虾夷扇贝育苗投饵设备的设计与研究*

李海东 ， 刘家印 ， 叶竹乔 ， 母 刚，，

（1.大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁 大连 116000；2.辽宁省海洋渔业装备专业技术创新中心，辽宁 大连 116000；3.设施渔业教育部重点实验室（大连海洋大学），辽宁 大连 116000）

0 前言

扇贝是中国重要的养殖贝类之一，2022 年中国扇贝养殖面积达到3.8×105hm2，占全国贝类总养殖面积的31%[1]。扇贝作为一种滤食性生物，在自然界中主要以微藻为食，在扇贝养殖的育苗环节中，微藻被广泛用作扇贝幼苗的主要饵料[2-3]。在传统的扇贝人工育苗过程中，需专门配备饵料车间来提供微藻，技术人员通过观察水体颜色或用显微镜观察来判断微藻培养池中微藻浓度是否达到投喂标准，并根据扇贝育苗池中饵料消耗程度决定微藻投喂量[4]。扇贝育苗过程中，投饵量决定扇贝育苗的生长状态，投饵量过小会导致扇贝育苗发育迟缓，延误生产周期，投饵量过大则会污染水质[5-6]。

人工投喂方式依赖于技术人员的经验，投饵量难以标准化，且技术人员检测微藻培养池与扇贝育苗池的微藻量时一般采用抽检方式，造成扇贝育苗过程中投饵量不精准、扇贝育苗周期难以掌控等问题，增加扇贝育苗的生产成本[7]。为解决现有技术所存在的上述问题，需要设计一种结构简单、布局合理，能够对饵料车间和育苗池内的微藻浓度进行实时检测，并根据检测结果实现针对不同种类、不同浓度的微藻配置，实现扇贝育苗自动精准投饵的设备。

同时，为了能精准检测微藻浓度，保证投饵量的精准度，找到一种能在线自动检测微藻浓度（即微藻生物量）的方法至关重要。目前，检测微藻生物量的方法有很多，如血球板计数法、光密度法、叶绿素荧光法、高光谱成像法、浊度法等。血球板计数法是最常用的方法之一，血球板计数法简单可靠，但是不能直接用于微藻生物量检测，若采用机器视觉代替人工计数，计数难度较大、可靠性低且成本较高。叶绿素荧光法和分光光度法检测微藻生物量的原理都是依据微藻细胞中的叶绿素含量估算微藻生物量，早在2000 年，陈宇炜等[8]就在用叶绿素a 的含量来标记浮游植物的含量，但此方法采用乙醇等化学试剂提取植物细胞中的叶绿素来检测其生物量，不能用于微藻生物量的在线检测。骆巧琦等[9]依据分光光度法发明了一种快速检测微藻生物量的方法，该研究基于光密度法的导数模型，对金藻、扁藻等微藻的全生长周期的叶绿素拟合度都高于98%，但是此方法成本较高，结果处理烦琐，无法实现微藻生物量的快速在线检测。李建谊等[10]设计了一种新型叶绿素荧光检测仪，微藻生物量检测的准确率可达到99.83%，但藻中的温度、盐度等外部因素会影响微藻叶绿素含量，因此使用叶绿素荧光仪检测无法实现微藻生物量的精准测量。高光谱成像技术通常用于湖泊河流等富营养化的预警与检测，这种技术常被使用到卫星上，适合大面积的微藻生物量检测，如海洋、湖泊、河流等。沈英等[11]使用高光谱成像技术在结合比较了七种光谱预处理方法后，总结了不同藻种适用的光谱处理方法，准确度较高，但只适用于远距离、大面积的微藻生物量检测，不适用于虾夷扇贝育苗生产。综上所述，目前的微藻生物量检测方法效率低、结果处理烦琐且无法保证检测精度。因此，本文采用一种浊度测量法，能够实现虾夷扇贝育苗生产中微藻含量的快速、准确及在线检测，并基于此方法，设计虾夷扇贝育苗投饵设备，实现生产过程在线自动投饵，提高虾夷扇贝育苗生产效率与经济效益。

如图1 所示，设计了一种扇贝育苗饵料自动投喂设备，该设备由饵料培养池、扇贝育苗池、投饲系统和控制平台组成。投饲系统通过管路将饵料培养池与扇贝育苗池连接起来，通过控制平台对泵与阀的控制实现投饵功能。饵料培养池与控制平台通信连接，饵料培养池用于培养微藻，监测微藻培养状况，并将微藻培养状况反馈至控制平台；扇贝育苗池与控制平台通信连接，扇贝育苗池用于扇贝育苗，监测扇贝育苗池中微藻消耗量，并将微藻消耗量反馈至控制平台；控制平台与投饲系统通信连接，控制平台根据饵料培养池中微藻生长状况和扇贝育苗池中饵料消耗状况控制自动投喂部件的投喂量。

图1 扇贝育苗饵料自动投喂设备的运行原理

扇贝幼虫在不同生长阶段有不同的藻种投喂比例，当扇贝幼虫在D 型幼虫阶段时，饵料投喂以金藻为主，小新月菱形藻为辅；当扇贝幼虫发育到壳顶幼虫阶段中期时，在饵料中要增加扁藻[12]。因此设置有三个饵料培养池，分别培养金藻、小新月菱形藻与扁藻。三个饵料池均设置有微藻生长监测传感器与持续微量充气装置。微藻生长监测传感器与控制平台通信连接，投饲系统与三个饵料培养池相连；微藻生长监测系统采用微藻浓度传感器和水质探测器完成监测，根据微藻种类不同，微藻浓度传感器设置有不同的检测范围；微藻浓度传感器的原理是藻液中微藻颗粒对光线的吸收引起藻液浊度值的变化，以浊度检测微藻浓度变化具有便捷快速、抗干扰能力强等优点，能快速及时反馈微藻培养状况，有利于根据所需的投喂量计算抽取藻液的体积等数据。在微藻培养过程中，饵料培养池中会加入营养盐为微藻生长提供营养，若微藻未能将营养盐完全吸收，营养盐中所含的氨氮磷等成分会对扇贝幼苗发育造成不利影响，因此在饵料培养池中设置水质探测器，检测饵料培养池中残余氨氮磷与亚硝酸盐的含量。

扇贝育苗池育苗状况监测系统由微藻浓度传感器、水质传感器与持续微量充气装置组成。扇贝育苗状况监测系统采用微藻浓度传感器，并与控制平台通信连接，扇贝育苗池中的微藻浓度远小于饵料培养池，为保证检测精度，育苗池中的微藻浓度传感器量程更小，测量更精确。因为水温对扇贝幼苗的发育与摄食均有重要影响[13]，采用水质探测器监测氨氮含量、亚硝酸盐含量与温度。

1 微藻生物量与浊度标定

为建立微藻生物量与浊度之间的准确关系，进行了微藻生物量与浊度标定实验。选择四种常用的饵料微藻作为实验对象，包括金藻、扁藻、小球藻及小新月菱形藻，使用血球板计数法与浊度仪测量相互印证。

1.1 材料与方法

实验材料为四种饵料用微藻生长到不同密度时的藻液，藻液取自扇贝育苗生产基地中的饵料池。

1.2 实验试剂及实验仪器

实验试剂为鲁戈式碘液。实验仪器为吸水纸、烧杯、洗瓶、血球计数板、盖玻片、移液枪、光学显微镜、哈希2100Q便携式浊度仪。

1.3 实验方法

1）取样：用小烧杯舀取藻液约50 mL。

2）藻液浊度测定：将小烧杯中藻液摇匀后灌入浊度仪测量瓶内，拧紧瓶盖后在瓶身滴一滴硅油，用麻布涂抹均匀，再次摇晃瓶身使藻液均匀，放入便携式浊度仪内读数，测量一次后将测量瓶取出摇匀后换个方向再次测量，测四次，读数后取平均值。

3）藻液生物量测定：将小烧杯中剩余藻液摇匀后，用移液枪取约2 mL 藻液，滴到血球计数板上，用盖玻片压好。再取一滴鲁戈式碘液滴到盖玻片左侧，在盖玻片右侧用吸水纸将碘液吸到右侧使染色均匀。调整光学显微镜读数，然后根据读数估算微藻生物量。

1.4 实验结果

实验结果如图2、图3、图4、图5 所示，金藻、小新月菱形藻、扁藻、小球藻的藻液生物量与浊度总体呈现正相关的趋势。金藻、小新月菱形藻、扁藻、小球藻的线性回归方程和拟合度分别为y=0.1152x+0.0876、y=0.1184x-0.2285、y=1.4109x+2.2434、y=0.1039x+0.2581，R2=0.9972、R2=0.9982、R2=9995、R2=0.9857。通过该实验，建立了四种常见饵料微藻的生物量与浊度的线性回归方程，拟合度均大于0.98，说明回归方程能较好地反映微藻生物量与浊度的关系，为微藻生物量的在线检测提供了理论基础。

图2 金藻不同生物量下的浊度

图3 小新月菱形藻不同生物量下的浊度

图4 扁藻不同生物量下的浊度

图5 小球藻不同生物量下的浊度

2 结论

为了在扇贝育苗生产过程中实时跟踪监测饵料培养池中微藻培养状况与扇贝育苗池中微藻消耗状况，并根据监测数值制定投饵方案，实现精准投饵，本文设计开发了一种虾夷扇贝育苗自动投饵设备，基于微藻生物量与浊度的关系，通过实验研究标定了四种常见饵料微藻的生物量与浊度，建立了四种常见饵料微藻的浊度与生物量的线性回归方程，拟合度均大于0.98，回归方程能较好地反映微藻生物量与浊度的关系。该设备能精准监测虾夷扇贝育苗的摄食状况，检测饵料培养池与扇贝育苗池的水质参数，减少虾夷扇贝育苗投饵环节对人力的依赖，提高虾夷扇贝生产效率，为虾夷扇贝育苗自动化装备的设计提供参考。