生物絮團養殖池塘中浮游植物的群落結構特點

王慧博，宋聃，黃曉麗，霍堂斌，王秋實，都雪

（中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

生物絮團技術（Biofloc Technology，BFT）通過人為添加有機碳（C）源調節養殖水體中的碳/氮（C/N）比例，促進水體中異養菌大量繁殖生長，同化作用將水體中的無機氮（N）等有害N 源，轉化成可被養殖生物攝食利用的菌體蛋白，具有穩定、調控養殖水體水質、循環利用營養物質、提高養殖產量的作用[1-3]，是目前較為先進的水產養殖技術之一。BFT 技術比傳統大排放水的水產養殖模式更能保持養殖水質穩定，降低養殖成本病害的發生，減少水資源的浪費和交叉污染[4]。

目前，有關BFT 技術的研究主要集中在C 源添加、C/N 比例調節和BFT 技術對養殖水體水質的影響等[5,6]，而關于BFT 技術對養殖水體浮游生物群落影響的相關研究鮮有報道。浮游植物對養殖水體有機物同化和營養物質的移除起關鍵作用，是魚蝦、貝類等生物的重要餌料來源[7,8]。浮游植物的群落組成、時空分布等可以間接反映水環境的動態變化，是養殖水體健康情況的重要指標之一[9]。本文通過研究BFT 技術對養殖池塘浮游植物群落結構的影響，探討BFT 技術下養殖水體浮游植物的群落變化，以期為BFT 技術在養殖池塘中進一步研究和推廣提供基礎數據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

試驗在中國水產科學研究院黑龍江水產研究所呼蘭實驗站6 個740m2、深約2 m 的池塘中進行。在2015 年5 月初，清理了試驗池塘的水生植被，蓄滿自來水，用鼓風機通過納米微孔曝氣盤進行曝氣，接受室外陽光直射，假設試驗開始時各試驗池沉積物組成沒有差異。每個池塘放養鏡鯉Cyprinus carpio specularis、鰱Hypophthalmichthys molitrix 和鳙Aristichthys nobilis，體質量分別為（200.00±6.18）g、（561.00±12.11）g 和（619.00±21.96）g，密度分別為135 g/m2，45 g/m2和15 g/m2。

隨機選擇3 個池塘作為BFT 組試驗池，以葡萄糖和淀粉（1∶1，v/v）作為有機C 源，以異養細菌（芽孢桿菌屬Bacillus）作為絮凝菌種培育生物絮團。根據BFT 技術常規方法[5]，每兩周投加一次C 源，每次投加7.5 g/m3；每4 周投加一次異養細菌，每次投加0.225 g/m3。其余3 個池塘作為對照組試驗池，不添加有機C 源和異養細菌。每天投喂3 次34%粗蛋白質含量的顆粒飼料。實驗開始時日投飼率為魚體質量的5%，逐漸降至2%。采樣期間除補償自然蒸發水量之外，沒有其他水交換。

1.2 樣品采集及處理

放養1 周后，2015 年5 月21 日—9 月4 日，每2周11:00 am—12:00 am 取水樣1 次。用5L 有機玻璃采水器采集1L 水樣后，用魯哥氏液固定。在實驗室內，沉淀48h 后，棄除上清液，留取30 mL 濃縮液作定量樣品。在光學顯微鏡下鑒定、計數，浮游植物濕重參考文獻[10]。根據《淡水浮游生物研究方法》進行浮游植物定性、定量[11]。

參照《水和廢水監測分析方法》[12]，測定水樣的高錳酸鹽指數（CODMn）、可溶性磷酸鹽（SRP）、硝酸鹽氮（NO3-N）、亞硝酸鹽氮（NO2-N）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、總有機碳（TOC）含量；用YSI6600水質分析儀現場測量水溫（WT）、溶解氧（DO）和pH。

1.3 數據處理

浮游生物的優勢種用優勢度（Y）確定；用Shannon-Wiener 多樣性指數（H'）、物種豐富度指數（SR）和Pielou 均勻度指數（J'）研究浮游植物群落多樣性。各計算公式為：

浮游生物優勢度（Y）：

物種多樣性指數Shannon-Wiener（H'）：

物種豐富度指數Richness（SR）：

物種均勻度指數Pielou（J'）：

式中，S 為群落中的物種數目；fi為第i 種的出現頻率；Pi為第i 種個體數量在總個體數量的比例；Y為優勢度，Y＞0.02 的種類定為優勢種[13]。

1.4 統計分析方法

采用SPSS 24.0 軟件進行Pearson 相關分析研究環境因子對試驗池浮游植物群落多樣性的影響。

采用R 軟件分析浮游植物物種與環境因子的關系。物種生物量數據進行Hellinger 轉化，除pH 外的水環境因子數據進行log（x+1）轉換[14]；然后，對數據進行去趨勢對應分析（Detrended correspondence analysis，DCA），檢驗典范對應分析（Canonical correspondence analysis,CCA）單峰模型排序是否比冗余分析（Redundancy analysis，RDA）排序對數據分析更適宜，發現前者對數據分析更適宜；采用CCA 分析方法，進行物種—環境因子關系排序，用雙序圖表示排序結果。

2 結果與分析

2.1 BFT 組和對照組池塘水體環境因子

由表1 可知，BFT 組和對照組池塘水體水溫和TOC、NO2-N、TN、CODMn含量均呈升高趨勢，其他環境因子變化不顯著。

有機C 源添加后，2 個試驗組水體的TOC 含量顯著升高，5 月21 日試驗剛開始時，對照組TOC 值高于BFT 組，隨著試驗的進行BFT 組逐漸高于對照組，到9 月4 日BFT 組的TOC 含量為對照組的2倍。BFT 組試驗池CODMn值逐漸升高，到9 月4 日升到最高值，而對照組變化不明顯。2 個試驗組的TN含量逐漸升高，BFT 組增速要高于對照組。對照組NO2-N 和NO3-N 含量高于BFT 組，NO2-N 值于8 月20 日開始迅速升高，剛開始每組NO3-N 的含量變化都不大，7 月6 日迅速升高到最大值，之后逐漸降低。

2.2 BFT 組和對照組池塘水體浮游植物種類及數量

2 組試驗池共鑒定出浮游植物7 門9 綱73 屬，其中綠藻門Chlorophyta 種類數最多，共2 綱5 目13科40 屬，其次是藍藻門Cyanophyta 1 綱3 目8 科16屬和硅藻門Cryptophyta 2 綱5 目5 科9 屬，隱藻門Cryptophyta、裸藻門Euglenophyta、甲藻門Dinophyta和黃藻門Xanthophyta 均為2 屬。

BFT 組浮游植物總平均生物量為57.70 mg/L，對照組總平均生物量為75.96 mg/L。試驗前期階段2 個試驗組浮游植物生物量差異不大，6 月21 日開始2組均迅速升高，到7 月6 日對照組浮游植物生物量趨于最高值，而BFT 組在7 月21 日生物量趨于最高值并超過對照組，之后逐漸下降。到8 月5 日，對照組迅速升高再次超過BFT 組，之后逐漸下降。

BFT 組和對照組浮游植物優勢種均為藍藻門，其中BFT 組優勢種分別為席藻Phormidium、細小平裂藻Merismopedia minima、廣州平裂藻Meriamopedia cantonensis 和隱球藻Aphanocapsa；對照組優勢種分別為微囊藻Microcystis、席藻、顫藻Oscillatoria、細小平裂藻和廣州平裂藻。

表1 不同采樣時間BFT 組和對照組池塘水體理化因子特征Table 1 Physical and chemical factors in BFT and control ponds during experimental period

2.3 浮游植物與環境因子的相關性

2.3.1 浮游植物多樣性與環境因子的Pearson 相關分析

BFT 組浮游植物的Shannon-Wiener 指數、物種豐富度指數和Pielou 指數變化范圍分別為1.95～2.53，平均值為2.20；21～38，平均值為31；0.60～0.69，平均值為0.64。對照組浮游植物的相應指數變化范圍分別為0.96～2.53，平均值為2.12；13～35，平均值為27；0.35～0.71，平均值為0.64。

由表2 可知，BFT 組浮游植物物種豐富度指數與水溫、TN 呈極顯著正相關；Shannon-Wiener 指數與水溫、TN 呈顯著正相關；Pielou 指數與環境因子沒有明顯相關性。對照組浮游植物物種豐富度指數與水溫、NH4+-N、TN 呈顯著正相關；Shannon-Wiener 指數和Pielou 指數與環境因子都沒有明顯相關性。

2.3.2 BFT 組試驗池浮游植物與環境因子的CCA分析

選取BFT 組浮游植物優勢種和出現頻率≥60%的種類，與環境因子進行CCA 分析，環境因子數據見表1。在CCA 排序中，排序軸1 和排序軸2 分別解釋物種與環境因子關系的30.4%和15.0%，前兩軸共解釋物種與環境因子關系的45.4%，物種和環境因子相關系數都達到1，表明排序能夠較好地反映物種與環境因子間的關系。物種的兩個排序軸之間相關系數和環境因子的兩個排序軸之間的相關系數均為0，表明排序結果可靠[15]。

圖1 BFT 組和對照組池塘浮游植物生物量情況Fig.1 Phytoplankton biomass in BFT and control ponds

表2 BFT 組和對照組浮游植物多樣性指數與環境因子的Pearson 相關分析Tab.2 Pearson correlation analysis between the phytoplankton diversity index and the environmental factors in BFT and control ponds

圖2 BFT 組浮游植物與環境因子的CCA 排序圖Fig.2 Ordination biplot of canonical correspondence analysis between phytoplankton species and environmental factors in BFT ponds

由圖2 可知，TOC、CODMn、TP 和SRP 是排序軸1 的重要影響因子，其中TOC、CODMn和SRP 與排序軸1 顯著正相關，相關系數分別為0.7846、0.6822 和0.5571；TP 與排序軸1 顯著負相關，相關系數為-0.5771；SRP 和WT 是排序軸2 的重要影響因子，與排序軸2 顯著負相關，相關系數分別為0.5307 和-0.4985。CCA 排序結果表明，對BFT 組浮游植物群落結構及其分布影響較大的環境因子是TOC、CODMn、TP、SRP 和水溫。CCA 排序圖表明，CODMn與二角盤星藻顯著相關，TOC 和CODMn同時與隱藻和四尾柵藻顯著相關；水溫與針桿藻顯著相關；TP 與細小平裂藻、席藻、隱球藻顯著相關；SRP 與顫藻顯著相關。

3 討論

BFT 組試驗池浮游植物生物量呈先上升、后下降的趨勢，這與楊希等[16]和聶偉等[17]在生物絮團技術對浮游植物影響的研究結果基本一致。生物絮團一般從開始形成到成熟需要10～15d[18]，試驗從5 月21 號開始到6 月6 日期間為生物絮團形成期。生物絮團穩定后到6 月21 日，BFT 組浮游植物生物量開始上升，一直到7 月21 日上升到最大值。試驗前期生物量上升是由于用BFT 技術的養殖水體中有機物經微生物分解轉化為浮游植物生長所需的無機物質，浮游植物通過光和作用將無機物轉化為有機物，為養殖池塘中魚類的生命活動提供物質和能量。但試驗后期浮游植物生物量上升到最大值之后，開始逐漸下降。繼Avnimelech[19]發現生物絮團促進羅非魚生長的同時可以去除養殖水體無機N 濃度和凈化水質之后，大量研究進一步證明了BFT 技術在養殖水體中去除三態N 和凈化水質的機理[20]。本研究中，對照組試驗池中NO3-N 和NO2-N 含量均高于BFT 組。當生物絮團系統處于穩態后，對池水中的三態N 的去除率逐漸增大，導致池塘中可供浮游植物生長所需的營養元素減少，使后期浮游植物生物量逐漸減退。而7 月6 日對照組試驗池水樣中，綠藻四角盤星藻的爆發使浮游植物生物量增量遠高于BFT組，這可能是季節變化水溫逐漸升高，加上NO3-N 含量較高導致。與對照組相比，BFT 組生物絮團系統處于穩態后對NO3-N 的去除作用降低了綠藻爆發的風險，起到了防止池塘水華導致魚類缺氧和調控、穩定水質的作用。BFT 組后期浮游植物生物量逐漸降低，另一個原因可能是試驗后期生物絮團大量懸浮，降低了池塘水體透明度，影響了浮游植物的光合作用[14]。

在溫帶水體中，水溫是影響浮游植物季節變化的主要推動力。硅藻最適宜生長溫度在10～25℃之間[21]，藍藻和綠藻易在較高溫度（30～40℃）水體中形成優勢，藍藻的適宜溫度相比更高[22,23]。隨著池塘水溫到夏季逐漸升高，加上BFT 組試驗池添加有機C源，使水溫和TOC 成為影響浮游植物群落的主要環境因子。浮游植物與環境因子的相關性分析表明，TP、SRP、CODMn、TN、NH4+-N 與浮游植物群落有顯著相關性。TP、SRP 和TN 與藍藻顯著相關，其中TP 與細小平裂藻、席藻、隱球藻顯著相關；SRP 和TN 與顫藻顯著相關。BFT 組和對照組浮游植物優勢種均為藍藻門，BFT 組席藻優勢度最高，而對照組隱球藻優勢度最高，多種藍藻如微囊藻和顫藻變為優勢種，使BFT 組浮游植物多樣性指數高于對照組。優勢種分析表明，席藻的爆發與生物絮團的形成可能存在一定的相關性。生物絮團技術增加了池塘水體中異養菌的數量，異養菌的反硝化聚磷作用[24]導致BFT組TP 低于對照組，成為影響BFT 組試驗池浮游植物群落的重要環境因子，也使席藻在BFT 組CCA排序圖中與TP 顯著相關，藍藻的生長反過來也會吸收一定量的TP[25]。所以席藻與TP 的相關性也反過來證明了生物絮團生長與席藻爆發的相關性。與浮游植物群落顯著相關的環境因子中，除了與藍藻顯著相關的環境因子外，其他因子如CODMn、TOC 和NH4+-N 均與綠藻顯著相關，其中CODMn和TOC 與隱藻和四尾柵藻顯著相關，NH4+-N 與小球藻Chlorella、衣藻Chlamydomonas、纖維藻Ankistrodesmus 顯著相關。藍藻和綠藻與環境因子相關性遠高于其他藻類，且生物絮團對藍藻和綠藻均有抑制作用，BFT 組試驗池中綠藻門和藍藻門生物量均低于對照組，這與聶偉等的研究結果相同，但是對其他藻類的抑制作用不明顯。本研究以芽孢桿菌作為絮凝菌種培育生物絮團，生物絮團對藻類的抑制作用，除了異養菌與藻類競爭N、P 等營養鹽，還與芽孢桿菌是一種溶藻菌，通過直接接觸或者釋放某些特異或非特異性的胞外物質溶解藻細胞有關[26]。

小結

調查發現，BFT 組試驗池浮游植物生物量低于對照組，呈先上升、后下降的趨勢。前期浮游植物生物量上升趨勢是BFT 技術使水體中有機物經微生物分解轉化為浮游植物生長所需的無機物質，供浮游植物生長。后期下降一是異養菌的大量繁殖使三態N 的去除率增加，供藻類生長的營養元素減少；二是試驗后期生物絮團大量懸浮導致池塘水體透明度的降低，影響了浮游植物的光合作用。BFT 技術對養殖水體水質的影響表現在微生物的同化作用可以轉化水體中的無機N 等有害N 源為養殖生物攝食利用的菌體蛋白。本文中BFT 組試驗池中生物絮團系統處于穩態后對NO3-N 的去除作用降低了綠藻爆發的風險，起到了防止池塘水華導致魚類缺氧和穩定、調控養殖水體水質的作用。BFT 技術應用于養殖池塘中需注意，當生物絮團大量懸浮時應及時清理過多的絮團顆粒，防止水體透明度過度降低影響浮游植物和水生植物的光合作用，進而影響養殖魚蝦的攝食和生長。