生物絮團技術研究進展與應用概述

韓佳民，蘇勝齊

( 西南大學 水產學院，漁業資源與環境研究中心，重慶 400715 )

隨著世界人口的增長，全世界對于水產品的需求日益增加。然而當今捕撈業產量很難有增長空間，傳統養殖模式又會帶來諸如水資源的過度使用、養殖排污和飼料浪費等問題。同時飼料原料的價格上漲也導致養殖成本的增加。為了應對水產品養殖領域目前存在的種種問題，需要開發并推廣更多生態友好型的養殖新技術。

生物絮團技術利用水體中微生物的絮凝現象，通過向養殖池塘中添加有機碳源和充分曝氣使養殖水體中產生大量的微生物絮凝體[1-2]，這些微生物的集合稱為生物絮團。大量的生物絮團懸浮在水體中可以通過同化水中的氨氮、亞硝態氮以及有機碎屑來凈化水質，同時生成的菌體蛋白能被養殖對象利用，增加飼料的利用率[3]。

微生物的絮凝現象最早發現于釀酒業，此后關于細菌絮凝的研究多是在廢水處理相關領域[3]。生物絮團技術的概念則是法國太平洋中心海洋開發研究所最早于20世紀70年代提出的[2]。1999年，以色列科學家Avnimelech[4]在養殖羅非魚(Oreochromis)的過程中通過向水體中添加碳源控制碳氮比，促進生物絮團形成，顯著提高了羅非魚的成活率，并有效清潔養殖水體；隨后他以此為基礎進一步完善了生物絮團技術理論，并向全世界推廣[3]。

生物絮團技術能夠減少換水并提高飼料利用率，這順應了水產養殖業目前以及未來的形勢。該技術目前在我國以及世界多地已被成功運用于集約化養殖場中，但在實際生產中還存在一些問題。同時世界范圍內的學者對于生物絮團的研究也還在持續。筆者詳細闡述了生物絮團技術理論體系，并對生物絮團技術的研究進展與應用現狀進行總結，以期為該領域的進一步研究與技術推廣提供參考。

1 生物絮團技術原理

1.1 生物絮團的形成與組成成分

生物絮團是細菌、藻類、原生動物和有機碎屑等通過生物絮凝的作用形成的絮狀體[5]。絮團形狀不規則且粒徑大小不一，最大甚至可達1000 μm[6]。自然界中也存在這種生物絮凝的現象，如在一些淺水池塘淤泥上生長的綠色絮狀體，或者是海洋中的“海雪”現象。生物絮凝作用機理非常復雜，包括物理因素、化學因素以及生物因素，因此生物絮團的形成機制是多元而復雜的。首先，許多藻類或是細菌都具有分泌黏多糖胞外聚合物的能力，這些聚合物在生物絮團形成的過程中起到了黏合劑的作用。另一種機制是由于微生物表面負電荷在水中形成的斥力減弱，引起了絮凝現象。藻類在生物絮團中不僅起到絮凝作用，也能一定程度地同化水中的營養物質。在有光線的情況下，藻類的光合作用也能一定程度上提供氧氣，并且死亡的藻類也為生物絮團提供了有機質[3]。

生物絮團的主體是細菌，而根據每個生物絮團養殖系統情況的不同，生物絮團內部細菌種類和比例也不同。目前國內外有很多團隊對于生物絮團內部菌落結構進行研究，采用的方法大多為變性梯度凝膠電泳技術或高通量16S rDNA標簽測序法[7-8]。有研究結果表明，生物絮團中的微生物大部分屬于變形菌門[9-11]，而從綱的水平上看生物絮團培養過程主要微生物類群隸屬于以下6個綱：α-變形菌綱、γ-變形菌綱、β-變形菌綱、放線菌綱、芽孢桿菌綱、擬桿菌綱。Wei等[12]的研究顯示，使用不同的碳源會使生物絮團中α-變形菌綱、γ-變形菌綱、β-變形菌綱呈現不同的比例。夏耘等[13]的研究顯示，生物絮團中除去一直占據優勢的變形菌外，在不同的時間段也會出現不同的特異菌，其中第5天時特異菌為食酸菌屬(Acidovorax)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、土壤桿菌屬(Agrobacterium)細菌，第10天和15天分別為芽孢桿菌屬(Bacillus)與紅球菌屬(Rhodococcus)細菌。這些特異菌均被認為是產絮菌，能夠促進生物絮團的形成，其中芽孢桿菌和紅球菌同時還起到改善水質的作用。

1.2 生物絮團的異養同化作用與自養硝化作用

在生物絮團中，對氨氮的清除起主要作用的是細菌，然而在水體中，自養硝化細菌的建立過程相對較慢，在養殖前期無法起到徹底清除氨氮的作用，所以需要通過向水體中投入碳源使異養細菌大量繁殖，這些異養細菌同時可以快速同化水中的氨氮，并最終在養殖水體中形成生物絮團[1,14]。陳薇等[15]在養殖池溏活性污泥中分離出的施氏假單胞菌(Pseudomonasstuzeri)和芽孢桿菌屬菌株，被證明以亞硝態氮為唯一氮源。這意味著生物絮團中的異養細菌也能在一定程度上做到對一部分亞硝態氮的轉化。

異養細菌同化代謝的理論方程：

自養硝化細菌總代謝的理論方程：

而自養細菌的硝化過程又分為兩個，即氨氧化菌和亞硝酸氧化菌的反應過程，其粗略反應式為：

(氨氧化菌反應)

(亞硝酸氧化菌反應)

由上述方程可見，生物絮團對于氨氮的清除作用是建立在溶解氧充分的條件上，一旦溶解氧不充分，生物絮團對氨氮的清除作用就會減弱。由于自養細菌生長較為緩慢，且亞硝酸氧化菌的生長往往滯后于氨氧化菌，這就有可能在水體溶解氧不充分的區域積累一定量的亞硝態氮，從而對養殖對象產生威脅，造成系統崩潰。

1.3 原位生物絮團和異位生物絮團

生物絮團的方式有兩種，分別是原位培養和異位培養。原位培養即直接在養殖池中培養生物絮團(圖1)。原位培養也是最直接、最普通和應用最廣泛的培養方式。在根據投喂飼料的成分和投喂量來計算出合適的碳氮比之后，選取合適的碳源直接投入水體中并保證溶解氧與水體攪動充分，就能在養殖池中生成生物絮團。生物絮團直接利用水體中的氨氮和飼料殘渣，形成菌體蛋白，被養殖對象再次利用。但原位培養生物絮團對技術水平和管理水平要求很高，一旦整個系統失去控制，會直接威脅到養殖對象。同時養殖對象要適應固體懸浮物環境，并且能夠攝食生物絮團。與之相對的異位培養技術即將生物絮團的生成和養殖活動分開，在外置序批式反應器中創造條件生產生物絮凝體，培養好后收集絮團進行投喂，或者作為水產飼料中魚粉的替代物(圖2)。

圖1 生物絮團技術理論示意

圖2 異位生物絮團技術

一些學者也對異位生物絮團養殖的效果進行了驗證。試驗結果表明，采用異位生物絮團技術可達到可觀的凈水效果[16]。但是異位生物絮團在養殖效果與免疫刺激效果上均較原位生物絮團技術略差[17]。當然這也意味著異位生物絮團技術存在優化的空間，而具體的應用和優化方案則需要更多的實踐與探索。當然生物絮團需要時間在水中形成規模，除了在水體中添加營養促進生物絮團形成之外，也可以采取接種的方法，即預先培養好生物絮團或是在水中添加益生菌進行接種，利用這個方法可以達到人為干預生物絮團中的菌落類型的目的[18]。

2 生物絮團技術的作用

2.1 生物絮團對水質的調控

當生物絮團在水體中建立后，水體中的總氨氮將逐漸下降并穩定于較低水平。在溶解氧和水體攪動充足的前提下，整個系統最終會形成平衡以至于達到“零換水”的目的。從整體上看，生物絮團既是水質凈化的主體部分，又能被養殖對象攝食。無論是養殖對象的代謝產物，還是沒有被攝食的飼料碎屑，都能被生物絮團利用形成菌體蛋白，這些生物絮團在其粒徑大小達到一定程度的時候自然就會被養殖對象攝食。在理想狀態下，水體中的氨氮和亞硝態氮水平就能一直保持穩定(圖1)。

國內外大多數的研究證明了生物絮團對于水質的調控作用，相關研究也證明了生物絮團對于氨氮和亞硝態氮具有很好的清除作用[19-23]，Shang等[24]的研究結果顯示，養殖水體中的氨氮和亞硝態氮及硝態氮含量在試驗期間內保持在合理水平。但在另一些研究中，在試驗前期，養殖水體中的氨氮都有一個明顯的上升，這是由于在養殖前期硝化細菌和異養細菌的群體尚未建立起來，此時整個生物絮團系統還沒有進入平衡，氨氮和亞硝態氮產生的速率大于生物絮團對其的清除速率，造成了氨氮和亞硝態氮的積累。而養殖前期的氨氮和亞硝態氮的水平也和碳源種類有關，對于不容易直接被細菌利用的碳源，養殖前期的氨氮和亞硝態氮水平往往會相對較高，細菌建立的周期也會相對變長，并且由于溫度與水質等不可控影響，生物絮團的建立周期從2～4周到8～9周不等[25-27]。

然而在生物絮團技術的實際應用過程中，不可避免地會產生一些諸如飼料添加過量、碳源添加過量、局部溶解氧不充分或是水體攪動不充分等問題，使生物絮團在養殖池中產生局部的系統失衡，或是形成淤泥，沉積在養殖池底部，所以在養殖過程中也要進行相應且必要的換水，這就對養殖設施的設計和管理水平提出了要求。

2.2 生物絮團對飼料轉化率的提升及營養價值

飼料轉化率一直是養殖業的難題，在投喂的飼料中通常只有20%～25%的蛋白質可以被水產養殖對象吸收利用，其余經由代謝排入水中或是形成殘餌。這些代謝產物和殘餌也是傳統養殖中水質惡化的原因之一，沉降形成的淤泥也需要人工清理。而這些養殖產生的廢氮被生物絮團轉化成菌體蛋白后可以被養殖對象再次攝食，這樣便能減少飼料的浪費。已有研究證明，相比于常規的單純使用飼料養殖，生物絮團技術的運用可以提高飼料的利用率，且養殖效果更好[25,28-29]。

Avnimelech等[30]，用15N標記過的生物絮團喂養羅非魚，結果顯示，生物絮團確實可以被羅非魚攝食，并證明了生物絮團為羅非魚提供了25%的蛋白質攝入。不少研究者也針對生物絮團的營養價值進行了分析，發現生物絮團富含蛋白質、脂質和各種氨基酸，其中包括賴氨酸、精氨酸等必需氨基酸[31-33]。但生物絮團的營養價值同時也受到絮團粒徑、碳源種類、碳氮比等多種因素影響，這可能與絮團中微生物種類和其所占的比例有關[5,9,34-35]。由于生物絮團中微生物群落一直處于變化的狀態，生物絮團的營養價值水平也可能隨之變化。雖然生物絮團具有可觀的營養價值，但并不能完全滿足養殖對象的營養需求，因此生物絮團并不能完全代替飼料，更適合充當飼料的補充。

2.3 生物絮團的生物防治作用

目前諸多研究均提出可以將生物絮團技術看作是一種生物防治手段。一些研究者測試了在生物絮團水中的養殖對象的免疫反應，結果顯示，生物絮團可以激活養殖對象的免疫活性水平[36-40]。Ekasari等[41]用對蝦傳染性肌肉壞死病毒攻毒在生物絮團水體中養殖的凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)，發現相較于對照組，絮團組蝦的存活率顯著提高。Crab等[42]使用哈維氏弧菌(Vibrioharveyi)攻毒鹵蟲(Artemiafranciscana)，結果也顯示，生物絮團有助于限制致病細菌的感染。

總體上看，生物絮團作為生物防治手段的原理主要有3點：(1)在生物絮團中生長的養殖對象長期生活在有大量微生物的環境，這使他們的免疫系統長期受到刺激，提高了養殖對象的免疫活性水平；(2)生物絮團中的益生菌和病原菌會形成競爭，因此相比于傳統養殖，病原菌更難在水體中形成優勢；(3)生物絮團技術減少了養殖換水，也就減少了病原的外源性引入。

3 影響生物絮團的因素

3.1 曝氣與攪拌

由于生物絮團本身的特性，導致在使用生物絮團技術的時候，養殖水體中溶解氧很容易出現不足的狀況。當溶解氧在水體中分布不均勻并不能滿足自養細菌和異養細菌正常代謝的時候，生物絮團水體中容易積累氨氮，產生一定量的有毒的亞硝態氮，而細菌的代謝會進一步使水中的溶解氧水平降低，造成養殖對象中毒或者出現缺氧。所以生物絮團池塘需要更加充分的曝氣，以滿足整個系統對于溶解氧的需求。另外，生物絮團本身也會自然沉降。當生物絮團大量沉降在池塘底部時，這些生物絮團就會變成淤泥，形成局部的細菌無氧代謝，這也會產生有毒的亞硝態氮，并且沉降的生物絮團無法被養殖對象攝食，所以需要水體的攪動來保持生物絮團懸浮。

3.2 碳源的種類

生物絮團中異養細菌的生長需要碳源，但碳源的種類會影響生物絮團的建立速率以及菌群結構。結構簡單且易被微生物利用的碳源如葡萄糖、蔗糖等，能使生物絮團在水中快速形成規模。但在實際生產中，使用葡萄糖和蔗糖等作為碳源會提高養殖成本，所以很多研究都圍繞碳源的種類展開(表1)。使用結構復雜但價格較低的碳源如淀粉、木薯粉、玉米粉、米糠等，會使生物絮團在養殖前期難以形成規模并且造成水體中的氨氮在養殖前期大量累積，直到生物絮團建立后才逐漸下降[43-49]。Shang等[24]研究表明，將木薯淀粉進行酶解后，也能達到很好的凈水及養殖效果。而類似麩皮和米糠這種糧食加工副產品作為單一碳源的效果不佳[50]，難以促進生物絮團的生長，但是將其和其他碳源混合使用可達到一定的效果[51-53]。以醋酸鹽作為單一碳源對于生物絮團的生長具有一定的效果，但Crab等[35]研究表明，以醋酸鹽為碳源的生物絮團喂養羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)的成活率較低。以甘油為單一碳源時，生物絮團的生長和凈水效果較好，但是不適用于原位生物絮團的養殖。

表1 針對不同碳源應用效果的研究

3.3 碳氮比

為了保證生物絮團對于水質凈化的效率，Avnimelech等[30]認為，投喂的有機碳和氮元素應保持一定的比例，相關的研究結果表明，碳氮比保持在1∶15～1∶20效率最高[20-23,26-27]，這時生物絮團生長較快且水質較為穩定。而最適宜的碳氮比需要根據具體的養殖情況來推斷，研究表明，水體中碳氮比過低不利于生物絮團的生成，但是過高的碳源添加量會導致生物絮團生長過快，這時養殖水體中的總固體懸浮物增多，很容易出現溶解氧不足的狀況，并導致水中累積過多的硝態氮和亞硝態氮[19]。因此這也能解釋在一些研究中，高碳氮比試驗組養殖對象的存活率反而比碳氮比約為15的試驗組養殖對象的存活率要低。而具體的添加碳源多少和碳氮比的計算則是根據添加飼料的蛋白質含量和飼料系數決定的[4,21,23]。

根據Avnimelech[3]的理論，公式如下：

C=N/0.05

(1)

N=F×E

(2)

式中，C表示碳源添加量，N表示氮的添加量，系數0.05是一個估算系數，由異養細菌自身碳氮比4、碳源含碳量50%和異養細菌對碳40%的同化率相乘而得；F為投喂的氮的總量，E為氮排出率，Avnimelech[3]按50%計算，也有學者按75%計算[1,3]。

將公式(1)、(2)合并得出公式(3)，代入50%氮排出率，并假設飼料含有30%的蛋白質，含氮量為4.56%，飼料原始碳氮比為10.75，得出碳源添加量：

C=F×E/0.05

(3)

那么在添加碳源后的碳氮比應為：

10.75×(1+0.456)=15.75

(4)

3.4 溫度與pH

溫度對于生物絮團系統的影響非常復雜，因為溫度同時對養殖對象和微生物產生影響[6]。當水體溫度過低時，生物絮團活性降低，甚至可能會出現反絮凝的現象[2]。隨著溫度的逐漸升高，生物絮團活性增強，在33 ℃時出現大量生物絮團[85]。但是在生產實踐中，最佳的溫度還應考慮養殖對象的最適生長溫度。

當養殖水體的pH過高或過低(低于6.5或高于9.5)時，不但會影響養殖對象的生長，也不利于生物絮團的生成[3]。生物絮團中的異養細菌代謝需要消耗水中的堿度，并產生二氧化碳。這個過程會使水體中的pH降低。當水中的堿度降低時，水體緩沖能力變弱，導致水體pH出現波動，影響生物絮團和養殖對象的生長。部分研究顯示，在養殖過程中，向水中添加堿化合物能增加水體的緩沖能力，有利于水體pH的穩定[86-87]。

4 生物絮團養殖池塘的建立

生物絮團技術是一項很適合應用于設施漁業的技術，也因此很難直接運用于傳統池塘。生物絮團的本體是細菌等微生物，這些微生物易受到土壤和降水中的金屬離子等物質的影響，并且由于生物絮團水體營養較為豐富，池塘中有寄生蟲的隱患較大，因此使用生物絮團技術的池塘最好處于室內，以隔絕這些外源性的影響以及病害的傳播。此外，室內池塘也可以隔絕陽光，抑制藻類的大量生長，使整個系統完全處于細菌的主導作用之下。因為從長遠來看藻類對于整個系統的增益并不樂觀，光合作用產生的氧氣與呼吸作用消耗的氧氣基本可以持平。一旦系統失衡，藻類的大量死亡也會對系統造成額外的負擔[3]。

原位培養的生物絮團池塘應當具有良好的給排水系統，以應對生物絮團發生大量沉積的狀況。由于生物絮團池塘需氧量大，以及需要保證生物絮團懸浮等特性，生物絮團池塘也要有相應的供氧設施和水泵保證生物絮團池塘水體溶解氧充足，并避免生物絮團發生大量沉淀。在國內，養殖人員多將跑道流水養殖和生物絮團結合起來以保持水體的流動。

采用異位培養的生物絮團技術的池塘則更加適合設施漁業，也能和循環水工廠化養殖技術良好地結合在一起，但也因此會造成成本過高的問題。所以在實際生產中具體采用哪一種技術，要結合現實的情況去考慮。

5 生物絮團技術與養殖種類

生物絮團技術的優勢是建立在養殖對象可以攝食生物絮團的基礎上的，因此，很多關于生物絮團技術的研究都是基于不同的養殖品種進行的(表2)。目前研究較多的品種為羅非魚和以凡納濱對蝦為首的眾多蝦類，這些養殖品種能夠很好地應用于生物絮團技術，并在實際生產中的普及程度很高。根據生物絮團技術的理論，濾食性魚類和雜食性魚類都可以適應生物絮團養殖系統，如鯉、鯽、鰱、鳙等。除食性之外還要考慮養殖對象對高濃度固體懸浮物環境的耐受程度，對于可以攝食生物絮團但不能適應高濃度固體懸浮物環境的種類可以采用異位生物絮團的方法進行養殖，如褐牙鲆(Paralichthysolivaceus)和花鰻鱺[78,88-89]，以及克氏原螯蝦(Procambarusclarkii)、中華絨螯蟹(Eriocheirsinensis)、仿刺參(Apostichopusjaponicus)和翡翠貽貝(Pernaviridis)[4,90-93]。但在一些研究中發現，革胡子鲇雖然對于生物絮團的攝食效果并不明顯，其生長狀況要優于清水養殖，這可能與生物絮團對于水體理化因子的穩定和免疫刺激有關[19,55,94]。

表2 針對不同養殖種類的生物絮團應用效果研究

6 生物絮團技術對于日常管理的要求

當生物絮團技術應用于養殖時，日常管理非常重要。尤其是對于使用原位培養的生物絮團技術的養殖池塘，生物絮團產生的任何變化都會直接影響到整個水體。所以在養殖過程中，工作人員應每日監測池塘中的溶解氧和總固體懸浮物以及氨氮的含量。池塘中的溶解氧不充分，不但會使養殖對象缺氧，還會使生物絮團對于氨氮的清除能力減弱，并造成水體中氨氮以及亞硝態氮升高。當池塘中的氨氮升高(>0.5 mg/L)時，應考慮適當添加碳源，若氨氮一直維持較低水平則可以不添加碳源，避免生物絮團過量生長與養殖對象爭奪水體中的氧氣。對于生物絮團沉降形成的淤泥要及時清除以免造成局部的溶解氧水平過低[3]。

Avnimelech等[3,31]認為，生物絮團養殖池塘中的固體懸浮物含量不宜過高，其質量濃度應控制在500～1000 mg/L。當固體懸浮物濃度過高時，有可能會導致養殖對象的鰓受到絲狀菌的損害，最終造成產量下降。總固體懸浮物的監測方法是在固定時間，將采集到的水樣倒入1 L英霍夫錐形管中，待水中的生物絮團沉降，觀察底部生物絮團的體積。

7 生物絮團技術目前存在的問題

7.1 前期投入

如前文所述，生物絮團技術很難直接應用于傳統池塘，這相當于這項技術需要更多的前期投入。如以傳統方式進行養殖的養殖戶想要使用這種技術，需要對其已有的池塘進行改建或者新建，這對于養殖戶來說是一筆不小的投入，具有很大的風險，從而造成這項技術在推廣上的困難，往往只有規模較大的養殖廠能夠承擔該項技術的前期投入。此外，養殖設施設計的好與壞同時決定著前期的成本和后期的養殖效果，但往往養殖技術前沿的學者對于工程設計經驗不足，對于該技術的設施研究也是鳳毛麟角。在這方面依舊需要更多的經驗和研究成果。

7.2 管理要求高

生物絮團養殖技術對于日常管理的要求要遠高于傳統的養殖技術和工廠化循環水養殖技術。日常的監管不到位，導致生物絮團系統中整體的平衡破壞，若處理不及時，后果是難以挽回的。因為生物絮團養殖技術更多是應用于高密度養殖，且微生物的狀態也很難單單通過肉眼來觀測，這就對養殖戶的技術水平提出了要求。養殖戶不僅要懂得使用技術，也要懂原理，這也造成了這項技術在實際應用上的阻力。

7.3 養殖對象選擇范圍有限

生物絮團技術因其技術的特性，并不是所有的養殖品種都能適用于這項技術。所選取的物種不僅要能適應高濃度懸浮顆粒的環境，也要能攝食生物絮團，如果使用異位生物絮團養殖技術，也要保證養殖對象至少可以攝食生物絮團。另外生物絮團技術的配套設施所帶來的成本也要求養殖戶要考慮養殖品種是否能帶來足夠的經濟效益。而養殖品種的限制又會產生地域性限制，例如在冬季氣溫較冷的地區養殖羅非魚還需要額外的加溫設施，使養殖成本進一步提高。

8 展 望

盡管生物絮團技術擁有許多優勢，但該技術在我國的應用與推廣還不夠廣泛，并且生物絮團技術依舊還有很多可以進一步完善的空間。首先若想把這項技術更好地向養殖戶推廣，需要研究出各類養殖品種的具體養殖方法以及管理要求，因為對于不同的養殖品種來說，最佳的碳源、最佳碳氮比以及最佳溫度等都不同。而生物絮團技術因其特性在應用中對養殖管理的要求較高，同時生產實踐中也需要一些工程設計人才，來完善工廠化養殖的設施設計，其中，如何使養殖設施更合理，更適合不同的地理條件以及成本的控制，都是這項技術在實際應用中的難點。而生物絮團技術也不僅僅可以當作一種單純的養殖技術進行推廣，它同樣適宜作為養殖工廠的一項生物凈水技術進行推廣。對于已有的養殖工廠、傳統養殖池塘甚至流水養殖池塘，技術人員可以在不對養殖設施進行大規模改造的前提下，在凈水環節上加造生物絮團池或生物絮團反應器，以實現養殖廢水、養殖淤泥的處理及再利用，從而減少飼料的浪費。這項技術在理論層面則需要繼續探究生物絮團的原理，尤其是生物絮團中不同微生物間，或是微生物和藻類之間的相互作用，以及需要探究更多人為控制生物絮團中微生物群落結構和和控制生物絮團粒徑的方法。