生物絮團中微生物群落的功能、結構及其調控研究進展

羅婉儀，雷澤湘，李義勇

（1仲愷農業工程學院資源與環境學院，廣州510225；2廣東省農業產地環境污染防控工程技術研究中心，廣州510225；3仲愷農業工程學院健康養殖創新研究院，廣州510225）

0 引言

中國水產養殖業歷史悠久，是世界上最早實施水產養殖的國家，也是世界上唯一一個人工養殖量超過天然捕撈量的國家[1]。在人工養殖過程中，養殖戶向養殖水體投加大量飼料，但因養殖動物的利用率較低，大量殘剩飼料和糞便在水體中積累，產生大量氮污染，造成水質惡化，使養殖水體環境面臨日益惡化的挑戰[2]。為解決水產養殖水質惡化等問題，生物絮團技術(Biofloc Technology，BFT)[3]被引入其中。BFT是一種限制水體交換，通過向養殖系統中添加有機碳源，調節水體中的碳氮比(C/N)，促進水體中異氧細菌的繁殖，進而調控水質的新興生態型水產養殖生產模式。該技術可凈化養殖水體水質、減少換水次數、為養殖動物提供餌料蛋白源、降低飼料系數，并對養殖動物具有一定的生物防治作用[4-6]，目前，BFT在國內的應用已由試驗階段過渡至中試規模的養殖試驗[7-8]。

生物絮團是BFT的核心，是養殖水體中以異養微生物為主，通過生物絮凝作用將水環境中的有機質、原生動物、藻類與絲狀菌等結合而成具有不規則外形的絮狀懸浮物[9-11]。生物絮團主要由不同的微生物菌群組成，它們在水產養殖中扮演著分解者和生產者的角色，也是其他營養水平較高的生物的食物來源，微生物菌群在物質循環、水質調節、疾病控制與維持生態系統穩定等方面發揮著不可磨滅的作用[12-16]。生物絮團中的微生物種類復雜多樣，同時存在有益微生物和有害微生物，若通過調節有益微生物的種類和數量，使其在養殖水體中占主導地位，減少有害微生物的占比，即可強化生物絮團的功能，從而有利于BFT在養殖生產中的推廣應用。另外，外界環境因素容易對生物絮團中的菌群種類及功能造成影響[17]，致使不同時間區域的生物絮團養殖模式的生物絮團的構成具有差異性，使其難以定性定量分析。可見，深入探究生物絮團中的微生物群落結構，對其特征及多樣性進行分析，有助于進一步了解BFT的本質，也有助于其后續的人工調控。因此，本文以微生物群落為視角，總結歸納了生物絮團的功能、生物絮團的結構和生物絮團的人工調控等三個方面的研究成果，為BFT的發展與應用提供參考。

1 生物絮團的功能

生物絮團具有多重功能，其中主要功能包括凈化養殖水體、實現養殖對象的生物防治和提高飼料利用率等。

1.1 凈化養殖水體

水產養殖過程中，養殖對象的糞便及大量殘剩飼料含有較高的氮，當這些物質在水體中不斷積累，超出養殖水體的自然硝化作用，會導致氨氮和亞硝酸鹽氮等有害氮素在養殖水體中蓄積，當濃度達到一定程度會對養殖對象的生長發育造成影響，嚴重時會造成死亡[18]。BFT通過向養殖系統中添加有機碳源，調節水體碳氮比，促進水體中異氧菌的繁殖，異氧菌能直接吸收水體中的有害氮素并將其轉化為自身菌體蛋白，再通過被養殖動物攝食，從而將氮素從養殖水體中去除，起到凈化水質的作用[19]。異養菌生長代謝能力強，其同化氨氮的速度約為硝化細菌的10倍[20]，有研究表明，在C/N為10時，10 mg/L的氨氮能在5 h內完全被生物絮團內的微生物同化，使氨氮得以完全去除，而不會產生硝酸鹽和亞硝酸鹽[21]。胡修貴等[22]從對蝦生物絮團養殖系統中篩選出了食物鹽單胞菌和勝利鹽單胞菌兩株具有高氨氮轉化率的菌株，發現當C/N達到28時，食物鹽單胞菌對氨氮的去除率達到85.53%；當C/N為21時，勝利鹽單胞菌對氨氮的去除率高達90.7%。生物絮團作為微生物豐度和多樣性都較高的菌群聚合體，具有不同脫氮功能的菌體，能有效轉化養殖水體中的有害氮素，達到凈化養殖水質的目的。

1.2 實現養殖對象的生物防治

與傳統養殖模式相比，BFT因換水量少，切斷了致病菌通過換水進入養殖水體的通道，有效降低外源致病菌入侵養殖水體的可能性，降低了養殖對象的患病率，保護了養殖對象。同時，生物絮團上的益生菌與弧菌等病原菌爭奪生長所需的營養元素，及爭奪養殖對象體表上的生態位點，從而抑制病原菌增殖，起到了生物防治作用[23]。高磊等[24]研究發現當碳氮比控制在10以上時，水體中的芽孢桿菌和乳酸菌對弧菌的生長有明顯的拮抗作用。此外，生物絮團中的假單胞菌、芽孢桿菌等細菌可產生聚-β-羥基丁酸(PHB)等可提高養殖對象抵抗病毒能力的物質，降低受細菌感染的可能性[25]；絮團中細菌及藻類的某些胞外代謝產物可造成病原菌的群體感應紊亂，促使毒性信號分子失活，保護了養殖對象的生長穩定[26]。可見，生物絮團通過阻斷病原菌進入養殖系統、競爭病原菌的營養與生態位點、發揮拮抗作用、供給活性物質提高養殖動物免疫力、及產生代謝物誘導病原菌失活等綜合效應，實現了對養殖對象的立體保護。

1.3 提高飼料利用率

生物絮團中的異養菌能將水體中的有害氮素轉化成自身菌體蛋白，經過養殖動物對絮團顆粒的攝食，降低飼料系數，節約養殖成本[8]，為養殖系統提供了一個額外的廉價飼料供應源。Avnimelech等[27]曾以13C為標記，探究生物絮團的可食性，發現經細菌轉化后的絮團成分最終在羅非魚的組織中富集。進一步將BFT應用于羅非魚養殖系統中，發現飼料利用率達到45%，飼料系數顯著下降[3]。隨后，Burford等[28]用15N追蹤對蝦攝食絮團的情況，發現對蝦日常攝食中的氮有18%～29%來自于絮團。可見，生物絮團中的碳素和氮素都實現了循環利用，最終提高了飼料利用率。

2 生物絮團的結構

生物絮團中的微生物是其發揮特定功能的決定因子，而微生物群落結構的改變影響著生物絮團的功能。Crab等[29]較早研究了羅非魚雜交種越冬池塘中的絮團菌群變化情況，并采用PCR-DGGE技術構建DGGE圖譜，分析了微生物群落結構的相似性。該研究雖未對生物絮團的微生物種類進行鑒定分析，但為生物絮團群落結構的研究奠定了基礎。自此，養殖水體中的生物絮團的菌群結構受到學者的廣泛關注。

2.1 生物絮團形成過程分析

夏耘等[30]研究了草魚養殖系統中生物絮團培育的第5、10、15天的菌群結構的變化過程，結果顯示，生物絮團培養過程中的主要優勢菌為α-變形菌綱、放線菌綱、芽孢桿菌綱和擬桿菌綱，且不同時段的特異菌均不同，培育第5天出現氣單胞菌、土壤桿菌和食酸菌；培育第5～10天為β-變形菌和擬桿菌；培養到第10天出現芽孢桿菌；培養到第15天出現特異菌紅球菌屬。據此，可將生物絮團的形成分為三個階段：0～5天為開始階段，5～15天為形成階段，15～30天為穩定階段[31]。盛建海[32]利用高通量測序分析凡納濱對蝦養殖系統中生物絮團形成初期（0～15天）的菌群結構，發現主要優勢菌門為變形菌門和厚壁菌門；主要菌綱為γ-變形菌綱、芽孢桿菌綱、β-變形菌綱和α-變形菌綱；優勢菌屬為微小桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、不動桿菌屬、假單胞菌屬和Ramlibacter。生物絮團正是依靠著豐富的微生物菌群及其協同與競爭作用，最終形成穩定的生態位群落結構，使其功能得到穩定發揮，使該技術受到了水產養殖業的信任和青睞

2.2 優勢菌種分析

Zhao等[33]分析了日本囊對蝦養殖系統中形成的生物絮團菌群，發現絮團中主要菌群為變形菌和芽孢桿菌，而芽孢桿菌成為優勢菌可能是與該養殖過程中添加了枯草芽孢桿菌類益生菌劑有關。楊章武等[34]在凡納濱對蝦育苗系統中培育生物絮團，發現絮團主要優勢菌為擬桿菌門和變形菌門。廖栩崢等[35]在室外構建凡納濱對蝦生物絮團養殖池，發現絮團在門水平上，變形菌門占比最高，藍細菌門占比最低，而在科水平上，紅桿菌科占比最高。任利華等[15]發現仿刺參苗種培育池中生物絮團的優勢菌群為黃桿菌綱、α-變形菌綱和芽孢桿菌綱，其中，黃桿菌綱是該水體中的絕對優勢菌群。可見，當前關于生物絮團優勢菌種的解析仍大多數停留在門和綱的水平，深入到種屬水平的報道較為有限。更深層次地了解絮團中的優勢種屬及其特定功能，特別是掌握絮團中的優勢種屬的變化規律，將有助于準確評估生物絮團性能，提高其在養殖系統中的應用效果，并為對其實施精準的人工調控奠定基礎。

3 生物絮團的人工調控

養殖環境條件既能直接影響養殖對象的生理狀態，也能對養殖系統中微生物群落結構造成重大影響，而后者又會對前者造成間接影響。通過改變碳源類型、碳氮比、溫度、pH和溶解氧等條件，可以實施對微生物群落結構的人工調控，使之朝著有利于養殖對象健康生長的方向發展。

3.1 碳源種類的人工調控

生物絮團中異養微生物的生長繁殖依賴于養殖水體中的氮素與所添加的碳源。不同類型的碳源不僅可以影響生物絮團的形態，而且在更深層次上決定生物絮團的群落結構及其穩定性[36-37]。Wei等[38]比較了葡萄糖、淀粉和甘油等3種碳源對絮團微生物群落結構及多樣性的影響，發現3種碳源培育的絮團優勢菌門均為變形菌門與擬桿菌門，且淀粉組的優勢菌有藍藻細菌。張哲等[39]比較了葡萄糖、淀粉和蔗糖等3種碳源的影響，也發現優勢菌均為變形菌門和擬桿菌門；同時，使用生物絮團飼養對蝦有利于提高其存活率，且葡萄糖組的對蝦成活率最高。研究還發現，部分類型的碳源可抑制致病菌的侵害[9]。例如：向養殖水體中投加蔗糖、木薯渣和酶解木薯渣等培育生物絮團，發現酶解木薯渣組絮團中的益生菌相對豐度比另外兩組高，且在對蝦腸道中前10個優勢菌種中致病菌所占比例較另外兩組低，說明以酶解木薯渣作為碳源既有利于益生菌的繁殖，又有效抑制致病菌，促進了對蝦健康生長[40]。可見，選擇合適的碳源有助于實現對生物絮團的正向調控，提高養殖效率。

3.2 碳氮比的人工調控

碳和氮是微生物生長所需的基本元素，兩者的水平直接影響了微生物的生長繁殖能力[20]。生物絮團的核心是通過調控水體中的碳氮比，人為控制生物絮團的形成[41]。研究表明，碳源利用率與氨還原能力之間的關系取決于系統中合適的C/N平衡，非洲鯰魚系統中去除營養性污染物的最佳C/N為15，此時水體中氨氮的去除率達到98.7%，且生物絮團濃度達到92.5mL/L[42]。通過建立模型，得出當養殖水體中碳氮比為15.75時，有利于異養微生物的繁殖，促進微生物合成菌體蛋白，有效降低養殖水體中氨氮和亞硝酸鹽氮濃度。研究認為，不同C/N時，去除養殖水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮所依靠的主力軍有所不同；當養殖水體中的C/N較低時，主要通過自養微生物及浮游藻類；當C/N為8～10時，主要依靠自養微生物和異養微生物的共同作用；當水體中的C/N＞15時，主要是異養微生物為主導[3]。研究還發現，隨著養殖時間的延長，不同C/N水平下養殖水體中的優勢菌群及其含量的差異越來越明顯[43]。值得指出的是，高磊等[20]結合益生菌和致病菌進行研究，發現較高C/N水平有利于芽孢桿菌和乳酸菌的生長，有效抑制了弧菌生長。Panigrahi等[44]研究也獲得了類似的結論。可見，選擇合適的碳氮比是實現生物絮團正向調控的又一關鍵性因素。

3.3 溫度的人工調控

溫度會影響各種微生物的生長代謝，從而對微生物群落結構造成影響[45]。羅金飛等[46]研究了水體溫度（18、22、26、30和32℃）對擬穴青蟹循環水養殖系統微生物群落結構的影響，發現各溫度水體在門水平上的優勢菌種相同，均為變形菌門和擬桿菌門，但各溫度下的相對豐度有所差異，即在30℃下變形菌門相對豐度最高，在26℃下最低，而擬桿菌門與之相反，在30℃下相對豐度最低，26℃下最高，且認為水溫是通過影響養殖水體中的營養鹽含量而改變了水體中的微生物群落結構。王志寶等[47]則認為水溫影響了生物絮團中中肋骨條藻等構成藻的生長，進而在很大程度上決定了生物絮團的基礎維度，即生物絮團的發育與形成，但具體作用機制有待進一步研究。

3.4 pH的人工調控

在生物絮團系統中，堿度和pH下降是一個不可避免的問題。在生物絮團形成過程中，異養細菌的同化作用及硝化細菌的硝化作用都需要利用氨氮化合物，消耗大量的堿度，所產生的CO2溶于水造成水體pH下降；另外，硝化作用的過程中會產生酸性代謝物，也進一步促使水體pH下降；而生物絮團系統在運行過程中為零換水或少換水狀態，必然導致養殖水體pH明顯下降，進而會抑制異養菌和硝化菌的功能，使水體中氨氮積累，造成水質惡化[48]。有學者[49-50]比較了pH 6.5、7.5、8.5對生物絮團氨氮轉化效率的影響，均發現pH 6.5組的氨氮向有機氮轉化效率顯著低于pH 7.5和pH 8.5組，說明pH對絮團的氮素轉化效率有顯著影響。Zhang等[51]利用碳酸氫鈉調節養殖水體至pH 7.6和pH 8.1，比較未調控水體pH及調控后對南美白對蝦絮團系統的生物絮團活性物質積累和對蝦生長的影響，發現調控pH后的絮團系統中PHB含量顯著高于未調控組，且pH 8.1組的PHB含量最高；同時，pH 8.1組的對蝦生長情況優于其他兩組。可見，pH值會影響生物絮團的氮素轉化和胞內物積累，從而影響養殖對象的生長。

3.5 溶解氧的人工調控

生物絮團中異養微生物生長通常需要氧氣，但不同微生物種類對溶解氧濃度的適應能力有所不同，導致不同溶解氧條件下存在不同的微生物菌群結構[52]。王朋等[53]探究了循環水養殖系統中溶解氧濃度對微生物群落的影響，發現當日均溶氧濃度達到2.5 mg/L時，微生物菌群豐度能達到最高水平。同時，溶解氧水平還會在一定程度上影響微生物菌群的有機物去除效率。當溶解氧濃度過低時，不利于硝化作用的進行，容易導致氨氮積累，造成水體富營養化，而溶解氧濃度過高，也會對硝化作用產生抑制效果；當DO濃度為5.0～7.0 mg/L時，水體處理效果最優，不僅氨氮去除率達到78.7%，而且COD和SS去除率也達到較高水平[54]。

4 展望

BFT作為新興生態型水產養殖生產模式，在養殖生產中被廣泛應用，且在理論研究上已取得一定成果，但在以下方面還值得進一步開展深入研究與探索：

（1）生物絮團的功能主要是通過異養微生物實現的，而異養微生物種類多樣，作用各異，現階段仍有許多異養微生物的類型及功能有待探索，因此有必要系統地研究主要發揮作用的菌種，且深入研究它們相互間的協同或拮抗作用，目標在于提高有益菌占比，使之成為優勢種群，更好地在養殖生產中發揮作用。

（2）生物絮團系統中微生物豐度和多樣性較高，但對于微生物菌群研究現階段主要是到屬水平，而種水平上的研究寥寥可數，對種屬的動態變化更是知之甚少，使生物絮團的精準調控難以實現，因此有必要借助最新的高通量測序技術手段更深入解析生物絮團的種屬組成。

（3）在傳統養殖過程中，由于室外的天氣因素不可控，缺乏對溫度、pH和溶解氧等環境因子對微生物群落結構影響的探討，而隨著工廠化養殖的迅速發展，有必要加強這方面研究，以通過綜合的、更微小的環境因子調節實現對微生物群落精準調控的目標，為工廠化養殖奠定理論基礎和提供關鍵工藝參數指導。

隨著水產品需求不斷擴大，水產養殖業面臨轉型升級。BFT的發展與應用，有利于節約水資源與保護水環境，降低養殖生產成本和疾病風險，提高水產品產量和質量，為中國水產養殖綠色健康可持續發展提供有力支撐。