生物絮团技术研究进展及其对水产养殖的作用解析

关于生物絮团技术研究进展及其对水产养殖的作用解析

　　高密度精养是目前我国最主要的水产养殖方式，其高产量的获得以提高放养密度和增加配合饵料投喂为前提［1 －3］，水产动物对饲料蛋白质的利用率很低，仅为 20% ～25%，多余的有机物质不断积累，产生氨态氮、亚硝酸盐等有害物质，污染水体［4 －5］。研究显示，养殖对虾每增长 1kg，消耗的清洁水源约为 20t，养殖鱼类每增长 1kg，消耗的清洁水源约为 2 ～10t［6 －7］，为此，探索一种新的养殖方式，以期解决水质污染，饵料利用率低等问题具有重要意义。当 前，生 物 絮 团 技 术 ( Biofloc Technology，BFT) 被认为是一种较为有效的水处理技术，不但可以解决养殖过程中出现的水质问题，大大减少换水，还能够提高饵料蛋白的利用率，降低养殖成本，此外，生物絮团技术还具有生物防控作用，可以提高养殖成活率［8 －9］，为养殖业向着高效、安全、清洁、健康发展提供了新的技术支撑。本文将从生物絮团技术在水产养殖中的研究背景、概述、影响因素和对水产养殖的作用几方面进行综述。

　　1、生物絮团技术的研究背景

　　20世纪70年代，由法国太平洋中心海洋开发研究所最早提出生物絮团技术的原型，并实施于斑节对虾( Penaeus monodon) 、凡纳滨对虾( Litope-naeus vannamei) 和南美蓝对虾( Litopenaeus styliros-tris) 的养殖当中［10 －11］; 1982 年，Steve Serfling 设计的生物絮团养殖系统使得罗非鱼 ( Oreochromisniloticus) 的养殖年产量达到 1500t，每 d 仅换水1%［12］; 1999 年，以色列学者 Avnimelech 在罗非鱼养殖过程中，通过向水体中添加碳源控制碳氮比( C/N) ，促进生物絮团形成，显着提高了罗非鱼的成活率，并有效清洁养殖水体，正式系统地提出了生物絮团技术的反应机制理论，极大推动了生物絮团技术的快速发展［13］。

　　2、生物絮团技术概述

　　生物絮团技术是通过向养殖水体中添加碳源提高碳氮比( C/N) ，促进异氧微生物大量繁殖，结合水体中的细菌群落、浮游动植物、有机碎屑等形成絮团，絮团中的微生物群落同化吸收水体中的无机氮和有机碳等，转化而来的菌体蛋白又可作为水产动物的饵料，从而达到净化水质和营养物质再利用的双重目的［14 －17］。

　　3、影响生物絮团形成的因素

　　Avnimelech 等认为，生物絮团技术需要不停地补充碳源、曝气和搅动水体，消耗氧气以促进微生物的生长并使得絮团悬浮于水体中，同时需要投入适合的 C/N，以调节水质［13，18 －19］。因此，在水产养殖中，主要的影响因素有以下几种:

　　3．1、碳氮比( C / N)

　　碳氮比( C/N) 指水体中总有机碳与总溶解态氮的比值，对生物絮团的形成至关重要。研究发现当 C/N 低于 10 时，水体中水体中自养微生物和异氧微生物共同作用，异氧微生物主要利用有机氮源，使氨氮增加; C/N 大于 10 时，异氧微生物发挥主要作用，利用水体中的无机氮，消耗氨。所以理论上，碳氮比越高，残留的氮越少，然而，浮游植物的生长也需要无机氮，因此需要研究最适合的碳氮比，既能降低氨态氮又不影响浮游植物的生长繁殖［20 －22］。一般，异氧微生物自身元素组成碳氮比约为 4 ～5，当同化一份氮需要消耗 4 ～5 份有机碳，而微生物利用有机碳的同化效率约为 50%，假设碳水化合物中碳含量为 50%，那么根据公式:

　　微生物需要碳 = 碳水化合物 × 碳水化合物含碳量( %) × 转化率得出异氧微生物每同化水体中 1 份氮，需要消耗的碳水化合物约为 16 ～ 20 份［16，20 －21］。只有提供足够的碳源，才能实现自养微生物系统向异氧微生物系统的转变，才有可能形成生物絮团。

　　3．2、有机碳源

　　异氧微生物利用水体中的有机碳源和氮，实现自身繁殖，研究表明，1g 碳水化合物约能产生 0． 4g细菌干细胞［21］。养殖水体一般有机碳源不多，需要额外添加。常用碳源有简单碳水化合物: 葡萄糖、蔗糖、果糖、糖蜜等; 复合碳水化合物: 米糠、淀粉、木薯粉、麦麸等谷物。碳源的选择需结合实际需要，且不同的碳源类型不但影响水体微生物的种类，也会导致污泥出现不同的底物代谢特性［23 －24］。

　　3．3、曝气和搅拌

　　通过曝气和搅拌来提供充足的溶解氧是异氧微生物生长繁殖所必需的，且对絮团的形成至关重要，其次，曝气和搅拌可以使生物絮团悬浮，不沉积，不形成死角。Wilen ＆ Balme 发现高溶氧条件下，生物絮团结构更稳定，作用活性更加强大［25］。另有研究显示，对虾养殖池塘需要配备 15KW/hm2功率的充氧装置，而在集约化罗非鱼养殖池塘需要配备75KW / hm2功率的充氧装置［26］。

　　4、生物絮团技术对水产养殖的作用

　　4．1、生物絮团技术实现养殖水体自主清洁

　　生物絮团技术实现养殖水体自主清洁的关键在于絮团对氮元素的循环利用。养殖系统中，养殖生物新陈代谢，残饵和粪便不断积累，氨氮、亚硝酸氮等物质不断积累，导致水质不断恶化。生物絮团能够实现三种途径同时作用处理氨氮: 藻类的光合吸收作用; 自养微生物的硝化作用; 异氧微生物的同化作用。在有充足有机碳源和适合C / N 比条件下，异氧微生物最先利用氨氮，2006年，Hargreaves 等发现异氧微生物形成的生物絮团对氨氮的转化速率高于水体中硝化细菌作用速率，可以快速降低水体中的氨氮浓度［18］。

　　4．2、生物絮团技术实现水体中营养物质再利用

　　饲料中约 10 ～20% 的氮未被养殖动物摄食直接溶解到养殖水体中，约 75 ～80%的氮以粪便和代谢物的方式排入水体，仅有约 20 ～25%的氮被养殖动物吸收，用于生长［17］。1995 年，Moss ＆ Pruder 研究发现，生物絮团可以被养殖生物食用，减少了饲料投喂量［27］。2007 年，Avnimelech 用 15N 标记证实生物絮团技术节约罗非鱼生长过程近 50＆ 的饲料蛋白［28］。Burford 等用15N 标记，研究发现，凡纳滨对虾日常摄食的 18 ～ 29% 的 N 来源于生物絮团［29］。絮团的干物质中，粗蛋白质的含量超过50% ，粗脂肪含量为 2． 5% ，纤维含量为 4% ，灰分为7% ，是杂食性和滤食性鱼类较好的饵料［16］，且生物絮团包括多种生物活性物质，如叶绿素、胡萝卜素、氨基糖等，均能增强养殖动物的生理健康水平。

　　4．3、生物絮团技术实现对养殖生物的生物防治

　　研究显示，应用生物絮团技术可以提高养殖生物的成活率，具有生物防治的作用。Crab 等用甘油作碳源，形成的生物絮团可以抑制哈维氏菌［30］。Defoirdt 等( 2005) 研究发现，生物絮团可以降低发光弧菌对卤虫的感染率，提高卤虫成活率从而减少其对养殖动物的危害，减少疾病的发生［31］。生物絮团中微生物与病原菌竞争生存空间、营养物质，从而抑制病原菌的生长和繁殖。

　　5、需要注意的问题

　　任何技术都不能完美，生物絮团技术也有一定的弊端。添加有机碳源会极大地促进异氧微生物增殖，形成大量细菌污泥，如果不能很好控制，将会影响养殖生物的正常生长。养殖系统中大量的微生物呼吸需要充足的溶解氧，以及外力保持絮团的悬浮，絮团越多需要的溶解氧越多，研究显示，悬浮颗粒物浓度控制在200 ～500mg/L，足以维持系统运转，当悬浮颗粒物浓度在100 ～300mg/L 范围内，养殖动物摄食活性最佳［32 －33］，所以在应用生物絮团技术时，需要及时移除过多的絮团颗粒，以防超出系统负荷。在系统中硝化类细菌发展成熟并稳定后，可以停住有机碳源的添加，系统自然转变为自养微生物为主的养殖模式，且氨氮、亚硝酸氮不会激增。

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