综述：水产养殖业中一氧化二氮（N2O）的排放规律外文翻译资料

 2022-11-26 20:13:07

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毕业论文

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原文标题 Nitrous Oxide（N2O）Emission from Aquaculture : A Review

译文标题 综述：水产养殖业中一氧化二氮（N2O）的排放规律

综述：水产养殖业中一氧化二氮（N2O）的排放规律

摘要：氧化亚氮（N2O）是一种重要的温室气体（GHG）。一百年中的时间尺度上，其单分子增温潜势潜是二氧化碳（CO2）的310倍。在水产养殖系统中N2O是通过微生物硝化和反硝化过程中产生的。迄今为止，很少有研究对水产养殖过程中排放的N2O进行量化。另外，对关于在水产养殖系统中形成N2O的微生物途径知之甚少。研究表明，水产养殖业是N2O排放的重要人为来源。2009年全球水产养殖业的N2O排放量约为9.30 times; 1010 g，如果水产养殖业按照目前的年增长率（约7.10％）继续增加，到2030年排放量将增加到3.83 times; 1011g，占到人为N2O-N排放量的5.72％。本文结合未来的研究方向，总结了影响N2O产生的可能机制和各种因素，并讨论了减少N2O排放的两种可能的方法，即鱼菜共生和生物絮团养殖技术。

  1. 引言

水产养殖被定义为鱼类，贝类和水生植物的养殖，已经实行了大约4000年，是现代粮食经济增长最快的部分之一。自20世纪70年代中期以来，水产养殖总产量大幅增长，平均每年为8.30％（1970 - 2008年），最近估计2009年水产养殖产量为5510万公吨，占全部水产品消费量的46.77％。随着全球人口的增加，人类对蛋白质的需求也在增加。世界粮农组织（FAO）预测，到2030年，人类对鱼类食品的需求量将从2006年的16千克/人/年增加到20千克/人/年，使鱼类消费总量从7210万吨上升到约1.5亿吨。由于捕捞渔业的产量已经稳定，水产养殖业将在满足水产品日益增长的需求方面发挥重要作用。例如，美国自1999年一直在实行一项水产养殖政策，要求“到2025年国内水产养殖产量增加5倍”。

虽然水产养殖业有很多好处，如可以提供就业机会，改善农村经济和粮食安全等，但水产养殖业的快速发展也带来了一些环境问题。这些问题可以分为以下五类：（1）养殖物种引起的生物入侵。逃出的养殖鱼类可能通过竞争、杂交，或传播疾病和寄生虫危害野生鱼类；（2）鱼类作为水产饲料。养殖肉食性物种需要大量的野生鱼类作为水产饲料，捕获这些野生鱼类可间接影响水生生态系统；（3）有机污染和水体富营养化。养殖系统中产生的含有高浓度有机物和养分的废水排放到邻近水体将导致有机污染和富营养化；（4）化学污染。为了减少疾病的传播，养殖过程中使用了各种抗生素等物质；（5）栖息地的改变。水产养殖业的广泛发展可能危及红树林生态系统。

上面没有讨论的另一个主要环境问题与水产养殖系统内微生物硝化和反硝化作用释放一氧化二氮（N2O）有关。随着全球变暖问题日益受到关注，对人为来源（如燃料燃烧，农业，牲畜等）的温室气体（GHGs）的排放进行了量化。温室气体包括二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），N2O，臭氧（O3）等。N2O是第三大温室气体，其增温潜势（GWP）在100年内是CO2的310多倍。N2O在大气中可以存在114年，能导致臭氧破坏。据报道，2009年大气中N2O浓度约为322 ppb。虽然大气N2O仅占温室效应的6％，但自20世纪90年代以来的高增长率（目前每年0.25-0.30％）引起了人们的高度关注，尤其是它的源和汇。

农业被认为是N2O排放的主要人为来源。然而，大多数研究集中在天然或施肥的土壤上，对水产养殖业的N2O排放的研究很少，水产养殖业也是农业的重要组成部分。Williams和Crutzen初步估计，2008年全球水产养殖N2O-N排放量为9times;1010 g，占全球N2O-N排放量的0.51％。考虑到水产养殖业的快速增长，对N2O排放量进行调查势在必行。

本文综述了水产养殖N2O排放的规模和来源。 但是本文只关注水产养殖系统内的N2O排放。 排除上游或下游工序（如饲料生产，鱼类运输等）的N2O排放量，尽管这些可能会排放大量温室气体。本文还讨论了影响N2O排放的参数和可能的最小化排放策略，最后阐明了进一步研究方向。

  1. 水产养殖中的氮转化

氮是所有生物体的重要化学成分，因为它是脱氧核糖核酸（DNA），核糖核酸（RNA）和蛋白质的重要组成部分。氮转化是水产养殖系统中的关键生物化学过程。图1显示了水产养殖系统中主要的氮转化过程。

图1.氮在水产养殖系统中的主要转化过程

（假定氮输入量为1000gN，并且每个途径中的氮转化基于公布的文献的统计分析）

生产1公斤鱼（活重）大约需要1到3公斤的饲料（干重），这取决于饲料转化率。饲料中氮的主要形式是蛋白质。有必要将饲料中的蛋白质比例保持在最佳水平，以使鱼类更好的生长。水产养殖系统饲料的一部分（少于5％），根据养殖种类，水温，体型，放养密度等因素，鱼饲料的蛋白质水平为25-55％（平均35％）。在水产养殖系统中部分饲料（5％以下）未消耗，消耗的饲料被鱼消化，部分转化为鱼类生物量，部分作为粪便被排泄，部分作为非离子氨通过鳃排出。对各种水产养殖系统的研究结果表明，平均25％（范围：11-36％）的氮消耗量可转化为鱼类生物量，估计消化每千克饲料约有190 g的粪便产生。假设粪便氮含量为4％，饲料中蛋白质含氮量为16％，鱼类消耗氮量的14％左右会作为粪便被浪费。鱼类摄入的其他氮以非离子氨（蛋白质代谢的主要产物）的形式排泄。在水相中，氨以两种形式存在：非离子氨（NH3）和离子化的铵（NH4 ）。NH4 和NH3的总和通常被称为总氨氮（TAN）。每种形式的相对分布主要是pH、温度和盐浓度的函数。Timmons等表明，水产养殖系统每天产生的氨氮可用下列公式估算：

PTAN = Ftimes;PCtimes;0.092（1）

PTAN是总氨氮生产速率（kg / 天）；F是摄食率（kg /天）；PC是饲料中的蛋白质含量（分数）。该方程假设蛋白质含氮量为16％，其中80％被鱼类同化，80％吸收的氮被排泄，90％的排泄氮是TAN，另外10％是尿素。

部分未消耗的饲料和粪便通过沉淀或过滤去除，溶解的粪便和饲料是造成水产养殖系统有机负荷的主要原因。氨在水产养殖系统中的积累可能对鱼产生毒性，高浓度的氨会降低鱼的存活率，抑制鱼的生长，并引起各种生理功能障碍。在大多数情况下，水产养殖系统中非离子态氨的可接受水平限于0.025 mg N / L 。在有氧条件下，通过硝化细菌，系统中的氨可被氧化成硝酸根（NO3-）。硝酸盐对鱼类相对无毒，除非浓度很高（超过300mgN / L），然后硝酸盐在缺氧条件下被反硝化细菌用作电子受体，转化为气态氮（N2和N2O）进入大气层。作为气态氮的氮损失可能占系统氮输入的大约20％。另外，部分氨可以通过挥发逸散到大气中。通过增加氨浓度，pH值，温度，蒸发速率和风速可以增加氨的挥发。但总的来说，作为除氮机理是微不足道的，因为有利于氨挥发的条件在全规模水产养殖系统中是不常见的。

表1. 2009年和2030年估计的鱼类产量和N2O-N排放量

a美国渔业公布的2000-2010年世界水产养殖和商业捕捞报告数据。b年平均增长率根据1999年至2009年的水产养殖产量计算（表SI表S3）。c粮农组织的数据（2008年），1995年至2005年间的平均增长率。

TAN和硝酸盐都可以被异养细菌吸收。对于某些水产养殖物种（例如海洋虾和罗非鱼），这种细菌生物量可作为饲料蛋白质的重要来源。Schneider等报道，在水产养殖系统中，异养细菌的生长可以保留7％的饲料氮，其余的氮通过水交换排出。水交换是保持良好水质的最有效和广泛使用的方法。广泛的水产养殖每天的汇率为250％，密集水产养殖的汇率为每天2％至10％。排放的氮可能影响接收环境的水质。

  1. 水生植物的N2O排放

在土壤和水生生态系统中，输入氮（N）到N2O的微生物转化被怀疑是全球N2O排放的最大来源。以前的研究表明，全球约三分之一的人为N2O排放来自水生生态系统。对于河流和河口而言，N输入量的约1.00％可以转化为N2O，而N输入量的约0.75％作为N2O排放到大气中。尽管它构成了水产生产的重要组成部分，然而，迄今为止，非常有限的研究量化了水产养殖对全球N2O预算的贡献。在这里，我们认为水产养殖可能是人为的N2O排放的重要来源。

与陆地或其他水生生态系统一样，在水产养殖系统中，N2O主要来源于微生物硝化和反硝化。由于硝化和反硝化过程受许多参数（溶解氧浓度，pH值，温度等）的影响，不同环境条件下，不同水产养殖系统的N2O排放量可能会有很大差异。为了估算全球N2O排放量，需要统计排放因子。虽然有一些关于自然水生生态系统（如河流，河口和海洋）的研究，但作为一个人造生态系统，水产养殖与生物废水处理系统更为相似。废水处理系统中的N2O排放量近几十年来已经得到了广泛的研究。污水处理过程的N2O排放率在实验室规模（氮负荷的0-73％）和原规模（氮负荷的0-55％）之间也变化很大。Ahn等人量化了美国12个污水处理厂的年N2O排放量，发现N2O排放量可高达进水氮负荷的1.80％。

对80多种鱼类的调查显示，鱼类的蛋白质含量为17.72plusmn;2.97％（湿体重）（支持信息（SI）表S1）。许多蛋白质的氮含量约为16％，因此可以通过蛋白质含量除以6.25来计算鱼的氮含量。然后计算鱼的平均氮含量为2.84％，即每一个公吨收获的鱼，回收约2.84times;104克的饲料氮。

根据以前的数据，大约有23.22plusmn;5.88％的鱼类消耗的氮可以转化为鱼类生物量（表SI表S2）每公吨鱼消耗的总氮量为大约为12.23times;104 g。假设所有的饲料都是由鱼摄取的（即没有未消耗的饲料），输入水相生产一吨鱼的氮为9.39times;104克。给定N2O转化率为1.80％时，作为N2O-N排放到大气中的氮量为1.69times;103g。因此，水产养殖系统平均N2O排放因子为每千克鱼1.69 g N2O-N。

表1显示了2009年和2030年各物种群体的鱼类产量和N2O-N排放量。2009年世界水产养殖产量为5.51times;107公吨，其中约40.37％与鲤鱼，蝾螈和鲤鱼有关。不同鱼种的生长速度是不同的。根据1999年至2009年的产量计算不同鱼类种群的平均年增长率（SI表S3）。估计2030年世界水产养殖产量将达到2.27times;108公吨。利用上述排放因子，2009年和2030年估算的全球海水养殖N2O-N排放量分别为9.30times;1010和3.83times;1011 g。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第四次评估报告，全球年度N2O排放量估计约为17.70times;1012 g N，其中人为排放量为6.70times;1012 g N，每个个体的来源具有很大的不确定性范围。那么2003年水产养殖可能占人为N2O-N排放量的5.72％。

这个数值远低于Williams和Crutzen的结果，他们估计2030年全球水产养殖系统的N2O-N排放量为1.01times;1012 g。我们认为其结果被高估可能是以下三

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