Effect of plant species on nitrogen recovery in aquaponics

植物種類對魚菜共生系統中氮回收的影響

來源：Bioresource Technology, Volume 188, July 2015, Pages 92-98

《生物資源技術期刊》，第188卷，2015年7月，第92-98頁

 

摘要

摘要闡述了研究比較了兩種可食用植物物種（番茄和白菜）在魚菜共生系統中的氮轉化過程。結果顯示，番茄基系統的氮利用效率為41.3%，高于白菜基系統的34.4%。番茄基系統中硝化細菌豐度是白菜基系統的4.2倍，這主要歸因于其更大的根表面積。此外，番茄基系統水質更好。兩種系統均向大氣排放氮氧化物（N2O），排放率分別為氮輸入的1.5%和1.9%，表明魚菜共生系統是潛在的人為N2O排放源。本研究是首次深入探討植物種類在魚菜共生系統中的作用，為系統設計和操作提供了新策略。

 

研究目的

研究目的是系統評估不同植物種類（番茄和白菜）對魚菜共生系統中氮轉化、氮回收效率、N2O排放和系統整體性能的影響，以揭示植物特性如何調控氮代謝過程，并為優化可持續農業系統提供理論依據。

 

研究思路

研究思路是通過并行運行番茄基和白菜基魚菜共生系統近5個月，定期測量水質參數（如溶解氧、pH、溫度）、氮化合物濃度（氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽）、植物和魚生長指標，并使用定量PCR分析硝化細菌豐度。同時，利用丹麥Unisense電極監測溶解N2O濃度，以評估溫室氣體排放。通過氮質量平衡分析計算氮利用效率，并統計比較不同系統的差異。

 

測量的數據及研究意義

1 氮化合物濃度數據：來自圖1，顯示氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽隨時間的變化。研究意義：揭示番茄基系統氨氮和硝酸鹽濃度較低，表明其氮轉化效率更高，有助于優化水質管理，減少氮損失。

 

 

2 水質參數數據：來自表2，包括溶解氧、pH和溫度。研究意義：系統間參數相似，確保比較的公平性，突出植物種類是主要變量，證實根表面積影響微生物活動。

 

3 微生物豐度數據：來自表3，通過qPCR測量氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的基因拷貝數。研究意義：番茄基系統硝化細菌豐度更高，直接關聯到其更高氮利用效率，為選育高效植物提供微生物學基礎。

 

4 N2O排放數據：來自圖3和表4，使用Unisense電極測量溶解N2O濃度并計算排放率。研究意義：系統排放N2O，確認魚菜共生是溫室氣體源，強調需改進設計以減少排放。

 

 

 

5 植物和魚生長數據：來自表1，包括飼料消耗、生物量增加和產量。研究意義：番茄基系統魚生長更好，飼料轉化率更低，顯示高氮回收可提升經濟效益和可持續性。

 

 

結論

1 植物種類顯著影響魚菜共生系統的氮轉化，番茄基系統氮利用效率更高，歸因于其更大根表面積支持的硝化細菌豐度。

2 系統是N2O排放源，番茄和白菜基系統的排放率分別為氮輸入的1.5%和1.9%，需關注環境風險。

3 魚菜共生系統可提高氮回收效率（達41.3%），優于傳統水產養殖，但需進一步優化以匹配農作物50%的氮回收率。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的溶解N2O數據具有關鍵研究意義。這些電極提供高精度實時監測，能夠量化魚菜共生系統中的溫室氣體排放動態。數據揭示N2O濃度與氨氮和亞硝酸鹽濃度正相關，與溶解氧負相關，證實硝化過程是主要排放途徑。通過時間加權計算，明確了系統級排放因子（1.5-1.9%），為生命周期評估提供參數。此外，電極數據關聯水質變化，驗證了環境條件（如低氧）促進反硝化衍生排放，指導操作優化以最小化碳足跡。整體上，Unisense電極實現了原位氣體監測，填補了魚菜共生系統溫室氣體核算的空白，支持可持續農業決策。