生物膜法在水產養殖水體處理中的研究與應用進展

胡曉偉，孫源，羅亮，趙志剛，王世會，張瑞，郭坤

（1.哈爾濱商業大學藥物工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076；2.中國水產科學研究院黑龍江水產研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

隨著經濟的發展與人民生活水平的提升，水產品的消耗量顯著增多。從20 世紀70 年代始，我國水產養殖業飛速發展，實現了質的飛躍[1]。在2019年，我國養殖產品產量高達5 079.07 萬t，占全國水產品總產量的78.38%[2]。我國水產養殖業生產模式從傳統的粗放型逐漸過渡到高密度集約型，養殖水體自身污染問題日趨嚴重[3,4]。這種高養殖密度和增大投喂量來提高水產品產量的方法造成了嚴重的水體污染。水產養殖中的剩余飼料、水產動物的代謝物、動植物尸體以及抗生素等在水體中的大量殘留[5]導致養殖水體中氮和磷等有機物營養物質超標，進一步加重了養殖水體的環境污染，導致水體的富營養化[6]、水產品病害頻發、水產品品質降低[5,7]，對水產養殖業造成了巨大的經濟損失[8]。因此，探求高效、安全、低毒的水產養殖水體凈化方法，構建高效健康的生態養殖模式是當前水產養殖業可持續發展亟待解決的關鍵科學問題之一。

研究證實，生物膜法能更好地凈化水體環境[9,10]，降低水體富營養化程度，成本低廉、操作簡便、凈水效率高、不存在水體的二次污染，已廣泛應用于工業廢水和生活污水的凈化，但生物膜在水產養殖水體處理中的應用仍然十分有限。本文綜述了生物膜法的概念、生物膜的形成、影響因素、生物膜的作用機理以及生物膜在水產養殖水處理中的應用等，并重點展望了生物膜法在未來我國水產養殖水體處理的應用前景。

1 生物膜及生物膜法的概念

浸沒于水體環境的材料表面通常會形成一層由微生物形成的膜狀物質，稱為生物膜[11-13]。生物膜是由微生物、胞外聚合物、細菌分泌物等組成的一種復雜且具有一定功能的生物組合體[14]；自然水體生物膜中的微生物和其他多種物質相互作用共同實現生物膜的結構與功能[15]。生物膜是水體環境微生物一種重要的存在方式[16]。

生物膜法又被稱為生物過濾法[17]，是一種利用人工干預的方式來促進廢水中污染物降解、實現水體自凈的廢水好氧生物處理方法[18]。生物膜法以天然或合成物質為載體，吸附水體中的細菌及其分泌物、藻類以及次級代謝產物等形成具有凈水作用的生物膜。通過與水體進行接觸，吸附、吸收水體中的有機污染物并將其轉化為自身所需能源來促進自身生長繁殖，實現水體的凈化[19-21]。

2 生物膜的形成及影響因素

2.1 生物膜的形成

生物膜主要有均質生物膜和異質生物膜兩種構成方式，其中均質生物膜由同種細菌構成，而異質生物膜是由多種細菌構成[22]。自然界中最為常見的是多種細菌組成的異質生物膜[23]。在外界環境因素（水流剪切力、pH、抗生素和營養物質等）的影響下，游離態的細菌依靠菌毛或鞭毛的作用吸附到載體表面暫時性粘附，然后通過細菌分泌的胞外多聚物（DNA、蛋白質、脂類以及脂多糖組成）增強細菌與載體間的粘附作用，單個細菌相互聚集形成由單層細菌組成的微菌落[24-27]。隨后，這些微菌落繼續粘接或自身增殖作用使生物膜厚度不斷增加形成較大的菌落，隨著胞外多聚物量增多，逐漸形成一層水凝膠覆蓋于載體材料表面。同時，細菌之間群體效應可用于細胞致病性的調節、營養物質的獲取、細胞之間的雜交、細胞運動及次生代謝產物的生成，并決定細胞各種功能[28]。隨著菌落的生長，細胞與載體及細胞之間主要依靠胞外多聚物粘連在一起，形成具有三維結構的成熟生物膜[28,29]。成熟生物膜通過自身生物代謝使原有的部分老化細菌群體脫落，確保生物膜的新老循環交替重復進行[30]。生物膜的形成是一個動態變化過程，主要分為粘附期、菌落形成期、成長發育期、成熟期及脫落期五個階段[29]。

2.2 生物膜形成的影響因素

生物膜的形成主要受到載體材料的表面性質、進水碳氮比（C/N）、CODCr負荷等多種因素的影響。

2.2.1 載體材料表面性質對生物膜形成的影響

在水產養殖中，可用多種材料作生物膜的載體，如塑料、PVC 管、玻璃以及人工合成材料等，但不同的載體材料對生物膜的形成及水處理效果明顯不同。章霞等[31]采用聚乙烯環、聚苯乙烯泡沫濾珠和電氣石球組等3 種不同材料作載體，研究生物膜的形成對水質處理的效果，發現不同載體生物膜去除氨氮速率與時間存在明顯差異，其中電氣石球組的去除速率最快，去除時間最短。不同載體表面生物膜對氨氮和亞硝酸鹽的去除能力存在顯著差異。劉洋等[32]研究了纖維毛球和陶粒載體材料對氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果，發現在建立硝化功能階段，纖維毛球系統和陶粒系統氨氮含量分別于6 d 和8 d 降至0.06 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于8 d 和11 d 降至0.02 mg/L 以下；在硝化功能強化階段，氨氮負荷為6 mg/L 時，纖維毛球和陶粒系統氨氮含量分別于5 d 和7 d 降至0.02 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于6 d 和9 d 降至0.07 mg/L以下；當氨氮負荷為9 mg/L 時，纖維毛球和陶粒系統氨氮含量分別于3 d 和4 d 降至0.08 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于5 d 和7 d 降至0.04 mg/L以下。總體來看，纖維毛球系統對無機氮轉化能力優于陶粒系統。

2.2.2 進水C/N 比

不同進水C/N 比條件下，生物膜對養殖水體中氨氮去除效果不同。仇天雷等[33]發現，進水C/N 為0時，即不添加有機碳源的條件下，出水氨氮濃度維持在0.58 mg/L 以下，亞硝氮含量基本為零；進水C/N 為1 時，出水氨氮基本為0，亞硝氮含量低于0.05 mg/L；當進水C/N 調整為2 時，出水氨氮濃度顯著增加且極不穩定，最高值達到8.73 mg/L，亞硝氮也出現明顯累積。上述結果表明：進水C/N 控制在1 左右有利于硝化系統的穩定運行。

2.2.3 CODCr負荷

許小馬[34]使生物膜反應器分別在15 g/（m2·d）、20 g/（m2·d）、25 g/（m2·d）和30 g/（m2·d）4 種CODCr負荷下運行發現，隨著CODCr負荷從15 g/（m2·d）增加至30 g/（m2·d），COD 去除率分別為83.80%、87.70%、89.50%和89.60%。COD 去除率在CODCr負荷為25 g/（m2·d）時接近最高值，為89.50%，其出水COD 濃度也保持穩定在9 mg/L 左右。若再繼續增加CODCr負荷，COD 去除率不但沒有明顯增加，反而使出水的COD 濃度偏高，達到12 mg/L 以上。而隨著進水COD 濃度的升高，氨氮濃度也有所增高。但出水中氨氮濃度能保持在一個穩定的水平，為1.30 mg/L 左右，去除率則呈現先上升后穩定的趨勢，同樣是 在CODCr負荷為25 g/（m2·d）時達到最高，為86.40%[34]。

2.2.4 其他因素

除了以上因素，還存在一些其他的環境因素影響生物膜的形成，如基質掛設密度、水體溫度、pH、水體曝氣量、營養條件以及鹽度等[35]。環境因素不同，細菌的生存方式也不同，因適應生存需要而發展出不同形態。

3 生物膜的作用機理

研究發現，生物膜上附著的大量細菌與藻類通過自身代謝作用將水體中的過量營養物質吸收與轉化為自身生長繁殖所需的能源和食物[36,37]，顯著降低養殖水體營養物質含量，改善水體富營養化，凈化養殖水體。生物膜法主要通過污染物質在液相和生物膜中的擴散和有機污染物的氧化和分解去除污水中的污染物[38]。

生物膜對污染物的處理過程主要分為三個階段：（1）通過生物膜的吸附作用使污染物附著于其表面并向內部擴散，生物膜上的微生物對目標污染物具有一定趨向性；（2）在生物膜內微生物分泌的酶的作用下將污染物進行生物轉化；（3）代謝產物通過擴散或解吸作用排出生物膜外[39]。

4 生物膜在水產養殖水處理中的應用

4.1 生物膜對水質調控的影響

水產養殖業廢水中含有大量的溶解性有機物、排泄物及食物殘渣，直接排放嚴重危害自然環境，利用生物膜法處理養殖廢水，可降低水體中的有機物含量，對防止水華及赤潮現象的發生具有重要作用[40,41]。

車建鋒等[42]采用生物膜法處理羅非魚（Oreochromis mossambicus）和草魚（Ctenopharyngodon idellus）混養池中的養殖廢水，發現總氮和總磷的濃度分別由7.45 mg/L 和1.69 mg/L 降至0.66 mg/L 和0.25 mg/L，去除率分別達到了91.14%和85.21%。實驗期間硝態氮、亞硝態氮和氨態氮濃度一直處于較低水平。生物膜對維持硝態氮、亞硝態氮和氨態氮等水質指標具有一定的貢獻作用。鄒俊良等[43]研究了移動床生物膜反應器對養殖廢水處理效果的影響，發現水力停留時間為8 h，DO 為2.0～3.0 mg·L-1的情況下，COD 和氨氮的去除率均能達到80%以上，TP 去除率為50%左右；在有機負荷為（0.76±0.03）kg·m-3·d-1時，TN 及氨氮去除率分別能達到71.73%及98.42%。以上研究可以看出，生物膜法對養殖廢水具有良好的處理效果，而且對養殖水體的水質調節也能起到一定的維持作用。

4.2 生物膜對水產品產量的影響

將生物膜技術應用到水產養殖中，不僅能調控水質，還會增加水產品的養殖產量，降低飼料系數，促進生物膜技術和我國水產養殖業持續健康發展。Haque 等[44]在羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii）養殖中應用生物膜法，明顯改善羅氏沼蝦生存率與凈產量，羅氏沼蝦的增長速度加快。生物膜的使用還能提供額外的食物來源，降低飼料系數[45,46]。汪宏偉等[47]采用生物膜法處理草魚、福瑞鯉（FFRC Strain Common Carp，Cyprinus carpio）、異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）中科3 號等混養池的養殖廢水，發現魚類成活率、產量分別顯著提高5.86%、22.96%（P＜0.05），飼料系數顯著降低9.68%（P＜0.05）。張圓圓等[48]在黃河鯉（Cyprinus carpio haematopterus）新品系、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）、草魚的混養水體中采用生物膜法，發現魚類產量明顯提高、發病率和投餌系數明顯降低。采用生物膜法養殖凡納濱對蝦（Litopenaeus vannamei）和鰻鱺（Anguilla japonica），飼料的使用量分別降低了26.80%和14.20%，養殖產量分別提高了150%和38%，利潤分別增加了22.10 萬元/hm2和77.25 萬元/hm2[49,50]。

上述研究結果表明，在水產養殖中應用生物膜法效果明顯，可以科學合理的提高水產品產量和品質，降低飼料系數和發病率，提高經濟效益。

5 研究展望

近年來，我國水產養殖業發展迅速。然而過低的飼料利用率導致剩余的大部分飼料以氮和磷等形式存在于養殖廢水中。這些廢水若不經處理直接排入自然生態環境中，易造成水體嚴重富營養化[17]，影響水體中其他動植物的生存，破壞生態環境。生物膜對水產養殖廢水處理效果顯著，凈化水質應用前景良好。建立高效健康養殖模式，促進我國水產養殖業可持續健康發展是目前我國養殖業發展面臨的重要問題。

目前，許多關于生物膜的研究尚不成熟，生物膜如何快速成熟、生物膜載體對水質的處理效果等。未來應深入探索、加大推廣力度，積極普及生物膜法凈化水產養殖廢水的研究和應用。