劉鷹

(1.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023； 2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室，遼寧 大連 116023)

中國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量占世界養(yǎng)殖總產(chǎn)量的60%以上。2018年，中國漁業(yè)產(chǎn)值為12 815.41億元，約占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的21%，水產(chǎn)品總產(chǎn)量為6457.66萬t，其中，養(yǎng)殖產(chǎn)量為4991.06萬t，捕撈產(chǎn)量為1466.60萬t，養(yǎng)殖產(chǎn)量遠(yuǎn)超捕撈產(chǎn)量[1]。

在自然界中，許多環(huán)境因素對水生動物的生長、發(fā)育和繁殖等有重要影響[2]，如氣候、季節(jié)、溶氧、光照等?！叭f物生長靠太陽”，光被認(rèn)為是影響水生生物生長、發(fā)育和生存的關(guān)鍵環(huán)境因素之一[2-3]。水生生物在其不同的生長發(fā)育階段，以及應(yīng)對不同的生產(chǎn)要求時，需要構(gòu)建不同的光照調(diào)控策略，然而目前對水生生物的光生物效應(yīng)(包括生物鐘、光合作用、生物光譜、光化學(xué)、光敏化作用、光感受、光視覺、光運動等)及其變化規(guī)律還存在認(rèn)識不足[4-5]。近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，人工光源(金鹵燈、白熾燈、碘鎢燈、熒光燈和LED燈)雖越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)中，但仍存在光照(光譜、光照強度和光周期)的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)和光配方尚未建立，生產(chǎn)中的光環(huán)境調(diào)控多依賴操作人員的經(jīng)驗，未形成養(yǎng)殖過程不同階段的精準(zhǔn)光環(huán)境調(diào)控體系等問題。

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管(Light-emitting diode，LED)作為第四代新型照明光源，不僅節(jié)能環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、發(fā)熱低、冷卻負(fù)荷小[2]，還具有光照強度、光質(zhì)、頻譜組合可調(diào)節(jié)等優(yōu)點。其兼具光、電、熱等多種優(yōu)良特性(高光效、低功耗、低發(fā)熱等)及結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(如體積小、重量輕、安全性高等)[3]，使之在各領(lǐng)域的應(yīng)用中逐步取代傳統(tǒng)光源的地位，具有廣泛的應(yīng)用前景[2-3]。隨著中國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展和捕撈業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對LED光源的需求日益增加。本文綜述了近年來LED照明技術(shù)在漁業(yè)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為LED技術(shù)在漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考和實踐指導(dǎo)。

1 LED技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

LED從投入市場到現(xiàn)在已有40多年的歷史，目前LED技術(shù)指標(biāo)大幅提升，應(yīng)用進(jìn)入了一個繁榮成熟的新時期[4]。2018年，中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)7374億元(http://it.chinairn.com/news/20200228/115127752.html，2020.2.28)，關(guān)鍵技術(shù)并跑國際，創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)長足進(jìn)步，主要體現(xiàn)在： (1)功率型白光LED光效超過200 lm/W，與國際水平持平，LED批量制造水平的光效約150 lm/W，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光源[5]； (2)自主知識產(chǎn)權(quán)的硅基LED技術(shù)全球領(lǐng)先，功率型硅基LED芯片產(chǎn)業(yè)化光效達(dá)到170 lm/W，硅基黃光(565nm@20A/cm2)電光轉(zhuǎn)換功率效率達(dá)到26.7%(“硅基金黃光LED”項目落戶贛江新區(qū), 經(jīng)濟晚報2019.07.31)； (3)在高品質(zhì)、全光譜LED技術(shù)方面，當(dāng)前已有雙藍(lán)光+多色熒光粉混色的生產(chǎn)應(yīng)用，最大程度讓LED接近太陽光譜；(4)顯示驅(qū)動技術(shù)不斷創(chuàng)新，LED小間距顯示及Mini LED藍(lán)綠顯示芯片外延尺寸及優(yōu)良率方面均有較大水平提升，達(dá)到產(chǎn)業(yè)化需求； (5)在元器件方面，開發(fā)了SMD0606/0404、COB和四合一封裝技術(shù)，四合一封裝采用倒裝工藝，能夠最大程度地提供LED芯片的有效發(fā)光面積和散熱面積，進(jìn)一步提升產(chǎn)品光學(xué)特性和可靠性； (6)UVC-LED核心高鋁組分材料技術(shù)取得突破，通過納米圖形藍(lán)寶石襯底，實現(xiàn)位錯密度降低3倍以上。武漢光電國家研究中心應(yīng)用單片集成技術(shù)獲得了國際上UVC-LED芯片最高電光轉(zhuǎn)換效率值21.6%，為實現(xiàn)高效深紫外LED提供了新思路。隨著研發(fā)投入的加大和生產(chǎn)應(yīng)用的不斷擴大，LED技術(shù)正呈現(xiàn)加速進(jìn)步的態(tài)勢，同時成本的快速降低，為LED照明技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用迎來更廣闊的發(fā)展空間。

2 LED技術(shù)在漁業(yè)中的研究應(yīng)用

2.1 光照對水產(chǎn)動物生長發(fā)育的影響及作用

光照是影響水生生物生長與行為最重要的環(huán)境因子之一，也是其內(nèi)源節(jié)律的啟動因子[6]。適宜的光照環(huán)境(光譜、光強、光周期)對水生動物的生長和發(fā)育具有重要促進(jìn)作用，而不適的光照環(huán)境會造成養(yǎng)殖動物的生長阻滯、畸形、脅迫甚至死亡[7]。由于不同波長的光在水體中傳播能力存在差異，造成自然水域中的光環(huán)境十分復(fù)雜，水生動物經(jīng)過億萬年進(jìn)化適應(yīng)，已形成了獨特的感光系統(tǒng)，如魚類通過視網(wǎng)膜與松果體的光感受器接收光信號[8]，而貝類除頭足綱類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的眼外，通常無頭、眼，或具有簡單的眼部結(jié)構(gòu)[9]。

2.1.1 光譜 不同波長的光在自然水體中的傳播能力不同，長波長和紫外線光在水體中很快被吸收或被散射，而短波長光在水體中具有較強的穿透力，因此，形成了上層水體中長波長、中波長、短波長光均存在，而底層以短波長為主的光譜環(huán)境[10]。由于不同水生生物在自然界中所處的光環(huán)境不同，其適宜生長的光環(huán)境亦存在差異[10]，如在魚類中，條斑星鰈Veraspermoseri在綠光下的生長速度顯著快于紅光[8]；虹鱒Oncorhynchusmykiss在藍(lán)光下生長速率顯著降低，肝臟總脂、血糖含量降低，大腦多巴胺能和五羥色胺能神經(jīng)元活性升高[9]；大菱鲆Scophthalmusmaximus仔稚魚最適光譜具有階段特異性，隨著變態(tài)過程的進(jìn)行，最適光譜逐漸由全光譜向短波長的藍(lán)光遷移[7]；雄性羅非魚Oreochromisniloticus在藍(lán)光下的繁殖行為，如清除砂礫和建筑巢穴的能力加強[10]。在貝類中，藍(lán)光和綠光能顯著提高皺紋盤鮑HaliotisdiscushannaiIno幼體的孵化率和變態(tài)率，并且隨光強的增加而減少，而紅光和橙光顯著增加擔(dān)輪幼蟲畸形率和變態(tài)所需時間，且隨光強的增加有顯著升高的趨勢[11]。在甲殼類中，綠光能顯著增加紅殼色中華絨螯蟹Eriocheirsinensis仔蟹的生長，而黃光則對正常殼色仔蟹更為有利[12]。

2.1.2 光照強度 光照強度在水體中隨水深的變化改變較大，表層水光強較高，而底層水光強較弱，在長期的進(jìn)化適應(yīng)中，不同水層生物的光感受器結(jié)構(gòu)存在較大差異，以適應(yīng)各自棲息地的光環(huán)境[13]。以魚類為例，半滑舌鰨仔魚早期階段視網(wǎng)膜會聚程度低、視敏度較高且光感受細(xì)胞為高密度的單錐細(xì)胞，適應(yīng)于表層強光環(huán)境，而變態(tài)后，視網(wǎng)膜會聚程度增加，視敏度下降，視桿細(xì)胞密度增大，適應(yīng)于底棲弱光環(huán)境[14]；光強對生物的生長影響顯著，高強度藍(lán)光會引起大西洋鮭Salmosalar的急性應(yīng)激反應(yīng)[15]；銀鯽Carassiusauratusgibelio幼魚生長的最佳光強為0.03～1.08 μmol/(m2·s)，其在黑暗環(huán)境中易發(fā)生肝胰臟氧化應(yīng)激，而當(dāng)光照強度增加到9.46 μmol/(m2·s)時，血漿皮質(zhì)醇、葡萄糖和乳酸含量會顯著升高[16]；皺紋盤鮑在藍(lán)、綠光下，隨著光強的增加，殼長、殼寬和特定生長率均有下降趨勢，而在白光下當(dāng)光強達(dá)到40 μmol/(m2·s)時，幼蟲變態(tài)規(guī)格顯著減小[17]；三疣梭子蟹Portunustrituberculatus在1500 lx光強下受到較少脅迫，表現(xiàn)出較高代謝水平[18]。

2.1.3 光周期 水生動物生存的水體環(huán)境是動態(tài)的，晝夜交替和季節(jié)交替是自然環(huán)境的重要特點，為了適應(yīng)這種變化，魚類進(jìn)化出了內(nèi)源性計時機制，即生物鐘[19]，如斑馬魚幼體在孵化后5 d就表現(xiàn)出運動行為的晝夜節(jié)律，對應(yīng)于主動游泳行為和覓食活動的開始[20]。在硬骨魚類中，光信號被視覺或非視覺感受器接收后，通過神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及激素信號傳遞等過程，傳遞至松果體，影響褪黑素分泌，并最終對魚類生長、發(fā)育和行為產(chǎn)生重要影響[20]，如黑線鱈Melanogrammusaeglefinus在短光照(<12L)條件下，孵化期顯著延長[21]；條紋婢Latrislineata在24L∶0D和18L∶6D光周期下，生長率顯著高于12L∶12D時，且18L∶6D的光周期能顯著提高仔魚開鰾后的活力[22]。光周期對甲殼類和軟體動物的生長也有重要影響，如在紅光下，4L∶20D和8L∶16D是促進(jìn)皺紋盤鮑攝食和生長、減少氧化應(yīng)激的最佳光周期，但當(dāng)光照時間超過12 h時，淀粉酶、纖維素酶、胃蛋白酶活力均受到顯著抑制[17]；紅螯螯蝦Cheraxquadricarinatus在12L∶12D和18L∶6D光周期下生長速度最快，蛻殼頻率最高，而在18L∶6D和24L∶0D光周期下成活率最高[23]。主要水產(chǎn)養(yǎng)殖種類的光環(huán)境調(diào)控參數(shù)示例如表1所示。

表1 主要水產(chǎn)養(yǎng)殖種類的光環(huán)境參數(shù)調(diào)控示例Tab.1 Examples of light environment regulation parameters in main farmed aquatic animal species

2.2 LED技術(shù)在水產(chǎn)殺菌消毒中的應(yīng)用

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，污染導(dǎo)致的養(yǎng)殖環(huán)境惡化和病害時有發(fā)生。養(yǎng)殖生產(chǎn)中主要病害生物有病毒、細(xì)菌、真菌、寄生蟲及其他一些病原。2018年，全國水產(chǎn)技術(shù)推廣總站共監(jiān)測到水產(chǎn)養(yǎng)殖動物發(fā)病種類66種，各類主要疾病38種，因病害造成的經(jīng)濟損失約450億元，其中弧菌屬引起的9種細(xì)菌疾病造成南美白對蝦損失117.8億元[42]。產(chǎn)業(yè)急需高效無污染的有害微生物物理滅活處理技術(shù)與產(chǎn)品，目前生產(chǎn)中多采用廣譜安全高效的紫外線消毒技術(shù)。傳統(tǒng)的紫外汞光源燈管在水中破碎易造成嚴(yán)重污染，發(fā)光效率與壽命受溫度與電壓波動影響大，而且360度發(fā)光，光學(xué)設(shè)計需要較大的空間；2017年中國批準(zhǔn)加入的《關(guān)于汞的水俁公約》正式生效[43]，禁汞步伐正加快推進(jìn)。而半導(dǎo)體固體材料的紫外發(fā)光二極管(UV- LED)具有節(jié)能、環(huán)保和體積小巧等優(yōu)點，在殺菌消毒和生化檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。近年來，UV-LED技術(shù)在水產(chǎn)領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)用逐漸增多。紫外(Ultra Violet，UV)光通常分為UVA(315～400 nm)、UVB(280～315 nm)、UVC(200～280 nm)及VUV(10～200 nm)[44]。UVC 波段波長短、能量高，紫外光子的吸收導(dǎo)致DNA和RNA結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，失去復(fù)制能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡[45]，達(dá)到直接殺滅或抑制病原微生物繁殖的作用。UV-LED是一種極具替代汞紫外線燈潛力的新型紫外光源，其具有不含汞、節(jié)能環(huán)保、壽命長、高速開關(guān)可控制、光源形狀封裝可定制、光輸出角度小、形狀易設(shè)計等特點，隨著UV-LED外量子效率的不斷提升，有望在生產(chǎn)中全面取代低壓紫外殺菌汞燈。

2.2.1 UV對養(yǎng)殖水體病原微生物的殺滅作用 傳統(tǒng)UV輻射消毒光源可短時間有效殺滅細(xì)菌、病毒、霉菌、線蟲卵等，且具有連續(xù)處理大量水體的能力，已被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的水產(chǎn)育苗和養(yǎng)殖生產(chǎn)中。用UV消毒處理養(yǎng)殖水環(huán)境，能使美國紅魚Sciaenopsocellatus育苗成活率由對照組的28.1%提高到32.7%[46]；用253.7 nm的紫外線殺菌燈照射50 min，對中華鱉和烏鱧體表致病菌有較好的殺滅效果[47]；將253.7 nm的紫外線管燈安裝在水處理工藝的后端，能使半滑舌鰨Cynoglossussemilaevis的特定增長率從對照組的0.99%提高到21.71%，而且亞硝酸氮平均濃度降低 21.6%[48]；用劑量為1188 J/m2的UV(253.7 nm)輻照水中大西洋鮭Salmosalar胰腺壞死病毒(IPNV)，顯示滅活量達(dá)到3 log(減少量為99.9%)[49]；用劑量約為0.1 J/cm2的UV輻照附著在鮭魚體表的海虱，滅活率可達(dá)99%[50]；使用10支30 W的“黑光燈”，經(jīng)142 d生產(chǎn)試驗，池塘平均增產(chǎn)820 kg/hm2[51]。消毒作為水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的必要水處理環(huán)節(jié)，UV或UV結(jié)合臭氧已成為生產(chǎn)中對水體病原微生物進(jìn)行殺滅的必要設(shè)備，如中科院海洋所和大連海洋大學(xué)分別為大西洋鮭、紅鰭東方鲀的循環(huán)水養(yǎng)殖企業(yè)設(shè)計78套(120 W汞燈，45盞/套)、18套封閉管道式系統(tǒng)(120 W汞燈，18盞/套)，安裝在生物濾池后端，系統(tǒng)運行和水體微生物殺滅效果均良好。

2.2.2 UV-LED對養(yǎng)殖水體的消毒應(yīng)用 用UVA波段燈光誘蟲，增加魚類飼料動物蛋白的研究報道較多，并且增產(chǎn)效益顯著，但實際使用的都是紫外汞燈(波長330～400 nm，俗稱“黑光燈”)[52-53]。養(yǎng)殖基地大多在野外遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏僻地方，波長為360～400 nm的UVA-LED，外量子效率與藍(lán)光LED水平接近，達(dá)到46%～76%[54]。目前,國內(nèi)尚未見UVB對水產(chǎn)動物新陳代謝機理影響的研究報道，國外報道顯示，很少量的UVB可誘發(fā)劍尾魚Xiphophorushellerii皮質(zhì)醇的反應(yīng)[55]，UVB水平的增加對三刺魚Gasterosteusaculeatus雄魚交配后適應(yīng)度相關(guān)性狀有影響[56]。氣體放電低壓汞燈，其總氣體壓力為100～1000 Pa，主發(fā)射波長為UVC波段253.7 nm，功率為5～100 W，輻射效率在30%左右，壽命可接近1萬h[57]。

2.3 LED技術(shù)用于微藻培養(yǎng)

微藻是雙殼貝類育苗的餌料，也是魚蝦育苗生產(chǎn)中輪蟲、鹵蟲等次級餌料的最初食物，還可用作飼料添加劑，提高水產(chǎn)動物免疫力，提升水產(chǎn)品品質(zhì)。此外，微藻還具有移除水中氨氮、凈化水質(zhì)、提供氧氣等重要作用，因此，微藻對維持優(yōu)質(zhì)養(yǎng)殖水環(huán)境、增加天然餌料供給、減少養(yǎng)殖尾水排放、構(gòu)建生態(tài)健康養(yǎng)殖模式意義重大[58]。

微藻培養(yǎng)經(jīng)常受天氣影響，因此，微藻生產(chǎn)需考慮人工補光。若將微藻生物質(zhì)用作高價值產(chǎn)品(例如食物或飼料添加劑，如類胡蘿卜素和多不飽和脂肪酸)時，人造光源在經(jīng)濟上也是可行的[59]。人造光源可以更好地調(diào)節(jié)微藻生產(chǎn)中的光照強度、光周期和光譜，以提高微藻生物量產(chǎn)率和光合效率，目前主要微藻品種受光環(huán)境調(diào)控的研究進(jìn)展如表2所示。作為最重要的人造光源，LED將在微藻培養(yǎng)中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用LED光源時，理論上微藻光合效率可達(dá)17%[60], 但目前所能達(dá)到實際值還比較有限[59,61], 是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要瓶頸。究其原因，在于光能從供給側(cè)(光源)到需求側(cè)(微藻細(xì)胞)的傳遞過程中大部分以熱的形式損失。

2.3.1 光照強度 微藻通過光合作用合成與呼吸作用消耗的物質(zhì)達(dá)到平衡時的光照強度稱為光補償點(light compensation point，LCP)。超過光補償點后，光合速率隨光照強度線性增加，超過某個閾值，就會發(fā)生光飽和，此時光照強度即光飽和點(light satuvation point,LSP)。光抑制是光能超過光合系統(tǒng)所能利用的數(shù)量時，光合功能下降的現(xiàn)象，光抑制主要發(fā)生在光系統(tǒng)(photosystem I,PSI)，是微藻細(xì)胞本身的保護性反應(yīng)[62]。目前已有大量試驗研究了光照強度對微藻光合作用及色素積累的影響，表明高光強可以誘導(dǎo)微藻中功能性色素的大量積累[63-64]，同時，對微藻光合系統(tǒng)的高光強脅迫所導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生機制及防御與保護機制也進(jìn)行了研究[65]；此外，光照強度對碳分配和儲能物質(zhì)合成影響的研究表明，提高光強度可以增加微藻細(xì)胞中脂質(zhì)含量[66-67]。

2.3.2 光譜 不同微藻光合作用系統(tǒng)中含有不同色素，不同色素會吸收不同波長的光，而類胡蘿卜素等色素會阻礙某一波長范圍光的吸收，所以不同光譜光源造成不同的生物學(xué)效應(yīng)，其影響機理非常復(fù)雜。已有試驗表明，LED不同光譜對微藻生長、形態(tài)、光合作用效率和次級代謝產(chǎn)物積累等均具有重要的調(diào)節(jié)作用：利用紅色LED可使小球藻Chlorellavulgaris的光合效率提高118%[68]；通過增加紅光比例，可將萊茵衣藻的光合效率提高14%[58]；微擬球藻在紅光下的生物質(zhì)產(chǎn)率是藍(lán)光的3倍，但相比紅光，在藍(lán)光下脂質(zhì)含量可以提高20%[69-70]；紅光更能促進(jìn)薔薇藻β-胡蘿卜素的積累[71]。目前，對多光譜的研究主要集中在紅藍(lán)單色光和紅藍(lán)雙色混合光方面，對于包括紫外線在內(nèi)的其他多譜光質(zhì)的研究較少，而多譜混合光質(zhì)可能產(chǎn)生協(xié)同作用，更有利于微藻的生長和物質(zhì)合成[72]。

表2 主要微藻品種受光環(huán)境調(diào)控示例Tab.2 Examples of light environment regulation of main microalgae species

2.3.3 頻閃光 相比連續(xù)光照，高強度但照射時間極短的頻閃光可以減少光在生物反應(yīng)器中的衰減，而且可避免連續(xù)強光照射引起的微藻光合作用系統(tǒng)損傷和抑制[73]。頻閃光可以減少光衰減，是提高光合效率的有力手段。相比連續(xù)光照，使用頻閃光能使萊茵衣藻生物質(zhì)產(chǎn)率提高40%[58]，小球藻[74]和螺旋藻[75]中的生物質(zhì)產(chǎn)率提高，柵藻中的生物量產(chǎn)率提高3倍[75]；與連續(xù)光照相比，弱連續(xù)背景光加頻閃光可使鹽生杜氏藻光合效率增加85%[76]，頻閃光能使雨生紅球藻最終蝦青素含量和生物量濃度提高，將蝦青素單位產(chǎn)量能耗降低70%[77]；另有研究表明，在1 Hz頻閃光下蝦青素含量(干重)比連續(xù)光照高1.5倍[78]。

頻閃效應(yīng)不僅可以通過改變光源實現(xiàn)，還可通過反應(yīng)器中流體混合實現(xiàn)光暗循環(huán)，即微藻因為流體運動在反應(yīng)器中實現(xiàn)光區(qū)和暗區(qū)的循環(huán)。研究表明，提高光暗循環(huán)頻率可以顯著改善微藻生物質(zhì)產(chǎn)率[79]；在開放池內(nèi)部增設(shè)擋板來提高其混合效果，可將光暗循環(huán)頻率循環(huán)一次的時間從12 s提高到1 s(即1 Hz)，微藻生產(chǎn)效率提高了32.6%[79]；在平板反應(yīng)器中增設(shè)擋板，可將光暗循環(huán)頻率循環(huán)一次的時間從17.8 s提高到4.6 s，相應(yīng)生物質(zhì)產(chǎn)率提高了70%[80]；特殊設(shè)計的光生物反應(yīng)器中，通過提高光暗循環(huán)頻率最高可將生物質(zhì)產(chǎn)率提高到原來的2倍，而且實現(xiàn)了高密度培養(yǎng)[81]。以上研究初步顯示了頻閃LED在微藻培養(yǎng)方面的巨大潛力，但還有許多問題亟待解決，例如，理論上來說，把閃光頻率提高到生物響應(yīng)時間范圍內(nèi)，飛秒(fs)至皮秒(ps)級別，可能會極大提高光合效率，但由于技術(shù)原因，目前尚未能進(jìn)行試驗驗證[73,82]。

2.3.4 光周期 與其他生物一樣，微藻也受生物鐘調(diào)節(jié)，自然界中微藻很好地適應(yīng)了光暗周期。如有些微藻細(xì)胞分裂生殖發(fā)生在暗周期，而細(xì)胞生長在光周期，在細(xì)胞分裂過程中即使提供光照，光能也被浪費，導(dǎo)致光合作用效率降低[83]。光暗周期還導(dǎo)致微藻細(xì)胞中蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂質(zhì)等成分變化，而這也會影響生物質(zhì)產(chǎn)率[81]。研究表明，微擬球藻、三角褐指藻在24 h連續(xù)光照下生長最快，但金藻在18L∶6D的光照模式下生長最快，微擬球藻、三角褐指藻在連續(xù)光照條件下總脂肪酸含量最高，而金藻在18L∶6D的光照模式下總脂肪酸含量最高[84-85]；在富油新綠藻的研究中，14L∶10D光照條件下光合效率是連續(xù)光照條件下的2倍，但是不同光周期對細(xì)胞組成成分沒有顯著性影響[83]；在鹽藻積累胡蘿卜素的研究中，發(fā)現(xiàn)14L∶10D的光暗周期且光強度遵循正弦波變化條件下，β-胡蘿卜素的產(chǎn)量比連續(xù)光照提高30%[81]。

2.4 LED技術(shù)在遠(yuǎn)洋捕撈漁業(yè)中的應(yīng)用

2.4.1 不同種類魚群的趨光性 光照是影響魚類行為的重要環(huán)境因子之一。通過對視網(wǎng)膜組織研究發(fā)現(xiàn)，魚對各色光有辨別能力，行為學(xué)試驗進(jìn)一步研究證明了魚對不同光色的趨光特點。如通過測試15種海產(chǎn)魚類對紫外光(337、368 nm)的反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有11種魚有反應(yīng)，組織學(xué)分析顯示，魚眼中央單錐狀細(xì)胞對紫外光敏感[88]； 鱖魚苗對5 種顏色光表現(xiàn)出不同程度的趨光性和選擇性, 對黃色光和白光的趨光反應(yīng)最強, 趨光率分別為89.75%和81.82%, 最大可達(dá)到93.75%和90.91%[89]；眼斑擬石首魚Sciaenopsocellatus和曼氏無針烏賊Sepiellamaindroni對光色和光強均有反應(yīng)，眼斑擬石首魚對中強度的橙光和紅光表現(xiàn)為正趨性，對其他光強和光色均表現(xiàn)出負(fù)趨性，而曼氏無針烏賊對光色和光強均表現(xiàn)出正趨性，對于同一光強下的4種光照顏色，曼氏無針烏賊對紅光和綠光的趨光率較高[90-91]；奧利亞羅非魚Oreochromiscoaureus在不同單色光同一照度下的趨光率差異顯著，在藍(lán)光、綠光下的趨光率高于紅光、黃光[92]。

2.4.2 不同光譜LED燈的集魚效果 LED集魚燈正快速應(yīng)用用漁業(yè)捕撈中，但不同光譜LED集魚燈的集魚效果明顯不同。如對5個不同波長單色LED及白光的光效進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),采用波長為480～505 nm的LED集魚燈可以引誘多種魚類，獲得最大光效，節(jié)能效果更好[93]；對白光(偏綠光)LED水下燈和藍(lán)紫光水下燈集魚效果試驗發(fā)現(xiàn)，白光LED燈對藍(lán)圓鲹Decapterusmaruadsi的光誘效果顯著優(yōu)于藍(lán)紫光LED燈，白光LED燈對竹筴魚的光誘效果極顯著優(yōu)于藍(lán)紫光LED燈[94]；通過分析國產(chǎn)300 W型LED集魚燈和綠光集魚燈的光學(xué)特性, 并與1、1.5、2 kW型金屬鹵化物集魚燈進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，LED集魚燈水中穿透性良好,能夠滿足漁業(yè)生產(chǎn)需要[95]。

2.4.3 不同燈具集魚效果比較 新型LED集魚燈具集魚效果良好。通過對3種LED集魚燈與1種傳統(tǒng)金鹵燈的生產(chǎn)對比試驗發(fā)現(xiàn)，LED集魚燈的漁獲率均高于金鹵燈，其中LED白光燈漁獲率優(yōu)勢明顯[96]；通過LED集魚燈替代弧光集魚燈的實船試驗發(fā)現(xiàn)，LED集魚燈的經(jīng)濟效益較為可觀[97]。

3 存在問題及展望

3.1 LED技術(shù)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)

從經(jīng)濟成本角度出發(fā)，LED光電轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源，且使用壽命更長，從長遠(yuǎn)來看，其成本更低，且LED光源配合智能控制系統(tǒng)更加有利于光譜、光強、光周期的精準(zhǔn)調(diào)控。未來隨著工廠化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，對光環(huán)境調(diào)控的需求將急速上升，LED光源應(yīng)用前景廣闊。粗略估計，中國LED燈具增長潛力約為2.95億元/年。

水產(chǎn)養(yǎng)殖動物種類繁多，對光照需求各異，LED光源對養(yǎng)殖生物的作用和影響機制仍知之甚少。水產(chǎn)養(yǎng)殖車間(尤其是海水養(yǎng)殖車間)高鹽高濕易腐蝕的環(huán)境特點極大地縮短了傳統(tǒng)燈具的使用壽命，而且燈具形狀和功率也直接關(guān)系到養(yǎng)殖池光線明暗和均勻度，因此，LED技術(shù)在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的研究應(yīng)用需關(guān)注以下幾個方面： (1) 主要養(yǎng)殖品種的光生物效應(yīng)數(shù)據(jù)庫、光照影響水生生物生長發(fā)育的途徑與機理、光調(diào)控魚類性腺發(fā)育和性別分化機制等基礎(chǔ)性研究工作。(2) 水產(chǎn)專用LED燈具研發(fā)，包括提高LED燈具的防水性和耐腐蝕性，延長使用壽命。(3) 研發(fā)設(shè)計不同形狀、用途的水產(chǎn)LED燈具，以滿足不同養(yǎng)殖時期和養(yǎng)殖操作的光照需求，如苗種繁育期、養(yǎng)成期、促熟期等。(4) 光環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，針對某一物種制定相應(yīng)的專用燈具和光環(huán)境控制策略，從而實現(xiàn)光生物環(huán)境效應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。

3.2 LED技術(shù)用于水產(chǎn)殺菌消毒

目前，UVC-LED的外量子效率低，普遍在10%以下，商業(yè)化大批量產(chǎn)品光效在3%～5%[98]，只有低壓紫外汞燈的十分之一左右，主要是材料限制了發(fā)光效率，包括外延材料質(zhì)量差、電注入效率低、光提取效率低等；而單位電功率的價格為低壓汞燈的幾十倍，所以要獲得相同的輻射功率，深紫外LED的成本目前還不能為市場接受。

針對上述UVC-LED存在的問題和水產(chǎn)業(yè)殺菌消毒方面的應(yīng)用需要在以下幾方面開展研究：(1)加強在氮化鋁外延材料質(zhì)量的制備攻關(guān)，同時提升芯片透明電極、熱管理、封裝等各個方面的技術(shù)，力爭不遠(yuǎn)的將來紫外LED的外量子效率達(dá)到25%，期間壽命達(dá)到1萬小時[99]。(2)加強紫外劑量對水產(chǎn)病原微生物殺滅機理的研究；開展水體顆粒物和水溶物形成的濁度條件下，光的水體透射率的研究；開展水體輻射劑量與透射率測定方法的研究。(3)加強UV-LED在微小環(huán)境的應(yīng)用研發(fā)。據(jù)預(yù)測，UV-LED的市場年增長率平均接近30%，并將加速增長[99]。目前，市場已經(jīng)開發(fā)出便攜移動式的碗櫥、空氣清新柜及掃地機器人等電子消毒器，應(yīng)加強在水產(chǎn)保鮮運輸箱、運輸車、銷售柜、加工線等狹小空間的產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用。

3.3 LED技術(shù)用于微藻培養(yǎng)

盡管利用LED光源培養(yǎng)微藻方面的研究取得了很大進(jìn)展，但要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，還有一些問題亟待解決。首先，光源光照強度并不代表著微藻細(xì)胞微環(huán)境的光照強度，光在反應(yīng)器中是不斷衰減的，但目前研究主要考慮入射光源強度，很少關(guān)心平均光強度，而后者才是真正決定微藻利用光能效率的最直接因素，因此，需要有針對性地進(jìn)行光強度優(yōu)化。其次，目前對于光譜影響微藻生長的分子機制還不明確，而掌握不同光譜對微藻生長影響的具體分子機制可以對光譜與微藻生長及產(chǎn)物積累進(jìn)行更精確調(diào)控。第三，目前的研究很少將光譜與頻閃光結(jié)合起來對微藻培養(yǎng)進(jìn)行研究，而這些研究將顯著提高微藻的光合效率及經(jīng)濟效益。頻閃光可以誘導(dǎo)微藻生產(chǎn)高含量色素、脂肪酸等代謝產(chǎn)物, 但誘導(dǎo)不同目標(biāo)產(chǎn)物的最佳閃光燈設(shè)置參數(shù)尚不清楚，其誘導(dǎo)機制也有待明確。而且，培養(yǎng)過程中混合所造成的光暗循環(huán)是否能與頻閃光實現(xiàn)疊加效應(yīng)，如果得以實現(xiàn)，在多大程度上可以進(jìn)一步提高光合作用效率，這些都需進(jìn)行深入研究和驗證。另外，目前研究光周期變化時，整個光周期一般采取恒定光強度，但在戶外培養(yǎng)時太陽光強度遵循正弦波變化，故室內(nèi)試驗結(jié)果難以有效指導(dǎo)戶外大規(guī)模微藻培養(yǎng)。未來研究時,可采用正弦波形式和光暗周期來模擬戶外培養(yǎng)條件[83-84]，預(yù)期將對微藻培養(yǎng)進(jìn)行人工補光提供重要指導(dǎo)。

針對目前研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中存在的上述問題，需要在以下幾方面開展研究：(1) 研發(fā)能模擬太陽光照射強度和完整光譜的LED光源，詳細(xì)研究各類微藻中各種色素含量，并考察其光譜的應(yīng)答情況，從而深入解析光譜控制藻類生長和代謝的機制[100]，確定不同微藻生長的最適光譜條件，據(jù)此開發(fā)相應(yīng)的理想光源。(2) 研究頻閃光源頻率、占空比、光照強度等因素對微藻生長和代謝影響，針對不同微藻確定相應(yīng)的理想條件，為開發(fā)理想光源提供依據(jù)，并進(jìn)行實際驗證和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。(3) 優(yōu)化光生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和操作條件，減少光傳播損失，提高光暗循環(huán)頻率，從而大幅度提高光的利用效率。(4) 研究光傳遞與反應(yīng)器中微藻細(xì)胞的碳供應(yīng)、溫度等各要素之間的高效協(xié)同機制，據(jù)此進(jìn)行優(yōu)化控制，提高光合作用效率，實現(xiàn)高密度微藻培養(yǎng)，大幅度提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)率。(5) 結(jié)合光照周期、光譜、光強度等研究，優(yōu)化微藻培養(yǎng)LED人工補光方案，并進(jìn)行過程放大，在水產(chǎn)餌料微藻培養(yǎng)中開展大規(guī)模示范研究。

3.4 LED技術(shù)用于遠(yuǎn)洋捕撈漁業(yè)

近年來，中國在大洋漁業(yè)方面建造了大量圍網(wǎng)、秋刀魚舷提網(wǎng)等光誘作業(yè)漁船，由于企業(yè)間的盲目競爭，造成漁船主機功率和燈光功率持續(xù)加大，這使得生產(chǎn)成本大大提高，而漁獲量未有明顯提升。LED集魚燈因其較好的節(jié)能效果，具有良好的發(fā)展?jié)摿?，建議在以下幾方面開展研究工作：(1)加強LED的水下光場特點和魚類趨光習(xí)性研究；加強LED集魚燈的空間布置(燈架結(jié)構(gòu)和安裝角度)研究，在增大有效集魚面積的同時在海水中形成穩(wěn)定光場。(2) 加大遠(yuǎn)洋漁業(yè)專用LED集魚燈研發(fā)，目前生產(chǎn)中應(yīng)用的LED集魚燈，尚存在散熱性不夠好、穩(wěn)定性不高等問題，通過科學(xué)的散熱方式，降低LED燈的溫度，減少在使用過程中的光衰，是目前LED集魚燈能否取代金鹵燈、白熾燈等現(xiàn)有光源的關(guān)鍵。

致謝：李賢、宋昌斌、遲占有、邢斌斌等老師參與了本文的寫作！