生物膜水質修復技術處理水產養殖廢水的研究進展

李志斐，王金林，郁二蒙，王廣軍，謝 駿

（中國水產科學研究院珠江水產研究所，農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室，廣東 廣州 510380）

生物膜水質修復技術處理水產養殖廢水的研究進展

李志斐，王金林，郁二蒙，王廣軍，謝 駿

（中國水產科學研究院珠江水產研究所，農業部熱帶亞熱帶水產資源利用與養殖重點實驗室，廣東 廣州 510380）

生物膜水質修復技術是利用附著生長于某些基質表面的微生物進行水質修復的一種方法。介紹了生物膜水質修復技術在水產養殖中的應用情況，闡述了生物膜的形成過程以及影響生物膜形成的因素，包括基質類型、放置密度及水體C/N等，并探討了生物膜處理養殖廢水對池塘生態環境和水產產量的影響。最后，展望了生物膜水質修復技術在水產養殖領域的應用前景和未來研究趨勢，并指出生物膜技術是一種提高水產產量、凈化水體、減少養殖廢水排放的有效方法。

生物膜；水產養殖；水質修復；密度；綜述

水產集約化養殖過程中，由于養殖密度大、餌料投入量高等易引發水質惡化、病害頻發等問題，目前主要的處理方法是大量換水，由此產生了大量的養殖廢水。這些廢水直接排放到臨近水域，導致污染擴散、水環境惡化、水域富營養化等一系列問題[1]。為了降低水產養殖帶來的環境污染，確保水產養殖業健康可持續發展，迫切需要尋求一種處理養殖廢水的技術。研究發現，在集約化養殖過程中引入生物膜水質修復技術，能較好地凈化養殖廢水[2-4]，為水產生態友好養殖提供了一條新途徑。

研究表明，生物膜可以改善養殖水質，通過聚集養殖水體中的固體懸浮物、有機質、細菌、藻類和原生動物等，吸收、同化水體中的游離態氮，轉化為養殖動物可以重新吸收利用的蛋白來源，有效降低養殖水體中的氨氮含量[5]。Huang等[6]在南美白對蝦集約化養殖池塘中應用生物膜的原位水質修復技術，發現生物膜的使用能顯著降低養殖水體中的氨氮含量。其次，生物膜還能為養殖動物提供額外的天然餌料，降低飼料系數，提高養殖產量[7-8]。Haque等[9]在羅氏沼蝦的集約化養殖中應用生物膜的原位水質修復技術，發現由于生物膜為對蝦的生長提供了額外的天然食物，獲得了比傳統高密度養殖更好的養殖效果。夏耘等[10]在草魚高密度養殖池塘中，使用生物膜原位水質修復技術，發現生物膜的應用有效促進了草魚的生長，降低了飼料系數。筆者就近幾年生物膜水質修復技術在水產養殖中的應用效果作簡要綜述，以期為生物膜水質修復技術的推廣應用提供參考。

1 生物膜的概念

總體來講，生物膜是一種復雜的微生物聚集體，除了水和細菌以外，還含有細菌分泌的胞外聚合物、吸附的營養物質、代謝產物及細菌裂解產物等[11]。環境中的細菌首先在基質載體上附著，隨后細菌會分泌大量粘性胞外聚合物，胞外聚合物促使細菌大量生長繁殖，不斷吸收環境中的營養物質，又不斷產生新的代謝產物，其中死亡的細菌裂解之后也會產生一些物質，以上這些物質和細菌一起逐漸形成一類聚集體，即生物膜，廣泛存在于自然界中[12]。

2 生物膜的形成

單一菌種可以形成生物膜，多菌種也可以形成生物膜。單一菌種形成的生物膜為均質生物膜，多菌種形成的生物膜（自然界大部分都是的）為蘑菇云形態的生物膜。在“蘑菇云”生物膜中，不同時間空間條件下細菌間經常交替演變。Houdt等[13]觀察發現，生物膜的形成過程是動態的，過程大體包括細菌起始粘附、生物膜粘附期、生長期、成熟和脫落期等階段，而附著細菌在生物膜形成過程中的生理生化特性也是動態變化的。

（1）粘附期。George等[14]在研究細菌生物膜形成的過程中，發現粘附是細菌形成生物膜的第一步，浮游細菌首先粘附到基質表面，基質表面生物膜開始形成，這個階段很多菌體還可以重新進入浮游生活狀態，也就是說粘附這一過程是可逆的。

（2）生長期。細菌在基質載體上附著后，開始大量生長繁殖并分泌大量胞外多聚物，此時細菌對基質載體表面的粘附是穩定的、不可逆的。胞外多聚物可粘結單個細菌而形成細菌團塊，即大量微菌落的不斷堆積使生物膜加厚。

（3）成熟期。Sauer等[15]在分析銅綠假單胞菌生物膜形成過程中的多個表型時發現，成熟的生物膜具有復雜的組織結構。在激光共聚焦顯微鏡下，自然形成的成熟生物膜是非均勻的，它由堆狀或類似蘑菇云狀的細菌群落組成，在這些細菌群落之間存在大量的“通道”，可以把代謝產物、營養物質和排出的廢物等運送到生物膜的各處。

（4）脫落期。Stoodley等[16]在論證成熟生物膜中細胞簇的生長和脫落時認為，成熟生物膜會通過部分脫落或者釋放浮游細菌等方式進行擴展，細菌重新以脫落或釋放的方式進入水體環境中，并形成新的浮游細菌，進而再次在基質載體上附著形成新的生物膜。

3 影響生物膜形成的因素

3.1 基質類型

在水產養殖環境中，不同類型的基質都可當作生物膜的載體使用，用于改善養殖水質，提高養殖品種的產量，如竹子、尼龍網、聚氯乙烯（PVC）管、塑料、阿科蔓生態基和人工聚合物等，不同基質對養殖品種的增產效果見表1。Keshavanath等[17]在研究人工基質對淡水草食性魚類養殖池塘產量影響時，分別利用竹子、聚氯乙烯管和甘蔗渣作為生物膜形成的基質載體，發現基質類型對藻類的初級生產力及組成有極其顯著的影響，其中以竹子為基質的養殖池塘，魚類的生長最好，凈產量和藻類生物量最高。Azim等[18]在鯪魚混養系統中，比較了竹子、黃麻等人工基質對孟加拉國淡水池塘漁業的增產效果，發現使用黃麻作為基質的養殖池塘，養殖效益顯著高于其他處理。Khatoon等[19]在半咸水對蝦養殖池塘中分別使用竹子、塑料片、PVC管、纖維刷和瓷磚作為生物膜形成的基質載體，發現基質類型對細菌生物膜的定植生長有明顯的影響，其中以竹子為基質，其表面附著生物量最多，PVC管次之。由此可見，不同環境下，基質類型對生物膜形成的影響不同，要為微生物的定植生長找到一個合適的基質，才能提高養殖池塘的產量。

3.2 基質掛設密度

基質懸掛密度是根據實際養殖情況而定的。Azim等[29]在放養了適宜密度南亞野鯪的土塘中，以竹子作為基質載體，按基質表面積與池塘水體表面比值將試驗分為4個處理組，分別為無基質（對照組）以及基質表面積分別占池塘水體表面積50%、75%和100%的3個處理組，結果表明，總凈產量與基質密度呈線性相關（R2=0.93），基質表面積分別占池塘水體表面積為50%、75%和100%的處理組相對于對照組分別增產114%、168%和209%。然而由于基質本身的遮光效果，容易引發附著生物膜的脫落，尤其是非藻類的懸浮固體，導致水體渾濁，影響水體透明度，最終研究得出的結論：池塘產量隨著基質表面積的增加而呈線性增加，基質掛設量為覆蓋池塘水面面積100%的池塘增產最好。Pinho等[30]將基質掛設密度與養殖密度關聯在一起，研究基質掛設密度和放養密度對小鋸蓋魚生長和健康狀況的影響，發現在不同放養密度下，掛設基質沒有影響小鋸蓋魚的生長。

表1 不同基質類型對養殖品種產量的影響

3.3 水環境C/N比

在養殖系統中，細菌及藻類是氨氮化合物的主要吸收與轉化者[31]。但是，細菌將養殖水體中的氨氮化合物轉化為菌體成分這一過程只發生在C/N大于10的環境中[32-33]。養殖過程中使用蛋白含量為30%的商品飼料，其C/N約為10︰1，而隨著飼料中蛋白質含量的增加，C/N將逐漸降低。因此，外源碳源添加量將大大限制生物膜中細菌的生長繁殖，從而制約細菌對氨氮化合物的吸收降解，導致氨氮化合物濃度升高，影響生物膜對養殖水質的修復。Asaduzzaman等[21]在生物膜系統中混養羅非魚和羅氏沼蝦，將木薯粉作為碳源添加到養殖池塘中調節碳氮比，以不添加碳源的生物膜系統作為對照，結果發現，與對照相比，碳源處理組的總異養細菌數量顯著增加，水體中氨氮濃度顯著低于對照組。Haque等[10]將玉米粉當作碳源，在生物膜系統中混養羅氏沼蝦和尼羅羅非魚，研究添加碳源對混養系統池塘的生態環境和產能的影響，發現使用玉米粉提高C/N比（20︰1）可顯著提高混養系統中養殖水體的總異養細菌量和淡水蝦產量。

3.4 其他影響因素

生物膜的形成過程與其所在的水體環境密切相關。Bryers等[34]認為，生物膜形成過程中，溫度、pH值、離子強度等環境條件以及微生物生長的營養條件等都會影響細菌細胞表面的組成及胞外特性，從而影響細菌與細菌以及細菌與載體的粘附，對生物膜的形成產生影響。此外，戚韓英等[35]在研究生物膜形成機理及影響因素時認為，影響水體中生物形成的因素包括基質材料性質和細菌細胞表面物化性質2個方面。

4 生物膜的應用研究

4.1 生物膜對池塘生態環境的影響

生物膜原位修復技術，去污能力強、維護成本低，已被廣泛應用于養殖水體的修復領域[20-25]。生物膜水質修復技術能夠有效地降低污染水體中的氨氮濃度，使水體中的氨氮保持在較低水平。這是因為生物膜上附著生長的藻類和細菌是養殖水體中氨氮化合物的主要吸收者和轉化者[31]；其中，藻類通過光合作用，吸收氨氮轉化為藻類自身組成成分，或者將其轉化為氨基酸釋放到周圍環境中[36]；氮循環細菌（如亞硝化細菌、硝化細菌和反硝化細菌）通過一系列協同作用將氨氮以氮氣的形式排出養殖系統；異養細菌通過同化作用，吸收氨氮轉化為細菌的菌體組成成分[37]。通過這3種途徑，達到共同降低養殖水體中氨氮水平的目的。Carlos等[38]以阿科蔓為生物膜附著基質，研究了生物膜對凡納濱對蝦幼體生長及水質的影響，他認為在養殖水體的生物修復過程中，不同的微生物群落可能共同作用于養殖系統，促進養殖水體中的氮轉化，如浮游植物的自養作用（藻類為主）、自養和異養細菌的同化作用等共同影響水質參數（包括氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽含量）。

其次，生物膜有助于降低養殖系統中的含磷化合物含量。在水環境生物膜系統中，可通過2條途徑去除水體中的磷。一方面，游離的細菌、藻類和水生植物可吸收磷。Mccormick等[39]研究表明，無論是附著在基質中還是游離在水體中，生物藻類對磷的吸收均有天然的親和力。細菌和藻類被底棲動物或魚類所攝食后，最終被固定在魚體內，將磷從水中去除。另一方面，生物膜上附著的細菌（例如聚磷菌）也可高效吸收水體中的磷，并將其同化為自身結構或轉化為穩定的礦化組織[40]，伴隨著生物膜的自然剝落沉積在底泥中。生物膜較大的表面積，對水體中有機物也具有一定的吸附作用。隨著生物膜的生長，微生物量逐漸增大，大量消耗水體中的有機質，降低水中的COD含量[41]。

4.2 生物膜對池塘產量的影響

在利用生物膜水質修復技術進行魚類養殖的過程中，魚類產量因基質類型、養殖模式、環境因素等影響而變化[23]。研究顯示，生物膜上的微生物群體能有效去除魚類及蝦類養殖池塘廢水中的氨氮[9]。應用生物膜凈化之后得到的低污染水體，能在低成本及低能量消耗的情況下提高水產養殖產量，促進養殖品種的生長、提高飼料轉化率及成活率[42]。Bratvold等[43]以阿科蔓生態基為基質材料，在凡納濱對蝦集約化養殖池塘中，研究了生物膜對養殖水質、產量及微生物群落的影響，發現生物膜可顯著提高對蝦的個體均重、存活率及養殖產量。Asaduzzaman等[21]以竹子為生物膜載體，研究了生物膜對羅氏沼蝦養殖池塘生態及產量的影響，發現生物膜的使用可顯著減少無機氮化合物在水體中的累積，平衡浮游生物的數量，最大限度地提高對蝦的成活率及產量。Tidwell等[26]以塑料為生物膜載體，研究了生物膜對羅氏沼蝦養殖池塘產量的影響，發現有生物膜的池塘比沒有生物膜的池塘產量提高了29%。然而，Weerasooriya等[44]以阿科蔓生態基為生物膜載體，并將其應用于尼羅羅非魚幼苗養殖時發現，生物膜的使用并沒有促進尼羅羅非魚幼苗的生長，也沒能提高其產量，且在投喂餌料的情況下生物膜的應用還降低了尼羅羅非魚幼苗的產量和成活率。Arndt等[45]在虹鱒養殖試驗中發現生物膜沒有促進虹鱒個體生長和虹鱒鰭條的生長，只有在養殖中期才對虹鱒鰭條的生長有短暫的促進作用。由此可見，利用不同基質作為生物膜的載體，對養殖系統產生的影響不同，但總體上看生物膜技術對魚類養殖產量有一定的提高作用。

5 展 望

集約化水產養殖環境是一種特殊的生態系統，由于不斷地外源輸入投餌、施肥等，導致養殖水體氨氮急劇增加，超出了水體的自我凈化能力，而采用換水的方法又極易對周圍環境造成污染。生物膜水質修復技術，由于其良好且穩定的水質改良效果，在將來水質凈化再利用方面，具有很好的推廣應用前景。然而，目前雖然國內外學者對生物膜的機理和作用做了大量研究，但許多機制方面的研究還不成熟，生物膜內物質循環、生物膜的群落結構和功能以及影響生物群落的物理化學和生物學因素等方面的研究有待繼續深入探索。

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（責任編輯：成 平）

Research Progress of Biofilms Bioremediation Technology in Aquaculture

LI Zhi-fei，WANG Jin-lin，YU Er-meng，WANG Guang-jun，XIE Jun
（Key Laboratory of Tropical & Subtropical Fishery Resource Application & Cultivation, Ministry of Agriculture, Pearl River Fishery Research Institute, Chinese Academy of Fisheries Sciences, Guangzhou 510380, PRC）

The bioflms bioremediation technology has been applied to protect ecological environment and decrease water pollution. The application of bioflms bioremediation technology in aquaculture has been introduced, including the effects of bioflms on the production and water quality. And the main infuencing factors of bioflm formation, including the type and density of substrates and C/N ratio, have been analyzed. Finally, the applying prospects of bioflms bioremediation technology in the aquaculture are summarized, and the bioflm technology probably can be considered as an effective method for increasing production of aquatic animals, improving water quality, reducing the emissions of pollutants in aquaculture.

bioflm; aquaculture; bioremediation; density; review

X524

：A

：1006-060X（2017）06-0111-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.006.032

2017-04-18

廣東省自然科學基金（2015A030313699）；廣東省省級科技計劃（2016A020210023）；公益性行業（農業）專項（201203083）

李志斐（1983-），男，河南內黃縣人，助理研究員，主要從事池塘養殖環境修復研究。

謝 駿