生物絮团技术在水产养殖中的应用研究

张怖青， 江兴龙,2， 郑伟刚,2

(1集美大学水产学院，福建 厦门 361021；2鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心，福建 厦门 361021)

生物絮团技术在水产养殖中的应用研究

张怖青1， 江兴龙1,2， 郑伟刚1,2

(1集美大学水产学院，福建 厦门 361021；2鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心，福建 厦门 361021)

传统的水产养殖模式所带来的环境污染、资源浪费和病害频发等问题已成为制约我国水产养殖业可持续发展的主要因素。生物絮团技术(BFT)具有净化水质、提高饵料利用率及病害防控等优点，被认为是有望解决上述问题的新型健康生态养殖技术，已在国内外得到一定规模的应用，并获得了良好的经济、社会和生态效益。本文重点介绍了生物絮团的形成与培养、生物絮团的主要影响因素及其在水产养殖中的应用效果。研究认为，BFT能够改良水质、节约养殖用水、降低饲料成本、提高养殖对象存活率、增加养殖产量和效益；将BFT与生物膜技术相结合，能够更有效地维持养殖水体中适宜的生物絮团含量，避免生物絮团的过量沉积，并能提高水质改良及增产增收的应用效果，具有广阔的应用前景。

生物絮团; 水产养殖; 水质改良; 生物膜

生物絮团是指养殖水体中以异养微生物为主，经生物絮凝作用结合水体中有机质、原生动物、藻类、丝状菌等形成的絮状物[1]。生物絮团技术(Biofloc Technology，BFT)的基本原理是重复利用营养废物并将其转化为微生物生物量，进而被系统内养殖对象利用或经收获后加工成饲料成分[2]。通过不断曝气和搅拌水体，并向养殖水体中添加有机碳物质，人工调控养殖系统微生物的种类和数量，进而起到净化水质、促进营养物质循环、降低饲料系数、提高养殖生物存活率的作用[3]。由于BFT兼具调控水质及为养殖对象提供饲料蛋白源等作用，至今已成功运用于亚洲、拉丁美洲、中美洲的大规模养虾场，并在美国、韩国、巴西、意大利、中国及其他地区的小型温棚养虾模式中得到广泛应用[4]。本文重点介绍BFT在水产养殖中的研究与应用进展，并进行总结与展望，为该技术的应用推广提供参考。

1 生物絮团的形成与培养

1.1 生物絮团的形成

生物絮团的形成主要由细菌、藻类絮凝所引发[5]。对于室外养殖池，主要由菌藻共生絮凝引起；而室内养殖池内则主要由细菌间的生物絮凝引发[6]。絮团直径一般在几微米至几千微米之间，平均密度大约1 g/mL，沉降速度1～3 m/h，比表面积20～100 cm2/mL，因此具有很好的渗透性和悬浮性。絮团内总无机物占30%～40%，总有机物占60%～70%，微生物活体细胞占总有机质的2%～20%[7-8]。近年来不少学者利用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术研究了生物絮团内的细菌群落组成。如草鱼养殖池中，生物絮团形成过程中的主要细菌类群隶属放线菌纲、拟杆菌纲和β-变形菌纲，且在生物絮团的不同形成阶段存在特异的细菌类群[9]。

生物絮团的形成过程可以概括为：水体中异养微生物利用氨氮及有机碳，消耗一定的溶氧(DO)和碱度，转化为异养微生物自身成分。水产养殖条件下生物絮凝的理论方程式为[10]：

(1)

由上式(1)可知，氨氮、碳水化合物、溶氧和碱度是生物絮凝反应的必备因素。每1 g氨氮转化为细菌成分需要消耗4.71 g溶氧、3.57 g碱度和15.17 g碳水化合物。反应可以生成8.07 g的细菌生物体和9.65 g的二氧化碳。因此，要促进生物絮团的形成，必须向养殖水体提供较高浓度的溶氧、碱度，并添加适量的碳水化合物。

1.2 生物絮团的培养

生物絮团的培养主要有两种方式：一种是原位式培养，即直接在养殖环境中通过添加碳源、合理曝气等措施来促进生物絮团的形成，如跑道池模式高密度养虾[11]。原位式培养集絮团培养与养殖活动于一体，既能有效调控水质，同时培养出的絮团还可直接被养殖对象摄食；但大量添加碳源会造成水体透明度下降、溶氧降低以及絮团含量不易控制等问题。另一种是异位式培养，即将生物絮团的培养与养殖过程独立开来，首先采用序批式反应器(SBR)，按照一定的条件培养生物絮团，之后收集絮团并将其添加到养殖池或掺入饵料中进行投喂。这种方法便于实施，可控性强，并且可以解决原位式培养产生的鱼鳃堵塞、养殖对象缺氧等难题[12]。

2 影响生物絮团的主要因素

2.1 碳氮比和碳源

调控碳氮比(C/N)是生物絮团技术的核心[5]。C/N值的高低决定着水体清除总氨氮的方式。当C/N值很低时，养殖水体中主要依赖自养微生物、藻类清除无机氮，净化水体；当C/N值为8～10时，自养微生物和异养微生物共同发挥除氮作用；当C/N值达到15以上，主要依靠异养微生物清除无机氮[13]。依据异养菌的组成及代谢特点，BFT一般要求水体中C/N值达到15～20[4]。

通常情况下，如果水产养殖环境中的C/N较低，要培养生物絮团必须补充碳水化合物。常用的方法有两种：一是提高饲料中碳水化合物含量、降低饲料蛋白含量。饲料中添加的碳水化合物一部分可直接被鱼类摄食，其余的溶解到水体中可被异养微生物利用。利用此方法可以很好地控制水体中无机氮含量，但饲料中碳水化合物过多会导致鱼体脂肪含量升高[14]。二是额外添加碳源。目前常用的碳源：第一类是葡萄糖、果糖、蔗糖、糖蜜等简单糖类，加入到养殖水体后能被异养细菌快速分解利用，但价格较高且需要不断添加来保证生物絮凝过程的基本需要；第二类是淀粉、稻壳、竹子等复杂含碳化合物，需要经降解、分解成小分子后才能被异养微生物利用，价格相对便宜且效果稳定；第三类为农业副产品(小麦秸秆、麦麸、花生粕等)的发酵产物[8]。选择何种碳源应当具体考虑到成本、溶解性及利用效率等因素。碳源的理论添加量可依据以下公式确定[15]：

C=F×Nf×Ne/0.05

(2)

式中：C为碳源的每日添加量(g)；F为每日投饵量(g)；Nf为饲料中氮含量(%)；Ne为饲料氮的排出率(%)，约为50%。

由公式(2)可知，碳源的添加量与投饵量有关。研究表明，在对虾养殖系统中添加蔗糖有利于生物絮团的形成，适宜的添加量约为日投饵量的77%[16]；在罗非鱼养殖池中添加日投饵量30%的淀粉即可明显改善水质并提高饲料利用率[17]。因此，针对不同养殖对象、养殖密度及养殖模式，适宜的碳源种类及添加量不可一概而论，需具体开展试验研究获得。

2.2 曝气和溶氧

曝气是生物絮团养殖系统的必备要素。对养殖水体进行充分、均匀的曝气，既能为养殖对象提供充足的氧气，提高生长速度和产量，同时具有搅拌水体的作用，可增加水体与沉积物的混合强度，控制污泥分布[14]。溶氧(DO)是保证养殖对象健康生长及养殖池内各类生化反应顺利进行的重要因素。在生物絮团养殖环境中，养殖对象及絮团内异养生物对氧气总的需求量会更大。如在普通的罗非鱼养殖系统内DO应控制在3 mg/L以上，而生物絮团养殖系统中则要求在4 mg /L以上[18]，这就需要提供更高的曝气量。一般而言，传统虾塘中曝气机的配备功率为 7～11 kW / hm2，但在生物絮团虾塘中要高达20～40 kW /hm2，且缺乏曝气30 min后即可使溶氧降低至致死浓度[19-20]。通过搅拌可以增加水体中颗粒物、细菌、溶解有机物间的接触机会，促进絮凝体的形成。但比较高的搅拌强度会形成较高的剪切速率，加速絮凝体破裂，导致絮体规格变小[5]。在水产养殖环境下，一般的絮凝体的规格在130～200 μm之间。对于不同生长阶段、不同种类的养殖对象，其摄食的絮凝体规格也不一样，如鳕鱼幼鱼及罗氏沼虾幼体需要食物规格在250 ～1 200 μm范围内[21]。因此，需要根据具体养殖对象的特定需要来确定生物絮凝体的规格，进而确定适宜的搅拌强度。

2.3 温度和碱度

温度是影响絮团微生物代谢及水体中溶氧量的一个重要指标。温度过低会降低微生物活性，不利于絮团的形成；温度过高则容易使絮团膨胀，影响水质。在室内试验条件下，当水温控制在20～25℃时可获得稳定的生物絮体[22]。但针对不同的养殖对象，其适宜的养殖水温也有所差异，因此要根据具体情况调节水温在适宜范围内。

碱度是水体缓冲能力大小的标志，对水体pH的变化具有调节作用。在养殖环境中，碱度应控制在50 mg/L(以碳酸钙计)以上，pH维持在7～9[14]。在生物絮团养殖池塘中，硝化作用和异养细菌的同化作用都会消耗碱度[23]，尤其是硝化作用会大量消耗碱度，使得pH急剧下降，抑制异养细菌和硝化细菌的功能，导致氨氮积累。一般可通过添加碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钙等来调节碱度，使之保持在100～150 mg/L。在集约化的自养菌主导的生物絮团养殖系统中，每投喂 1 kg 的饲料大约需要添加 0.25 kg 的碳酸氢钠[24]。

2.4 总悬浮固体物

水体中总悬浮固体物(TSS)是影响絮体形成的重要因素之一。水体中 TSS 质量浓度越高，对絮体的形成越好。但TSS浓度不宜过多，否则容易沉积于池底形成活性污泥而加剧耗氧，或堵塞养殖对象鳃部造成缺氧等[14]。研究表明，当TSS浓度在 200～500 mg/L范围内可形成比较好的生物絮凝体[25]。在具体养殖活动中，TSS浓度的高低应取决于养殖对象的耐受限度。一般而言，应用生物絮团技术养殖鱼、虾的TSS浓度应分别控制在200、400 mg/L以内。当TSS浓度过高时会导致有机物沉积池底形成厌氧区域，引起养殖环境的恶化。此时须排出水体中多余的悬浮物，可通过换水或清除底部沉积物等途径来实现[14]。

3 生物絮团技术的应用效果

3.1 水质改良效果

BFT的特点之一就是能有效改善养殖水体、降低环境中氨氮和亚硝酸盐氮浓度。在生物絮团系统内，氮的去除主要依靠异养菌的氨转化。异养菌生长代谢速率快，约为硝化细菌的10倍[25]，可直接吸收氨氮并转化为自身菌体蛋白，且不产生亚硝酸盐氮。当添加碳源使养殖水体中总氨氮(TAN)/葡萄糖为1/20时，7 mg/L的氨氮降至1 mg/L只需约5 h[25]。向罗非鱼幼鱼养殖池中添加糖蜜使C/N>10，处理组亚硝酸盐氮含量显著低于对照组，且氨氮维持在较低水平[26]。近年来国内许多学者运用BFT养殖各种对虾及鲤科等鱼类，均取得了显著降低氨氮、亚硝酸盐氮浓度及节约养殖用水的效果[7,27]。

3.2 提高饵料利用效果

生物絮团中异养微生物可将水体中含氮化合物转化为菌体蛋白，大小适宜的絮团颗粒又可被鱼虾等养殖对象摄食，进而实现饲料蛋白的二次利用。生物絮团一般含粗蛋白38.5%～57.4%、粗脂肪20%～35%、粗灰分<20%、能量20～25 kJ/g[25]，并富含维生素与矿物质，可作为鱼虾等潜在的蛋白原料，替代鱼粉及大豆蛋白等的使用。研究表明，每1 kg罗非鱼每天可从生物絮团内摄入0.25g N，可提供约50%的鱼体所需蛋白；而虾类日常摄入的N有18%～29%来源于絮团[28-29]。在生物絮团养殖系统中，罗非鱼净产量提高45%[30]，对饵料的蛋白利用率从23%提高到43%，节约30%以上的饲料成本[31]。但是，生物絮团中缺乏鱼虾类所需的蛋氨酸等必需氨基酸，并不能代替饲料来满足对虾的营养需要，只能作为对虾的补充营养[11]，且单独投喂生物絮团会降低草鱼的增重率及特定生长率[7]。在养殖实践中，可考虑将生物絮团收集后添加到饲料当中，或适当减少饲料投喂量，既能节约饲料成本，又可实现生物絮团的营养价值，提高养殖产量和养殖效益。

3.3 病害防控效果

生物絮团对病害的防控主要通过两个途径实现：一是在养殖过程中实施零换水或少量换水，减少外源污染物、病原体的入侵机会[14]，为养殖对象提供一个更加安全、稳定的生长环境。二是絮团微生物及其代谢物的抗病效应，生物絮团中大量的异养菌可与弧菌等病原菌产生生物竞争作用，抑制病原菌的生长与繁殖；絮团中的芽孢杆菌属、产碱菌属及假单胞菌属等众多细菌均可产生聚-β-羟基丁酸(PHB)，其降解产物β-羟基丁酸具有抑制病原菌的作用，可降低养殖对象的感染率[32]；此外，絮团中细菌及藻类的某些胞外代谢物可扰乱病原菌的群体感应，使毒性信号分子失活[4]。研究表明，添加红糖和利生活菌，可提高对虾血清免疫酶活力，显著增强养殖对虾抗WSSV感染的能力[27]。用BFT养殖罗非鱼，幼鱼感染致病性链球菌后的存活率达75%～80%，显著高于对照组[33]。

4 总结与展望

4.1 生物絮团技术的应用范围

BFT具有改良水质、提高养殖存活率、降低饲料系数和防治病害等优点，被认为是解决水产养殖业发展所面临的环境制约和饲料成本问题的有效替代技术。但是，生物絮团养殖环境中含有大量的悬浮颗粒物，这就要求养殖对象具备2个条件：一是抗逆性较强，能适应养殖水体中较高的悬浮颗粒含量；二是能够摄食生物絮凝体并消化吸收其所含的菌体蛋白[34]。目前，BFT运用最多的是对虾和罗非鱼养殖，国内近年亦有将该技术应用于草鱼、建鲤、鲫鱼、团头鲂等鲤科鱼类[9,35-36]，以及海参、鲈鱼、斑点叉尾鮰等的养殖中[6,36]。本课题组也将该技术应用于鳗鲡养殖中，获得了良好的养殖效果。有研究表明，大菱鲆等喜好清洁水质的生物亦能适应生物絮团养殖环境[16]。至于其他养殖对象是否适应生物絮团养殖环境，还需作进一步探索。

4.2 生物絮团含量的控制

研究表明，在生物反应器中每添加1.49 kg的蔗糖即可产生1 kg的微生物絮团量[37]。虽然鱼虾类可摄食生物絮团，但摄食量并不多，比如，虾消耗掉的生物絮团颗粒不足总量的3%[28]。对于多余的絮团要及时清除出去，否则易导致生物絮团大量沉积，引起水质恶化、溶氧降低，过多的絮团还会堵塞鱼虾鳃部造成缺氧死亡等。当系统中硝化菌群趋于稳定后，可考虑停止添加碳源来降低生物絮团的累积量，此时系统可依靠自养菌去除水体中的氨氮及亚硝酸盐氮[38]。此外，还可探索与其他技术如生物膜技术等结合运用，以减少水体及沉积物中絮团物质的累积，有效控制水体中的生物絮团含量。

4.3 寻求更加适宜的碳源配方

目前应用较多的碳源为葡萄糖、蔗糖、糖蜜等易于吸收利用的糖类，这类碳源添加量较大且价格较高，往往会增加投入成本。将农作物副产物按一定条件进行发酵，亦可作为碳源添加到序批式反应器中培养生物絮团。此外还可考虑用甘油、乙酸钠等化合物培养生物絮团。研究表明，采用乙酸钠作为碳源，生物絮团模拟系统达到稳定状态所需的时间最短，且不受C/N影响，但碱度却维持在较高水平[39]。而在添加蔗糖、糖蜜等有机碳源的情况下，水体中碱度往往被过度消耗而得不到补充，需要定期添加碳酸氢钠等来提高碱度。因此，可考虑将乙酸钠与其他有机碳源结合运用，既能促进生物絮团的形成，又可维持水体呈弱碱性。所以，为了降低应用成本，必须探索适宜的碳源配方。

4.4 生物絮团技术与生物膜技术等的结合运用

生物膜养殖技术，一方面能为养殖对象提供庇荫场所，减少养殖对象的应激和游动，利于鱼体增重；另一方面生物膜上微生物等可结合养殖池中的有机碎屑、悬浮物等形成生物膜生物絮团而被养殖对象摄食，实现饲料蛋白的二次利用[40]，同时还可增大硝化及亚硝化细菌的附着面积，利于养殖系统内自养菌群的建立。将BFT与生物膜技术相结合，在设置生物膜载体的同时添加碳源，既能加强BFT净化水质、提高饵料利用率的作用效果，同时生物膜载体还可大量吸附水体中呈悬浮状态的生物絮团，有效避免因絮团含量过多而对养殖对象造成危害。本课题组将BFT与生物膜技术相结合进行花鳗鲡养殖，结果表明，按日投饵量的75%添加红糖可显著降低水体中氮、磷的浓度，换水率及饲料系数显著下降48.9%及12.6%；生物膜上絮团含量平均达(66.2 ±3.1)mg/根，而水体中絮团沉降体积平均仅为(1.36±0.47) mL/L，且养殖期间未发生絮团含量的爆发性累积。将两种技术相结合具有广阔的应用前景，未来可在高效生物膜载体的类型、设置密度、碳源添加水平及不同碳源的组合方面做深入研究。此外，将BFT与循环水系统相结合，利用循环水系统产生的固体废弃物，在序批式反应器中培养生物絮团并添加到养殖水体或饵料中，既能实现资源的重复利用，又不会对养殖对象造成直接危害。但针对怎样将生物絮团添加到饵料中来，采用何种工艺干燥生物絮团，既不破坏其营养成分又不影响其适口性，仍需作深入研究。

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The research progress of biofloc technology in aquaculture

ZHANG Buqing1，JIANG Xinglong1,2，ZHENG Weigang1,2

(1 Fisheries College, Jimei University, Xiamen 361021, China;2EngineeringResearchCenteroftheModernIndustryforEel,MinistryofEducation,Xiamen361021,China)

Problems such as environmental pollution, waste of resources and frequent occurrence of diseases brought in by conventional aquaculture modes have become the major factors restricting the sustainable development of aquaculture in China. Biofloc Technology has the advantages of improving water quality, increasing feed utilization efficiency, preventing disease etc., and is expected to be a new mode of healthy and ecological aquaculture technique to solve the above problems. It has been applied to some extent in the world along with good economic, social and ecological benefits. This paper mainly introduced and discussed biofloc formation and cultivation, the main factors influencing biofloc and its application in aquaculture, based on which, it was believed that biofloc technology can improve water quality, save water, reduce feed cost, raise the survival rate of culture species, increase yield and the overall benefit of aquaculture; what’s more, the combination of biofilm and biofloc technologies would better help to effectively maintain the concentration of desirable bioflocs, avoid excessive deposition of bioflocs, improve water quality and increase yield, and thus would have broad application prospects.

biofloc; aquaculture; water quality improvement; biofilm

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.06.007

2016-08-15

2016-11-20

福建省科技厅区域发展项目(2016N3002)；福建省教育厅面上项目(JA15279)；国家海洋经济创新发展区域示范专项(2012FJ03)；福建省科技厅高校产学合作项目(2016N5009)；鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心开放基金(RE201504)

张怖青(1990—),女，硕士研究生，研究方向：水产养殖。E-mail: buqzhang@163.com

江兴龙(1968—)，男，教授，博士，研究方向：水产养殖与水质管理。E-mail：xinlongjiang@jmu.edu.cn

S931.5

A

1007-9580(2016)06-033-06