微生物在水產養殖中應用的研究進展*

謝俊宇 ，茅穎惠 ，曹 瑩

（南京工程學院環境工程學院，江蘇 南京 211167）

1 微生物在水產養殖中應用的發展背景

2022 年10 月，黨的二十大報告提出全面推進鄉村振興戰略，堅持農業農村優先發展，鞏固和完善農村基本經營制度，發展新型農村集體經濟，發展新型農業經營主體和社會化服務，發展農業適度規模經營。水產業作為農業發展的一個重要部分，在經濟增長方面的貢獻越來越大。《2021 年全國漁業經濟統計公報》[1]和聯合國糧農組織（FAO）發布的《2022 年世界漁業和水產養殖狀況》[2]顯示，我國水產品總產量占世界生產總量的31.26%，水產養殖總產量占世界總量的61.65%。過去由于個體水產養殖缺乏監管，個別養殖戶亂用或濫用漁藥、微生物菌劑，隨意排放養殖污水。不僅造成了水體污染導致病害頻發，還大大損害了漁業質量與產量。而目前，我國水產養殖行業正在逐步由區到片進行高密度集約化發展。

以往我國對水產養殖行業治理的關注度普遍不高，而水產養殖行業近年來的加速發展，導致越來越多的病害問題、污染問題困擾著行業內部。不科學的養殖管理模式，水體的富營養化，抗生素的濫用引起的水質污染、養殖廢水的亂排亂放等問題遲遲得不到解決。2019 年農業農村部等十部委發布了《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》[3]，關于水產養殖行業的治理也逐漸得到重視，如何尋找一種可持續、可推廣、綠色環保的生態治理方案是水產行業目前發展的難題。微生物生態治理以往大多應用在湖泊、水庫等水體整治中，鮮有應用于水產養殖行業的研究，本文對微生物法在水產養殖行業中的幾種常見應用研究原理和其目前的發展現況進行介紹，并分別闡述其未來的應用前景。

2 微生物與養殖對象的聯系

微生物和養殖對象之間存在著直接和間接影響，隨著水產養殖規模的擴大，魚蝦類的排泄污染物在極大程度上影響了水質，會不可避免地造成附近水域水體富營養化[4]。隨之而來的是病毒微生物帶來的毒害，附帶上化學藥劑的濫用，導致病毒性疾病在魚蝦中擴散。水體中的微生物直接影響著養殖對象的存活率以及產量，而養殖對象又會間接影響微生物在水體中的富集化程度。例如同一片水域中鰱鳙混養，在水中適當增加鰱的數量，降低鳙的數量，實驗顯示當鰱鳙數量呈現不同比例時，水體的富營養程度不同，通過減少浮游植物，增加浮游動物，可以非常有效地控制水體水質進一步惡化[5]。

因此，如何進行微生物防治成為水產養殖的首要問題。微生物法是指利用不同微生物的特性，在飼料中投放、水體中培養或將指定菌種用物理化學方式進行聯合處理后再投入使用，達到以菌治菌的效果，維持水體水質穩定。越來越多的研究者發現并推薦通過培養水體微生物以及使用微生物菌劑來更安全有效地平衡水質，起到降低水質污染、提高水產養殖產量的作用。

3 益生菌類飼料在水產養殖中的應用

益生菌泛指可以在生物體內保持活性的有益微生物，包括乳酸菌、酵母菌、芽孢桿菌等等，其作用原理是許多益生菌可以有效調節免疫細胞產生細胞因子，如白細胞介素-1β（IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）和轉化生長因子-β（TGF-β）。諸多實驗證明其對于不同種類的養殖對象均有著提高存活率以及擴大產量的作用。例如在馬來西亞對蝦養殖研究中，Aditya 等[6]證明通過添加南美白乳桿菌，同期的對蝦產量在多個季度穩定增長；在尼羅羅非魚飼料中添加Rummeliibacillus stabekisii（魯梅利桿菌），Tan 等[7]進行了8 周的對比實驗，數據顯示喂食Rummeliibacillus stabekisii 的羅非魚無論是增重量、飼料轉化率、飼料效率，還是在用嗜水氣單胞菌和伊氏鏈球菌攻擊后的存活率上都大于對照組。通過在飼料中添加益生菌，可以減少養成階段的機會性細菌負荷并提高魚類的存活率[8]。針對單種生物益生菌，其主要作用菌種集中在一組乳酸菌中，作用原理為益生菌給藥基于宿主對活益生菌食品補充劑的消費，通過增強腸道微生物群內的微生物平衡，為宿主提供健康益處[9]。

研究表明：益生菌作為混合或單一培養物的生物活性成分能夠發揮作用，增加了抗病性，可以大大減少病毒對魚類的傷害[10]。由于益生菌種的不同特性，對于不同的養殖對象可以通過利用不同菌種配比以達到最好的針對性效果[11]。綜上所述，益生菌類飼料添加劑作為抗生素添加劑的一種綠色無害化替代品，其在水產養殖方面具有廣闊的發展前景。

4 微藻在水產養殖中的應用

4.1 單種微藻培養法

目前，國外熱門的微生物法之一是在養殖池中適量培養微藻，利用其特性保持水體穩態，修復水質，從而起到提高水產養殖產量的作用。以往，通過培養微藻的微生物修復法在水產養殖中一直是被低估的；但現在，添加微生物的培養法尤其是使用單個微藻物種的方法已經被證實為一種有廣闊前景的生態修復法，能夠高效降解水產養殖廢水中的有毒化合物[12]。

在關于微藻在白腿蝦養殖中的作用研究中，Huang 等[13]通過對照組實驗，每天分別測量實驗組和對照組的水溫、鹽度、pH 值、溶解氧、氨氮濃度、硝酸鹽濃度、亞硝酸鹽濃度、正磷酸鹽濃度、亞硫酸鹽濃度、弧菌濃度來監測兩組水質狀況，并對一定培養期后的白腿蝦質量以及飼料轉化率等進行監測。結果顯示：對于水質狀況，對照組BSW（基底沉積物和水）（15.44 g/L）約是微藻添加處理實驗組（7.59 g/L 和7.14 g/L）的2 倍；對照組弧菌濃度增加較快，而微藻添加處理實驗組在培養期更趨于穩定增加，在培養結束時，對照組和實驗組弧菌濃度分別為3 174 CFU/mL、811 CFU/mL 和603 CFU/mL，加入微藻的實驗組生產率為3.65±0.10 kg/m3，比對照組（2.92±0.07 kg/m3）高25%。得出結論：添加微藻可以很好地控制水體中各項數值穩定，減少弧菌滋生和水底沉積物堆積，增加白腿蝦的產量。之后，Kurniawan 等[14]利用微藻去除污染物的功能對已經受污染的水體環境進行了生物修復，驗證了其作用。

在利用微生物修復水產養殖廢水過程中，包括小球藻、趾藻、蛾藻和納米綠藻在內的微藻物種均被研究證實有著較強的性能[15]。其他研究中，將微藻引入培養水中證實了其可提高魚蝦的存活率和體重。例如，最近的一項研究表明，微藻物種Nannochloropsis oculata 和Thalassiosira pseudonana有利于水質修復和蝦的發育。此外，研究人員發現，在整個農場周期中，將Thalassiosira pseudonana 添加到培養水中可顯著降低氨、懸浮顆粒、正磷酸鹽、亞硝酸鹽和硝酸鹽的水平[13]。

此外，微藻可以提高日光下的溶解氧水平并調節pH 值。這對于修復水質、保持水質狀況平衡有卓越的作用。Mohd 等[16]進一步評估了添加微藻、小球藻UMT LF2 對改善南美白乳桿菌的養殖環境、育苗性能以及對白腿蝦生物修復功能和生長性能的影響。采用響應面法（RSM）進一步研究確定了利用絲狀真菌黑曲霉生物絮凝物收獲過量微藻生物質的最佳條件。但微藻的大面積培養仍處于試驗模型階段，且不同的微藻針對不同的養殖對象存在特異性效果，大多數微藻的凈化水質效果只存在于對氮磷的凈化，而對于更多的污染物如抗生素等則難以起到客觀作用，且對微藻進行培養與采收的相關產業仍不完善，故難以大面積推廣。但目前的研究已經證實了其有效性，因此做出如下展望：篩選優質藻種、尋找微藻去除污染物的關鍵分子機制、開發微藻處理工藝。解決了以上問題，才能構建綠色環保的微藻培養去污體系。

4.2 微藻固定化以及菌-藻共生體

微藻固定化一般使用海藻酸鈉進行包埋，用氯化鈣和殼聚糖進行固定，運用固定化技術對微藻進行固化形成絮凝膠，從而避免藻類分散影響吸附效率，同時，為了保證其短時間內的去污效率，可對其進行饑餓處理，提高去污效果[17]，相較于單一微藻培養效率更高。同一條件下分別使用固定化小球藻與懸浮態小球藻對相同的人工污染進行凈化，相同時間內固定化小球藻可去除污水中99.99%的氨氮和95.71%的總磷，高于懸浮態小球藻（去除98.92%的氨氮和91.56%的總磷）[18]。因此，對于小面積水質凈化選擇固定化微藻技術效率更高，但對于大面積水體凈化，其成本過高，不利于大面積投放。

與此同時，為了進一步提升微藻凈化效率，可以選用小球藻等微藻分別構建菌-藻共生系統，原理是選用養殖用水去污能力強的微藻品種以及菌種，通過物理或化學法進行固定化[19]，一方面彌補了微藻處理無法很好地分解污染物的劣勢，另一方面可以用微藻對微生物分解產生的有機酸、無機鹽等[20-21]進行吸收，避免二次污染[22-23]。尤其是可以選取特定菌藻品種進行固定化處理，以達到互利共生、強化去除污染效率的效果[24]。使用菌-藻共生體可以表現出比純藻更高的生物廢物吸附量，并且對于水產養殖廢水中的氮磷有著更高的去除率[25]。Praveen等[26]建立小球藻與異養細菌的共生處理體系，并利用海藻酸鈉對其進行包埋固定，對比單一小球藻固定，發現在曝氣條件下，其對葡萄糖的去除效率從未曝氣時的50%（耗時12 h）提高到了100%（耗時6 h），葉綠素含量增加了30%。同時，在微藻-真菌共生系統中，真菌能有效地輔助微藻進行生物絮凝，并通過胞外多糖黏附、靜電中和作用，使得微藻與真菌菌絲表面蛋白質相互作用構成藻菌球，解決了單一微藻處理廢水過程中微藻無法回收和分離的問題[27]。最新研究表明：在菌-藻共生體系中加入適當濃度的獨腳金內酯（GR24），通過促進微藻的光合作用效率以及真菌菌絲的生長，來提高培養效率并顯著增強吸附污水中氮磷的效果[28]。固定化菌-藻共生體在污水凈化處理中展現了強大的優越性，但關于如何保證長期使用后載體材料不被細菌腐蝕分解、后續處理如何回收菌藻球、如何依據藻類豐富的營養成分實現資源的再回收利用、如何構建更好的菌-藻共生體系等問題，相信在我國“雙碳”綠色背景下終將被一一解決，未來，固定化菌-藻共生體高效、綠色、環保地凈化養殖用水的愿景終將實現。

5 生物絮凝體技術（BFT）

近年來，生物絮凝體技術也逐漸走進大眾視野，BFT 系統是水產養殖行業的最新發展[29]。原理是：適當的C/N 可提高水體中異養微生物的數量，通過人為調節C/N，將水體中含氮化合物轉化為可被攝食的生物絮凝體，既避免了水體中腐絮以及飼料的殘留，又生態友好地維持了水體水質，不僅從源頭上避免了病原菌在水體中擴散，還對養殖對象有免疫促進作用，大大提高了水產養殖微生物治理的效率[30]，并為養殖對象提供了一部分營養來源，提高了其產量以及存活率[31]。

如何通過調整C/N 來提高生物絮凝技術效果是目前研究的關鍵，在中華草龜養殖實驗中，通過設置10∶1（CN-10）、15∶1（CN-15）、20∶1（CN-20）的實驗組和對照組（CG）進行為期40 天的養殖，發現在前期，生物絮團體積指數（FVI）隨C/N 的增加而增大，并在28 天后數值趨于穩定。其中，C/N 大于10 的組對于氨氮和亞硝酸鹽的處置效果更為明顯，C/N 為15的實驗組對氨氮和亞硝酸鹽的去除率分別為76.7%和64.4%。同時，通過運用高通量測序對各實驗組中的水體菌群進行檢測，發現三個組中的優勢菌種均為變形菌門、擬桿菌門、放線菌門，但根據C/N不同，其優勢菌種的占比各有差異。因此，張凱等[32]認為中華草龜養殖中，C/N 為15∶1 時是生物絮凝體形成的最佳比例。而鄧吉朋等[33]發現：保持水體C/N 為20∶1 時有利于斑節對蝦（Penaeusmonodon）池生物絮團的形成；Yu 等[34]發現當C/N 為20∶1 時形成的生物絮團能最有效凈化水質，促進黃金鯽（Carassiusauratus）生長，增強消化酶活力。很多學者認為在BFT 中，當C/N 在15～20 時，就會有一部分細菌轉變為可將氨氮吸收轉化為菌體蛋白的同化細菌，進行同化反應[35]，可抑制硝化反應進程，避免NO3--N 的積累。然而，也有許多研究發現，即使添加PHB 使C/N 達到20，也無法阻止NO3--N 的積累，可能是因為水體中的有機碳主要由腐殖酸、黃腐酸、碳水化合物、蛋白質和羧酸等組成[36]，無法保證每個實驗研究的C/N 就是每個養殖對象的最優選擇，未來仍需要探索最佳C/N 的構成。

BFT 系統中的主要成分——生物絮凝體（BFO）在BFT中發揮了三個主要作用：

1）通過自主消耗含氮化合物廢料來維持水質；

2）為栽培物種提供食物來源，減少商業飼料用量[37-38]；

3）通過病原體競爭并產生益生菌特性[39]。

水產養殖中，BFO 的存在，特別是纖毛蟲和線蟲等，可以使養殖物種有效地獲得蛋白質、維生素、脂質等，從而促進生長[40]。同時，可以通過鑒定BFO中各物種的含量，調整BFT 的作用，達到減少環境足跡、提高水產產量的目的[41]。

BFT 系統建立環境主要考慮五個方面：混合強度、好氧環境、碳源投放、溫度、pH 值。它們決定了生物絮凝體能否形成、緊湊程度、絮凝效果[42]。因此，要正確理解物種的類型、多樣性、豐富度，以及它們在生態系統中的作用（浮游植物作為初級生產者，細菌作為分解者等等），充分考慮環境因素、人為因素等是BFT中適當系統管理的關鍵[43]。

但由于目前關于BFT 技術均只存在理論研究，實際應用中仍有諸多問題，硝化細菌在BFT 系統中的緩慢建立也是該技術的缺點，要形成穩定的生物絮凝體并使其穩定生長也需要一個月時間，在此期間，很難預防對于敏感的養殖對象的干擾。生物絮凝機理也尚未有定論，如何優化BFT 的培養條件，如何降低成本，如何大面積普及等問題尚待解決，因此，未來發展BFT 技術仍有無限的可能性。

6 問題與展望

國內外在水產養殖行業的微生物法應用已經存在諸多方案，但缺乏一種效果好、研究成熟、普遍性高、價格低廉、利于推廣的方案。

益生菌飼料添加劑技術憑借價格低廉、可大面積推廣、存在普遍性增產的效果等優勢，成為目前在水產養殖行業應用最廣泛的微生物技術，但目前仍存在著益生菌的作用機理研究不充分、生產機構質量不高、復合型益生菌配比不科學等問題。未來，應該運用高通量測序和單細胞分析等技術對益生菌作用機理進行進一步研究，同時，通過基因組重排等技術對益生菌效果進行改良和大面積推廣實驗，尋找最優復合益生菌配比。

微藻固定化包括菌藻聯合體固定化，目前已經取得了一定研究成果，尤其是對于水體中不同污染物的降解作用機理以及菌藻的共生互利性研究，其已經被證明是一種高效的凈水技術方案。目前遇到的問題是難以尋找一種可持續、耐腐蝕的包埋材料，以及難以循環利用過程末端微藻的營養價值。未來的研究可以朝如何利用生物質材料代替傳統包埋材料、增加上游企業建設幫助收集利用末端的微藻以達到資源再利用的效果等方面發展。

微藻培養以及BFT 技術相較于益生菌飼料添加劑和微藻固定化技術仍不成熟，存在著理論、應用、推廣、經濟效益等多方面的問題，但目前已有研究已經充分證實其在凈化水質、防治致病毒害、減少飼料用量、提高養殖對象產量等方面的優越性。未來如果完善這兩種技術的研究，其能夠在我國“雙碳”背景下作出巨大貢獻。