及代谢原理推断，“菱形特征”也可适应于畜禽等陆生动物。“菱形特征”的创新提出，在动物生态营养学、海水养殖营养调控、环保饲料设计等方面具有十分重要的理论价值和实践指导意义。
水产养殖动物环保饲料的设制技术
设制水产养殖动物环保饲料的宗旨是，确立主要水质参数的生态营养调控技术，研究并量化工厂化养殖饲料投喂模式，配制出能获得水产动物最佳生长率、最少饵料浪费、最大限度减少水质净化系统负荷的高品质配合饲料。其关键技术环节如下。
依据动物生态营养学原理，以“菱形特征”为主要方法，将养殖动物的营养需要和排放与其生态环境保护紧密联系起来，系统而充分地考虑饲料因素对环境和生态的污染，同时考虑环境和生态变化对饲料营养利用的影响，从而确定出一个配制环保饲料的营养需要量—生态营养需要量。
若能使某种类型全价配合饵料中的能量、蛋白质、氨基酸及其他营养物质达到完全平衡，就有可能获得最佳的饲料利用率和生产性能，使各类营养素排泄减少到最低程度。
在营养物质平衡方面，营养学一直把能量与蛋白质的平衡放在首位。其实，能量与其他营养素都有一个平衡的问题。因为，一般动物对饲料的摄食量与饲料中有效能水平成正比，饲料利用率随高能日粮的增加（降低）而提高（下降）。但日粮能量含量过高，除了影响其他营养素的吸收外，还将减少饲料摄入量，导致生产性能下降和残饵增加。因此，一种好的饲料应该为获得最佳饲料利用率而建立起能量与其他营养素之间的平衡。
随着对动物营养中蛋白质和氨基酸研究的深入，动物日粮配制逐步由“粗蛋白”向“总氨基酸—可消化利用氨基酸—理想氨基酸模式—氨基酸+寡肽”过渡。在不影响动物生产性能前提下，满足低蛋白日粮的氨基酸平衡，可节约蛋白质资源并降低N排泄。
维生素、微量元素、生物活性剂等微量营养物质在动物各种新陈代谢、酶促反应和生理生化反应中发挥着极其重要的作用，最终提高生产性能和饲料利用率。任何一种微量营养素缺乏或不平衡，都会导致营养缺乏症和新陈代谢紊乱，使饲料利用率下降，增加营养排泄和自污染。
利用脂肪对蛋白质的节约作用，降低饲料中蛋白质含量，增加脂肪含量，减少N排泄。研究不断证明，适当降低饲料中P水平，不影响动物健康和生产性能，可降低粪便中P含量。
酶制剂是现代生物技术开发的绿色饲料添加剂，如蛋白酶、植酸酶、聚糖酶等，促进营养物质消化吸收，提高饲料利用率，尤其在幼稚水产动物日粮中添加效果更佳。
添加益生素、益生源、合生素，调节肠道微生物群落，可提高饲料利用率，降低营养素排泄。还可使用其他提高饲料利用率的添加剂，如生物活性物质（包括中草药）、螯合盐、诱食剂、甜菜碱、肉碱、除臭剂等。
配制水产动物生态适宜性环保饲料中，加工工艺的重点应放在能最大限度减少饵料在水中溶失和沉底、防止饲料营养和添加物变性以及提高饵料消化率上。故要采用现代饲料加工技术和工艺，如普通制粒的革新、挤压膨化、沉性与浮性膨化、最适粉碎粒度、最佳调制参数、后喷涂、微胶囊等工艺都是需要考虑的。
饲料生产中常强调，只有高质或优质的原料才能生产出高质或优质的饲料。但在当前的无公害绿色动物产品行动中，不能笼统地要求使用所谓高消化率、低纤维、无天然有毒物或抗营养因子的原料，而应该指出不能使用发霉变质、霉菌等毒素污染、水分超标、已过保质期、掺假等低劣质原料和国家违禁原料。开发利用非常规饲料，不与人争粮，节约常规饲料，以减少资源浪费和对环境的污染，这是通过生态营养学研究及其调控生产无公害环保饲料的重要方面。
参考文献
1.[Rosenthal H.，Bradburg N.B.．International aquaculture : trends and perspective ．Ghent(Belgium): European Aquaculture Society Special Publication．1995，1-14
2.Robertson A. I.，Phillips M. J.，Mangroves as filters of shrimp pond effluent:predictions and biogeochemical research needs．Hydrobiologia．1995（295）：311-321
3.马海清:“水产养殖的灾变呼唤鱼虾营养生态学”，《中国饲料》1996（13）。
4.孙耀、李健等：“虾螗中新生残饵的N、P营养物质溶出速率及其变化规律”，《应用生态学报》1997，8(5)。
5.袁磊、张潞：“生态环境与生态饲料”，《饲料广角》2001（11）。
6.艾春香：“水产动物低污染性饲料的研究开发”，《国外畜牧科技》2001，28(3)。
7.Shozo H.，Sugiura，Faye M.，et al.．Effects of dietary supplements on the availability of minerals in fish meal：preliminary observations ．Aquaculture．1998，160(4)：283-303
8.蒋克勇、李勇、李军等：“大菱鲆幼鱼蛋白质的生态营养需要量研究”，《 海洋科学》2005，29(9)。
9.李勇、蒋克勇、王雷等：“蛋白质生态营养需要量与水环境的菱形特征”，《 第六届世界华人鱼虾营养学术会论文集》2006，144-145。
项目基金：国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目(2006AA100305)；中国科学院知识创新前沿基金（L49032503）。
链接：
李 勇，汉族，48岁，我国“动物营养与饲料科学”资深博士，研究员，研究生导师，曾留学于韩国汉城大学，担任过多家中外著名饲料集团总部技术负责人，潜心于动物营养与饲料研究及技术工作近30年。出版主编著作2本、参编著作2本，发表论文40余篇；获省级科技进步二等奖1项，获国家发明专利2项，获国家专业学术“优秀论文”奖1篇；主持和参加完成国家和省部级科研项目13项，成功研制出高新技术营养与饲料产品20多种。
近年主要从事水产动物生态营养与水环境稳定的理论与技术研发，并取得重要的理论与应用性成果。