生物絮團技術在水產養殖中的應用

朱 林，車 軒，劉興國，劉 晃，王小冬

（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業部漁業裝備與工程技術重點試驗室，上海200092）

我國是世界第一水產養殖大國，2017 年我國水產養殖產量達4 905.99 萬t[1]，其中，傳統的水產養殖模式，得益于成本低廉而迅猛發展，占比較大。水產養殖動物只能利用餌料蛋白的20%～30%，導致殘餌及糞便在水體中大量積累，產生大量有毒的氨態氮、亞硝酸態氮，傳統的養殖模式主要通過換水解決氮污染物積累的問題，不僅浪費寶貴的水資源、增加換水的電費成本，還帶來了環境惡化、水資源短缺、養殖土地資源銳減及水產動物病害頻繁暴發等問題。2018 年，國家發布了一系列文件，部署了污染防治及保護生態環境的相關工作，其中，農業農村污染治理攻堅戰位列七大標志性重大戰役，如何減少水產養殖污染是目前行業面臨的重大課題。生物絮團技術（Biofloc Technology，BFT）是近年來發展起來的一種通過調控養殖池中微生物組成，利用微生物調控水質的新型養殖模式。生物絮體不僅可以作為微生物的載體，有效轉化系統里對生物毒性較大的氨氮、亞硝酸鹽氮，其中的微生物體蛋白質還可以作為營養補充被養殖動物攝食，實現飼料營養的重復利用，提高飼料利用率。生物絮團通過同化、硝化及光合作用可快速降低水體中的氨氮濃度。國際上很多采用生物絮團技術的工廠化養殖系統經過研發、試驗和改進，實現了零換水的目標[2]。

1 生物絮團的組成

生物絮團由細菌、藻類、原生動物及其胞外物等構成，生物絮團養殖系統細菌優勢種群主要受飼料品質影響，因此，不同養殖品種生物絮團系統的主要優勢菌群不同，刺參苗種培育池中生物絮團的主要優勢菌群為黃桿菌綱（Flavobacteria）、α- 變形菌綱（Alphaproteobacteria）和芽孢桿菌綱（Bacillus）[3]。草魚生物絮團養殖系統主要微生物類群包含變形菌、放線菌、芽孢桿菌及擬桿菌，其中，α-、β- 及γ-變形菌占據主要位置[4]。

2 生物絮團分類

2.1 異養同化型生物絮團

異養同化型生物絮團模式是指向養殖水體投入有機碳及堿類物質，提高水體中的碳氮比，大量培養水體中異養細菌，利用異養細菌同化無機氮的生物絮團模式。異養同化型生物絮團養殖模式對養殖人員的操作要求不高，只需要控制養殖系統中有足夠的有機碳源和溶解氧，氨氮去除效率高[5-6]，但需消耗大量的有機碳源和氧氣，增加了能耗和養殖成本，且產生過多的生物絮團和二氧化碳。異養同化生物絮團養殖模式的化學計量基礎理論方程為：NH4+＋7.08CH2O＋HCO3-＋2.06O2→C5H7O2N＋6.06 H2O+3.07CO2。

2.2 自養硝化型生物絮團

生物絮團模式中既發生了異養同化作用，也發生了硝化作用[7]，這2 種模式的共同點是都能轉化有毒的氨氮，使得養殖水質環境安全可控。但硝化細菌增殖速度比氨氧化細菌慢，硝化功能的構建滯后于亞硝化過程。因此，理論上可以實現2 種模式的馴化切換。相比異養同化型生物絮團模式，自養硝化型生物絮團具有兩大優勢：一是處理同樣質量的氨氮絮團產生量更少，絮團去除壓力更小，且水中總懸浮物更低，養殖動物攝食活性更佳。另一方面，耗氧更少且不需要添加有機碳源，降低了電耗和投入。自養硝化生物絮團主要作用細菌為亞硝化細菌和硝化細菌。系統的基礎化學計量理論方程為：NH4+＋1.83O2＋1.97HCO3-→0.024 4C5H7O2N＋0.976NO3-＋2.90H2O＋1.86CO2。

亞硝酸和硝酸是氨氮氧化的代謝終產物，亞硝化細菌和硝化細菌的生長很多時候是不同步的。亞硝酸屬于高毒性物質，如果系統中亞硝化細菌長得太快，則導致亞硝酸積累而造成系統崩潰；調控亞硝化細菌和硝化細菌的比例，是生物絮團從異養同化型向自養硝化型的關鍵。

3 生物絮團對養殖對象的影響

生物絮團是一種混合單細胞蛋白原料，魚蝦可攝食生物絮團[2]，國內外的學者使用氮同位素的方法證實了凡納濱對蝦、銀鯽及羅非魚攝食生物絮團[8-9]；甚至在短期使用生物絮團喂養克氏原螯蝦比飼料投喂具有更好的養殖效果[10]；由于微生物蛋白可為仿刺參幼參較好的利用，因此，仿刺參配合飼料可考慮添加生物絮團，以節約成本。另一方面，有科研工作者研究了鯽魚肝臟生化指標與添加生物絮團的飼料之間的相關關系，結果表明，最適添加濃度為10%，能顯著提高其抗氧化性能。用生物絮團養殖異育銀鯽可以提高脾、腎、肝和鰓中熱休克蛋白HSP70 的表達量[11]。鹽度大幅變化會導致生物絮團對蝦養殖系統紊亂，其中的養殖對象凡納濱對蝦生長性能及生理健康等指標受鹽度突變影響較大[12]。

4 生物絮團可實現水體中營養物質再利用

給水產動物投喂的飼料中，約75%～80%的氮以糞便和代謝物的方式排入水體，另有約10%～20%的飼料未被攝食溶解在養殖水體中，生物絮團可將水體中氮污染物轉化為菌體蛋白，魚蝦等養殖對象會攝食粒徑合適的絮團顆粒，這樣就實現了蛋白的再利用[13]，從而降低餌料系數，因此，生物絮團養殖可以使用低蛋白的飼料以節約養殖成本[14]。

5 生物絮團可實現養殖對象的生物防治

生物絮團中的微生物源活性物質可以提高養殖對象的成活率[15]，主要表現在以下4 個方面。第一，生物絮團養殖模式不換水或者換水量較少，降低了養殖對象接觸外源病原菌的可能性，切斷了致病菌和病毒的傳播途徑[16]。在生物絮團模式中，因哈維氏弧菌對鹵蟲的感染率降低，可提高鹵蟲成活率，同時降低養殖動物攝食鹵蟲而感染哈維氏弧菌的概率[17]。第二，生物絮團中的假單胞菌、芽孢桿菌及其他細菌均能產生聚-β- 羥基丁酸，使養殖生物受細菌感染的概率降低[18]，并導致病原菌的群體感應紊亂[19]。第三，生物絮團中的微生物在生態位與弧菌等病原菌競爭營養和生長空間，抑制病原菌生長和繁殖[20]。第四，生物絮團含有多種細菌及細菌產物[21]，在凡納濱對蝦的飼料中拌服生物絮團投喂后，能顯著提高凡納濱對蝦的免疫力和抗弧菌感染的能力[22]。

6 展望

目前，我國水產養殖環境污染形勢不容樂觀[23-25]，而生物絮團有望成為一種新的對抗水產養殖病原菌的有效方法[26]，尤其是自養硝化型生物絮團養殖模式，硝化型生物絮團技術是從異養型生物絮團提升、轉化過來的。其核心內容就是生物絮團中的細菌種群結構的定向培育，盡量提高氮氧化細菌的比例。但硝化細菌增殖速度比亞硝化細菌慢，硝化功能的構建滯后于亞硝化過程[27]，此過程中的這種定向培育需要精確的氨氮濃度控制和相應的細菌營養關鍵技術。目前，關于異養型生物絮團馴化為硝化型生物絮團過程中細菌群落組成的變化研究還很少，馴化過程中細菌群落組成、添加不同比例有機碳源對生物絮團細菌群落的影響、硝化型生物絮團的馴化機制等還需要進一步研究。