生物絮團技術在凡納濱對蝦池塘淡化養殖中的應用研究

李慧耀，張 哲，葛 輝，潘柏霖，楊章武

(福建省水產研究所，福建省海洋生物增養殖與高值化利用重點實驗室，海洋生物種業技術國家地方聯合工程研究中心，福建 廈門 361013)

凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)又稱南美白對蝦，俗稱白蝦，原產于中南美洲太平洋沿岸水域，在中國無自然分布。因生長快、可高密度養殖和適應低鹽水域等優良性狀，凡納濱對蝦成為世界三大養殖對蝦品種之一，更是我國對蝦養殖最主要的種類。2020年我國凡納濱對蝦養殖產量占全國對蝦養殖總產量的72.33%，福建省凡納濱對蝦養殖產量占全省對蝦養殖總產量的89.76%，其中福建省淡水養殖的凡納濱對蝦占42.83%，海蝦淡養成為重要的養殖模式[1]。

生物絮團技術(Biofloc technology，BFT)是一種基于微生物活動的生態養殖技術，1999年由Avnimelech Y首先提出[2]。BFT的原理是通過向養殖水體添加碳源(蔗糖、葡萄糖、淀粉或纖維素等碳水化合物)提高水體中的碳氮比(C/N比)，促進養殖環境中異養微生物的生長，從而將水中氮素轉化為菌體蛋白。生物絮團顆粒主要包含浮游植物、微生物以及顆粒有機物[3]，絮團中的微生物活動可以分解殘余餌料、死亡的藻類和糞便等代謝廢物，轉化氮素、抑制病原微生物，維持養殖環境水質穩定，在某些條件下可達成零換水[4-5]。絮團富含蛋白質，是養殖動物良好的餌料來源[6-7]；絮團中的微生物含有聚羥基丁酸酯或肽聚糖，可促進養殖動物的消化和免疫功能、提高存活率和提高生長性能[8]。

對蝦養殖是BFT技術研究和應用的重點領域，研究內容涵蓋了BFT系統的類型[9-10]、氮去除途徑[11]、絮團的營養價值及作用[12-13]和經濟因素分析[14]等。本研究的目的是探索一種基于BFT技術的低排放凡納濱對蝦池塘養殖模式，研究BFT技術在凡納濱對蝦養殖生產中的應用效果，為凡納濱對蝦健康養殖及產業發展提供參考。

1 材料和方法

1.1 養殖設施

試驗于2021年10月21日開始在福建省漳州市長泰區進行，為期114 d。試驗池塘為2個大小約0.15 hm2的無內襯的池塘，池底中間最深處設1個直徑1.0 m、深0.5 m的集污池，集污池底設1臺潛水泵。冬、春季節用聚乙烯膜大棚覆蓋為溫棚池，無人工控溫設備，養殖水溫為18～25℃。1#池為BFT試驗池，2#池為對照池(不采取BFT技術措施的常規養殖)。

增氧條件配置為每個池塘750 W水車2臺、1.5 kW水車2臺，750 W葉輪1臺，納米管底氧盤8個，共用一臺3 kW鼓風機，將納米管固定在鐵架上，保持離底20 cm，防止氣流攪動底泥。

1.2 養殖用水

養殖池放苗前，排干池底，進行常規消毒，檢測池底環境，確認無重要病原后再進水。養殖用水是上一茬養蝦的池水經生石灰消毒并長期(30 d)曝曬、曝氣自凈處理，鹽度約為3。養殖前期水深1.5 m、后期水深為2.0 m。養殖過程以抽取地下水緩慢添加，養殖過程只加水、不排水，每月使用集污池中的潛水泵，排出池底部分污泥。

1.3 養殖密度與水質、投餌管理

每個池塘投苗1.8×105尾，密度約為120尾/m2，全程投喂粗蛋白含量為42%的商業對蝦飼料，日投餌率前期10%、中期4%、后期2%，每日分3次投喂。養殖期間不間斷充氣，確保溶解氧全程>5 mg/L。使用商品EM菌及氨基酸肥水膏進行肥水后，放苗，每隔10～20 d使用過硫酸氫鉀進行底質改良，使用石灰水調節水質。

1.4 生物絮團技術方法

BFT的培養條件參考本課題組前期對蝦育苗標粗水體生物絮團構建方法，選擇蔗糖(紅糖)為添加碳源，添加量為投餌量的70%，C/N比約為10，每日紅糖量在當日第一次投餌時隨餌料一起投入[15]。以南海水產研究所監制生產的濃縮芽孢桿菌(Bacillussp.)、光合細菌和嗜酸乳桿菌(Lactobacillusacidophilus)為異養菌，每5 d添加一次異養菌，芽孢桿菌添加量為6 kg·(hm2·m)-1水體，光合細菌和嗜酸乳桿菌添加量為75 L·(hm2·m)-1水體，添加量分別約為芽孢桿菌7.5×106cfu·L-1、光合細菌3.0×108cfu·L-1、嗜酸乳桿菌1.13×106cfu·L-1。2021年11月8日開始絮團培養，不使用消毒劑全池消毒，不使用抗生素。對照池塘按傳統模式管理，視水質情況使用微生態制劑，所用微生態制劑與絮團模式相同(主要區別是不添加碳源和不定時定量添加微生物制劑)。

1.5 水樣采集及分析

試驗期間，約20 d測1次水質指標。采樣時間為上午9：00，用采水器采集1 200 mL水樣，根據GB 17378.4—2007《海洋監測規范 第 4部分：海水分析》、GB/T 12763.4—2007《海洋調查規范 第4部分：海水化學要素調查》、GB 17378.7—2007《海洋監測規范 第7部分：近海污染生態調查和生物監測》進行水質檢測，主要檢測指標有pH值、化學需氧量、氨氮、活性磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總氮、總磷、無機氮、弧菌總數、異養細菌總數。絮團體積測定使用英霍夫式錐形管(1 L)靜置水樣20 min，讀取絮團沉淀量，每隔20 d測定一次。

1.6 對蝦生長速度、存活率和餌料系數

在養殖中期開始定期測量對蝦體長、體質量等生長數據。用火車網誘捕，隨機取30尾，使用精度為0.1 g的電子秤和0.1 mm的游標卡尺分別測量對蝦樣品的體質量與生物學體長。累計投餌量和對應的對蝦產量的比值為餌料系數，以產量和平均規格估算存活數量、測算存活率。

1.7 浮游植物監測與指標計算

用采水器采集1 000 mL水樣，使用終濃度為5%的甲醛固定樣品后，帶回實驗室，靜止沉淀24 h，濃縮至50 mL或其他合適體積。用移液槍吸取0.1 mL濃縮均勻樣品置于計數框中，在CX43RF生物顯微鏡下進行種類鑒定和計數，計數三片，取其平均值，優勢度Y≥0.02為優勢種。

種類多樣性指數(Shannon-Wiener)：

(1)

均勻度指數(Peilou)：J′=H′/log2S

(2)

豐富度指數：d=(S-1)log2N

(3)

優勢度指數：Y=(ni/N)fi

(4)

式中：ni為第i種的個體數；N為樣品的總個體數；S為樣品中種類總數；fi是第i種的測站出現率。

生物種類名錄主要參考黃宗國的《中國海洋生物種類與分布》[16]。

1.8 數據處理

采用SPSS 19.0軟件進行統計分析；Student’s t test方法分析組間差異；Microsoft Excel繪圖。數據以平均值±標準差(Mean±SD)表示，*表示P<0.05，**表示P<0.01。

2 結果與分析

2.1 生物絮團培養

采取BFT技術措施后，持續觀察絮團的生成和變化。用燒杯取池水，經肉眼觀察，未見明顯形成絮團。用英霍夫式錐形管靜置水樣24 h后，未見明顯絮團沉淀物。顯微鏡觀察水樣，見少量絮團顆粒，在相同視野(10×10)下，1#試驗池絮團量較多，且絮團粒徑大于2#對照池，最大絮團粒徑大于100 μm(圖2)。燒杯取水靜置24 h可見明顯泥狀沉淀。

2.2 水質監測結果

2.2.1 pH值

養殖期間，兩口池塘水體pH值均在適宜凡納濱對蝦生長的7.5～8.6之間波動，試驗池波動相對較小，全程pH值8.13～8.63，處于更適宜范圍，而對照池多數時間pH小于8(圖3)。

注：1#為試驗池，2#為對照池；*表示P<0.05，**表示P<0.01。下圖同此。Notes：1 # was the experimental pool，2 # was the control pool；* meant P<0.05，* * meant P<0.01.The same as the following figure.

2.2.2 化學需氧量

養殖水體化學需氧量的變化如圖4所示，在試驗過程中，試驗池與對照池水體化學需氧量基本維持一致，最高為19.7 mg/L，最低為12.6 mg/L。

2.2.3 總磷

如圖5所示，試驗池與對照池的總磷變化趨勢相似，但全程低于對照池。檢測峰值均出現在2021年12月7日，試驗池的總磷峰值為892.27 mg/L，對照池峰值1 633.17 mg/L。養殖全程試驗池總磷比對照池低27.00%～45.37%，顯示BFT模式有利于水體中磷的消耗。

2.2.4 活性磷酸鹽

養殖水體活性磷酸鹽含量總體呈上升趨勢，全程維持在0.4 mg/L以下。養殖中后期，試驗池活性磷酸鹽指標比對照池降低36.79%～94.82%。對照池活性磷酸鹽含量顯著高于試驗池(圖6)。

2.2.5 總氮

養殖期間，水體總氮含量呈先升高后降低的趨勢，養殖前期試驗池總氮比對照池稍低，但中期上升較快，中后期顯著高于對照池(圖7)。

2.2.6 無機氮

如圖8所示，養殖起始階段，兩池無機氮含量均為0.1 mg/L左右，養殖過程逐步上升，總體上試驗池無機氮低于對照池。養殖最后階段對照池的無機氮最高達到6.8 mg/L，試驗池比對照池低20.74%。

2.2.7 氨氮

養殖期間，試驗池的氨氮含量呈緩慢平穩上升趨勢，維持在較低水平，最高值僅為0.079 mg/L，遠遠低于凡納濱對蝦的可耐受水平。對照池氨氮含量峰值達到0.294 mg/L，同期試驗池含量僅為0.029 mg/L，比對照池降低90.14%。對照池氨氮含量變化范圍大，水質波動較大(圖9)。

2.2.8 硝酸鹽

硝酸鹽是水體中無機氮的主要成分(占比在85%～90%之間)，其變化趨勢與無機氮完全一致。養殖過程，水體硝酸鹽總體呈上升趨勢，含量在0.086～5.999 mg/L之間，試驗池和對照池差異不顯著(圖10)。

2.2.9 亞硝酸鹽

養殖水體的亞硝酸鹽含量變化如圖11所示。養殖過程中，水體亞硝酸鹽含量出現較大波動，變化范圍在0.01～0.68 mg/L之間，試驗池在養殖后期出現一次快速上升后緩慢下降的現象，對照池在前中期和后期均出現了一次快速上升現象。從5次定期檢測的指標來看，試驗池和對照池亞硝酸鹽指標不同時間都有巨大的波動，相同時間兩池互有高低，不同時間峰值均超過0.60 mg/L，未顯示BFT技術的單向作用。

2.2.10 總異養菌和弧菌含量

水體中的總異養菌數(Total heterotrophic bacteria，THB)和弧菌含量以最大或然數表示，結果如表1所示。第一次檢測的總異養菌密度較大，從第二次檢測節點開始，試驗池和對照池異養菌含量呈先升高后降低趨勢，試驗池的數量值稍高。弧菌密度全程都極低，兩口池無差異。

表1 養殖水體總異養菌和弧菌含量Tab.1 Contents of total heterotrophic bacteria and Vibrio in aquaculture water

2.3 對蝦生長速度及存活率

2.3.1 生長速度

冬季對蝦的養殖周期一般為3～5個月，對蝦生長數據采集是從投苗60 d后開始進行，此時對蝦已經度過快速生長期，可明顯觀察到對蝦生長速度的差異。如圖12所示，在養殖第61 d，試驗池與對照池已出現生長速度的顯著差異(P<0.01)，試驗池平均體長和體質量分別為9.20 cm和8.37 g，對照池對蝦平均體長和體質量分別為8.90 cm與7.61 g，試驗池對蝦生長速度顯著高于對照池；后期的兩次采樣數據顯示，試驗池的生長均快于對照池(P<0.01)。養殖114 d，試驗池平均體質量為20.41 g，比對照池高18.39%。

2.3.2 存活率和餌料系數

對蝦的存活數量以最終產量除以平均體質量計算。試驗池最終產量為1 836.5 kg，平均體質量為20.41 g，存活率為50%，餌料系數為1.07。對照池最終產量為2 132.5 kg，平均體質量為17.24 g，存活率為68.71%，餌料系數為1.19。

2.4 浮游植物監測

養殖過程，試驗池浮游植物種類數量高于對照池，多樣性指數變化較小。養殖前期，試驗池浮游植物多樣性更豐富，多樣性指數比對照池高17.36%；養殖中期出現藍藻暴發現象，對照池多樣性指數下降至2.664，試驗池為3.271，比對照池高22.79%，表明藍藻暴發期間BFT技術有利于維持浮游植物多樣性；養殖后期試驗池多樣性指數略低，但差異不顯著。浮游植物豐度隨養殖時間呈上升趨勢，養殖后期浮游植物暴發性增長，試驗池數量高于對照池。試驗池均勻度指數波動較小，養殖中期對照池均勻度指數顯著降低(表2)。結合浮游植物種類及數量(表3)分析，養殖前期，兩池浮游植物均以綠藻為主、硅藻次之，試驗池硅藻種類比對照池更豐富；養殖中期，兩池均遇到藍藻暴發，以微囊藻屬(Microcystis)為優勢種，兩池的差異主要是硅藻的數量，尤其是翼繭形藻(Amphiproraalata)數量差異較大；養殖后期，兩池浮游植物種類均以綠藻和硅藻為主，葡萄藻為第一優勢種。

表2 浮游植物種類數、豐度及多樣性指數Tab.2 Species，quantity and diversity index of phytoplankton

表3 浮游植物優勢種類及豐度Tab.3 Dominant species and abundance of phytoplankton

3 討論

作為一種高效的生態養殖模式，BFT模式的最大特點是在水體中形成大量的由細菌、藻類、原生動物和顆粒有機質構成的絮凝體，生物絮凝體參與到水生生態系統食物鏈中，負責水生生態系統的初始養分循環過程，生物絮團的形成受到C/N比、水溫、pH值等條件影響[17]。葉繼良等研究表明，絮團的形成還受到水體剪切力的影響，在低剪切力條件下絮團顆粒結構松散、邊緣模糊；在中、高剪切力時，絮團結構緊實、邊緣整齊，絮團粒徑隨剪切力增大而減小[18]。當室外系統暴露在陽光下時，微藻大量繁殖，也會導致水體pH、DO、CO2、氨和絮團懸浮物含量的波動[19]。在錦鯉[20]、草魚[21]等淡水魚室外池塘養殖模式中使用BFT模式，能改善水質條件，在40 m×30 m×1.5 m的聚乙烯內襯池塘中，絮團懸浮物數量可達200～700 mg/L[22]。本項目組在室內養殖桶條件下可成功構建生物絮團[15]，但本次試驗中，室外無內襯池塘中培養出的絮團量較少，可能與該池池底浮泥較多，導致水體渾濁有關，具體原因有待進一步探究。

養殖過程，水體的pH值變化較為穩定，試驗池波動相對較小，全程8.13～8.63處于更適宜范圍；養殖中后期，試驗池活性磷酸鹽含量比對照池降低36.79%～94.82%，總磷含量也顯著低于對照池。水體中的磷是藻類生長的必需元素之一，也是動物必需的常量礦物元素，但過量的磷容易引發水體富營養化。養殖用水中的磷主要來源于飼料、肥料及其他礦物質類添加物，對磷的利用途徑主要是菌類和藻類[23]，其中活性磷酸鹽可被藻類直接吸收同化，是藻類生長繁殖的營養基礎。BFT模式試驗池中異養菌與浮游植物數量均高于對照池，有利于池塘水體中總磷和活性磷酸鹽的去除，該結果與在室內養殖箱[24]和生物反應器[25]中的研究結果一致。此外，養殖過程中，總磷含量從12月7日后呈降低趨勢，其原因可能是：1)養殖過程中使用的石灰水與磷反應生成磷酸鈣沉淀；2)養殖池底泥和浮泥顆粒有吸收磷元素的作用，養殖池底設置的排污泵在養殖后期排出大量污泥，推測這是水體總磷含量降低的重要原因。水體化學需氧量反映了水體受還原性物質污染的程度，也作為有機物相對含量的綜合指標之一，BFT模式對化學需氧量沒有顯著的影響。

總氮為有機氮和氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮等無機氮的總和。殘余餌料、施肥和養殖動物代謝物(糞便)是養殖過程中氮的主要來源。養殖過程中，水體總氮含量先上升后下降，中、后期的試驗池高于對照池；無機氮指標逐步上升，試驗池總體上低于對照池，養殖最后階段對照池最高達到6.8 mg/L，試驗池比對照池低20.7%。在養殖系統中，總氮含量一般呈逐步上升趨勢[26]。氮元素是藻類生長需要的重要元素，在本研究中，養殖后期總氮含量的降低可能與浮游植物的暴發性增長有關。養殖后期，試驗池總氮含量高于對照池，無機氮含量低于對照池，表明BFT模式水體中有機氮化合物累積較多。試驗池的氨氮含量呈緩慢平穩上升趨勢，維持在較低水平，顯著低于對照組；硝酸鹽含量變化趨勢與無機氮一致，總體呈上升趨勢，試驗池與對照池無顯著差異；亞硝酸鹽指標，試驗池和對照池在不同時間都有較大的波動，在相同時間內兩池也互有高低，未顯示BFT技術的單向作用。氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮之間的轉化是養殖池塘水質調控的重點，氨氮主要由殘餌糞便及死亡的浮游動植物分解產生，且冬棚養殖由于棚內密閉，更不利于氨氮的汽化蒸發，因而其是養殖期重點防控的指標之一。絮團中異養細菌以氨氮為氮源、以有機碳為碳源合成自身菌體蛋白，可以有效降低水體中氨氮含量[27]。硝酸鹽是水體中氮轉化的終產物，對水生動物的毒性較小。集約化跑道式養殖系統[28]和BFT系統[29]等養殖模式都會出現硝酸鹽的積累，BFT試驗池硝酸鹽含量與對照池差異不顯著，絮團中異養微生物的同化作用對硝態氮的利用效果有限。亞硝酸鹽是有機物分解的中間產物，對水生動物具有較強的毒性，其濃度達到0.1 mg/L就會對水生動物產生危害，是對蝦養殖水質最重要的防控指標。亞硝酸鹽主要來自于亞硝化作用，主要去除途徑是硝化作用、反硝化作用和藻類吸收，亞硝酸鹽的毒性隨著鹽度的降低而增強[30]。本研究中，養殖前期試驗池的亞硝酸鹽含量維持穩定且顯著低于對照池；養殖后期亞硝酸鹽含量波動較大，可能是在較高的養殖密度條件下，BFT系統中的硝化與反硝化作用不足，而亞硝酸鹽水平受到天氣條件和藻類生長情況變化影響較大，試驗過程中在亞硝酸鹽上升時觀測到陰雨天氣，通過添加反硝化細菌可有效降低水體亞硝酸鹽含量，因此在BFT構建中可適當增加硝化與反硝化功能菌株。研究表明，在成熟穩定的對蝦BFT養殖系統中，適時停止添加有機碳對水體菌群去除TAN和 NO2-N 的效果不產生影響[31]。在高密度養殖環境中，養殖后期投料量大，碳源的投入成本大量提高，且對水質的改善效果不顯著，因此考慮后期停止添加碳源。

從第二次檢測節點開始，試驗池和對照池異養菌含量呈先升高后降低趨勢，結果與中國對蝦[32]和花鰻鱺[33]養殖過程一致，試驗池的數量值顯著高于對照池；弧菌密度全程都極低，兩口池沒有顯著差異。在首次取樣時，異養菌含量數據異常，這可能是受到微生態制劑大量投入的影響。浮游植物是生物絮團顆粒的組成成分之一，養殖水體中浮游植物群落的演變是水質的重要影響因素。BFT模式提高了浮游植物多樣性；養殖中期，試驗池與對照池都出現藍藻暴發現象，BFT模式有利于維持藍藻暴發期間的浮游植物多樣性，主要體現在有利于硅藻的生長繁殖，但對藍藻優勢藻種沒有明顯的抑制效果；養殖后期，浮游植物大量繁殖，可能由于投料量和對蝦排泄物均大量增加，絮團中大量微生物分解有機物，為浮游植物提供了充足的營養，從而促進藻類大量繁殖。

凡納濱對蝦內陸池塘無換水生態養殖模式，養殖技術工藝較為細致。特別是隔茬養殖水自凈后再利用，對水產養殖業節能減排具有重要意義。BFT模式可有效降低氨氮、總磷和非活性磷酸鹽的含量，有利于養殖廢水再利用；可維持養殖水體pH值穩定，提高浮游植物多樣性，提高對蝦生長速度，有效降低餌料系數[34]，有利于維持養殖水質穩定，提升對蝦養殖生態化、健康化和無害化水平，養殖114 d規格達到49 尾/kg，產量12 243 kg/hm2，是一種可行、有效的養殖模式。

本試驗養殖存活率偏低主要是養殖前期受蜻蜓幼蟲侵害，幼蝦損失較多，特別是試驗池蝦苗損耗較嚴重。因此引起的實際養殖密度的差異可能對本試驗結果有一定的影響。大田試驗影響因素較多，結合定性觀察，BFT技術還是有顯著的正面效果。