生物絮团养殖池塘中浮游植物的群落结构特点

王慧博，宋聃，黄晓丽，霍堂斌，王秋实，都雪

（中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070）

生物絮团技术（Biofloc Technology，BFT）通过人为添加有机碳（C）源调节养殖水体中的碳/氮（C/N）比例，促进水体中异养菌大量繁殖生长，同化作用将水体中的无机氮（N）等有害N 源，转化成可被养殖生物摄食利用的菌体蛋白，具有稳定、调控养殖水体水质、循环利用营养物质、提高养殖产量的作用[1-3]，是目前较为先进的水产养殖技术之一。BFT 技术比传统大排放水的水产养殖模式更能保持养殖水质稳定，降低养殖成本病害的发生，减少水资源的浪费和交叉污染[4]。

目前，有关BFT 技术的研究主要集中在C 源添加、C/N 比例调节和BFT 技术对养殖水体水质的影响等[5,6]，而关于BFT 技术对养殖水体浮游生物群落影响的相关研究鲜有报道。浮游植物对养殖水体有机物同化和营养物质的移除起关键作用，是鱼虾、贝类等生物的重要饵料来源[7,8]。浮游植物的群落组成、时空分布等可以间接反映水环境的动态变化，是养殖水体健康情况的重要指标之一[9]。本文通过研究BFT 技术对养殖池塘浮游植物群落结构的影响，探讨BFT 技术下养殖水体浮游植物的群落变化，以期为BFT 技术在养殖池塘中进一步研究和推广提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验在中国水产科学研究院黑龙江水产研究所呼兰实验站6 个740m2、深约2 m 的池塘中进行。在2015 年5 月初，清理了试验池塘的水生植被，蓄满自来水，用鼓风机通过纳米微孔曝气盘进行曝气，接受室外阳光直射，假设试验开始时各试验池沉积物组成没有差异。每个池塘放养镜鲤Cyprinus carpio specularis、鲢Hypophthalmichthys molitrix 和鳙Aristichthys nobilis，体质量分别为（200.00±6.18）g、（561.00±12.11）g 和（619.00±21.96）g，密度分别为135 g/m2，45 g/m2和15 g/m2。

随机选择3 个池塘作为BFT 组试验池，以葡萄糖和淀粉（1∶1，v/v）作为有机C 源，以异养细菌（芽孢杆菌属Bacillus）作为絮凝菌种培育生物絮团。根据BFT 技术常规方法[5]，每两周投加一次C 源，每次投加7.5 g/m3；每4 周投加一次异养细菌，每次投加0.225 g/m3。其余3 个池塘作为对照组试验池，不添加有机C 源和异养细菌。每天投喂3 次34%粗蛋白质含量的颗粒饲料。实验开始时日投饲率为鱼体质量的5%，逐渐降至2%。采样期间除补偿自然蒸发水量之外，没有其他水交换。

1.2 样品采集及处理

放养1 周后，2015 年5 月21 日—9 月4 日，每2周11:00 am—12:00 am 取水样1 次。用5L 有机玻璃采水器采集1L 水样后，用鲁哥氏液固定。在实验室内，沉淀48h 后，弃除上清液，留取30 mL 浓缩液作定量样品。在光学显微镜下鉴定、计数，浮游植物湿重参考文献[10]。根据《淡水浮游生物研究方法》进行浮游植物定性、定量[11]。

参照《水和废水监测分析方法》[12]，测定水样的高锰酸盐指数（CODMn）、可溶性磷酸盐（SRP）、硝酸盐氮（NO3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）、总氮（TN）、总有机碳（TOC）含量；用YSI6600水质分析仪现场测量水温（WT）、溶解氧（DO）和pH。

1.3 数据处理

浮游生物的优势种用优势度（Y）确定；用Shannon-Wiener 多样性指数（H'）、物种丰富度指数（SR）和Pielou 均匀度指数（J'）研究浮游植物群落多样性。各计算公式为：

浮游生物优势度（Y）：

物种多样性指数Shannon-Wiener（H'）：

物种丰富度指数Richness（SR）：

物种均匀度指数Pielou（J'）：

式中，S 为群落中的物种数目；fi为第i 种的出现频率；Pi为第i 种个体数量在总个体数量的比例；Y为优势度，Y＞0.02 的种类定为优势种[13]。

1.4 统计分析方法

采用SPSS 24.0 软件进行Pearson 相关分析研究环境因子对试验池浮游植物群落多样性的影响。

采用R 软件分析浮游植物物种与环境因子的关系。物种生物量数据进行Hellinger 转化，除pH 外的水环境因子数据进行log（x+1）转换[14]；然后，对数据进行去趋势对应分析（Detrended correspondence analysis，DCA），检验典范对应分析（Canonical correspondence analysis,CCA）单峰模型排序是否比冗余分析（Redundancy analysis，RDA）排序对数据分析更适宜，发现前者对数据分析更适宜；采用CCA 分析方法，进行物种—环境因子关系排序，用双序图表示排序结果。

2 结果与分析

2.1 BFT 组和对照组池塘水体环境因子

由表1 可知，BFT 组和对照组池塘水体水温和TOC、NO2-N、TN、CODMn含量均呈升高趋势，其他环境因子变化不显著。

有机C 源添加后，2 个试验组水体的TOC 含量显著升高，5 月21 日试验刚开始时，对照组TOC 值高于BFT 组，随着试验的进行BFT 组逐渐高于对照组，到9 月4 日BFT 组的TOC 含量为对照组的2倍。BFT 组试验池CODMn值逐渐升高，到9 月4 日升到最高值，而对照组变化不明显。2 个试验组的TN含量逐渐升高，BFT 组增速要高于对照组。对照组NO2-N 和NO3-N 含量高于BFT 组，NO2-N 值于8 月20 日开始迅速升高，刚开始每组NO3-N 的含量变化都不大，7 月6 日迅速升高到最大值，之后逐渐降低。

2.2 BFT 组和对照组池塘水体浮游植物种类及数量

2 组试验池共鉴定出浮游植物7 门9 纲73 属，其中绿藻门Chlorophyta 种类数最多，共2 纲5 目13科40 属，其次是蓝藻门Cyanophyta 1 纲3 目8 科16属和硅藻门Cryptophyta 2 纲5 目5 科9 属，隐藻门Cryptophyta、裸藻门Euglenophyta、甲藻门Dinophyta和黄藻门Xanthophyta 均为2 属。

BFT 组浮游植物总平均生物量为57.70 mg/L，对照组总平均生物量为75.96 mg/L。试验前期阶段2 个试验组浮游植物生物量差异不大，6 月21 日开始2组均迅速升高，到7 月6 日对照组浮游植物生物量趋于最高值，而BFT 组在7 月21 日生物量趋于最高值并超过对照组，之后逐渐下降。到8 月5 日，对照组迅速升高再次超过BFT 组，之后逐渐下降。

BFT 组和对照组浮游植物优势种均为蓝藻门，其中BFT 组优势种分别为席藻Phormidium、细小平裂藻Merismopedia minima、广州平裂藻Meriamopedia cantonensis 和隐球藻Aphanocapsa；对照组优势种分别为微囊藻Microcystis、席藻、颤藻Oscillatoria、细小平裂藻和广州平裂藻。

表1 不同采样时间BFT 组和对照组池塘水体理化因子特征Table 1 Physical and chemical factors in BFT and control ponds during experimental period

2.3 浮游植物与环境因子的相关性

2.3.1 浮游植物多样性与环境因子的Pearson 相关分析

BFT 组浮游植物的Shannon-Wiener 指数、物种丰富度指数和Pielou 指数变化范围分别为1.95～2.53，平均值为2.20；21～38，平均值为31；0.60～0.69，平均值为0.64。对照组浮游植物的相应指数变化范围分别为0.96～2.53，平均值为2.12；13～35，平均值为27；0.35～0.71，平均值为0.64。

由表2 可知，BFT 组浮游植物物种丰富度指数与水温、TN 呈极显著正相关；Shannon-Wiener 指数与水温、TN 呈显著正相关；Pielou 指数与环境因子没有明显相关性。对照组浮游植物物种丰富度指数与水温、NH4+-N、TN 呈显著正相关；Shannon-Wiener 指数和Pielou 指数与环境因子都没有明显相关性。

2.3.2 BFT 组试验池浮游植物与环境因子的CCA分析

选取BFT 组浮游植物优势种和出现频率≥60%的种类，与环境因子进行CCA 分析，环境因子数据见表1。在CCA 排序中，排序轴1 和排序轴2 分别解释物种与环境因子关系的30.4%和15.0%，前两轴共解释物种与环境因子关系的45.4%，物种和环境因子相关系数都达到1，表明排序能够较好地反映物种与环境因子间的关系。物种的两个排序轴之间相关系数和环境因子的两个排序轴之间的相关系数均为0，表明排序结果可靠[15]。

图1 BFT 组和对照组池塘浮游植物生物量情况Fig.1 Phytoplankton biomass in BFT and control ponds

表2 BFT 组和对照组浮游植物多样性指数与环境因子的Pearson 相关分析Tab.2 Pearson correlation analysis between the phytoplankton diversity index and the environmental factors in BFT and control ponds

图2 BFT 组浮游植物与环境因子的CCA 排序图Fig.2 Ordination biplot of canonical correspondence analysis between phytoplankton species and environmental factors in BFT ponds

由图2 可知，TOC、CODMn、TP 和SRP 是排序轴1 的重要影响因子，其中TOC、CODMn和SRP 与排序轴1 显著正相关，相关系数分别为0.7846、0.6822 和0.5571；TP 与排序轴1 显著负相关，相关系数为-0.5771；SRP 和WT 是排序轴2 的重要影响因子，与排序轴2 显著负相关，相关系数分别为0.5307 和-0.4985。CCA 排序结果表明，对BFT 组浮游植物群落结构及其分布影响较大的环境因子是TOC、CODMn、TP、SRP 和水温。CCA 排序图表明，CODMn与二角盘星藻显著相关，TOC 和CODMn同时与隐藻和四尾栅藻显著相关；水温与针杆藻显著相关；TP 与细小平裂藻、席藻、隐球藻显著相关；SRP 与颤藻显著相关。

3 讨论

BFT 组试验池浮游植物生物量呈先上升、后下降的趋势，这与杨希等[16]和聂伟等[17]在生物絮团技术对浮游植物影响的研究结果基本一致。生物絮团一般从开始形成到成熟需要10～15d[18]，试验从5 月21 号开始到6 月6 日期间为生物絮团形成期。生物絮团稳定后到6 月21 日，BFT 组浮游植物生物量开始上升，一直到7 月21 日上升到最大值。试验前期生物量上升是由于用BFT 技术的养殖水体中有机物经微生物分解转化为浮游植物生长所需的无机物质，浮游植物通过光和作用将无机物转化为有机物，为养殖池塘中鱼类的生命活动提供物质和能量。但试验后期浮游植物生物量上升到最大值之后，开始逐渐下降。继Avnimelech[19]发现生物絮团促进罗非鱼生长的同时可以去除养殖水体无机N 浓度和净化水质之后，大量研究进一步证明了BFT 技术在养殖水体中去除三态N 和净化水质的机理[20]。本研究中，对照组试验池中NO3-N 和NO2-N 含量均高于BFT 组。当生物絮团系统处于稳态后，对池水中的三态N 的去除率逐渐增大，导致池塘中可供浮游植物生长所需的营养元素减少，使后期浮游植物生物量逐渐减退。而7 月6 日对照组试验池水样中，绿藻四角盘星藻的爆发使浮游植物生物量增量远高于BFT组，这可能是季节变化水温逐渐升高，加上NO3-N 含量较高导致。与对照组相比，BFT 组生物絮团系统处于稳态后对NO3-N 的去除作用降低了绿藻爆发的风险，起到了防止池塘水华导致鱼类缺氧和调控、稳定水质的作用。BFT 组后期浮游植物生物量逐渐降低，另一个原因可能是试验后期生物絮团大量悬浮，降低了池塘水体透明度，影响了浮游植物的光合作用[14]。

在温带水体中，水温是影响浮游植物季节变化的主要推动力。硅藻最适宜生长温度在10～25℃之间[21]，蓝藻和绿藻易在较高温度（30～40℃）水体中形成优势，蓝藻的适宜温度相比更高[22,23]。随着池塘水温到夏季逐渐升高，加上BFT 组试验池添加有机C源，使水温和TOC 成为影响浮游植物群落的主要环境因子。浮游植物与环境因子的相关性分析表明，TP、SRP、CODMn、TN、NH4+-N 与浮游植物群落有显著相关性。TP、SRP 和TN 与蓝藻显著相关，其中TP 与细小平裂藻、席藻、隐球藻显著相关；SRP 和TN 与颤藻显著相关。BFT 组和对照组浮游植物优势种均为蓝藻门，BFT 组席藻优势度最高，而对照组隐球藻优势度最高，多种蓝藻如微囊藻和颤藻变为优势种，使BFT 组浮游植物多样性指数高于对照组。优势种分析表明，席藻的爆发与生物絮团的形成可能存在一定的相关性。生物絮团技术增加了池塘水体中异养菌的数量，异养菌的反硝化聚磷作用[24]导致BFT组TP 低于对照组，成为影响BFT 组试验池浮游植物群落的重要环境因子，也使席藻在BFT 组CCA排序图中与TP 显著相关，蓝藻的生长反过来也会吸收一定量的TP[25]。所以席藻与TP 的相关性也反过来证明了生物絮团生长与席藻爆发的相关性。与浮游植物群落显著相关的环境因子中，除了与蓝藻显著相关的环境因子外，其他因子如CODMn、TOC 和NH4+-N 均与绿藻显著相关，其中CODMn和TOC 与隐藻和四尾栅藻显著相关，NH4+-N 与小球藻Chlorella、衣藻Chlamydomonas、纤维藻Ankistrodesmus 显著相关。蓝藻和绿藻与环境因子相关性远高于其他藻类，且生物絮团对蓝藻和绿藻均有抑制作用，BFT 组试验池中绿藻门和蓝藻门生物量均低于对照组，这与聂伟等的研究结果相同，但是对其他藻类的抑制作用不明显。本研究以芽孢杆菌作为絮凝菌种培育生物絮团，生物絮团对藻类的抑制作用，除了异养菌与藻类竞争N、P 等营养盐，还与芽孢杆菌是一种溶藻菌，通过直接接触或者释放某些特异或非特异性的胞外物质溶解藻细胞有关[26]。

小结

调查发现，BFT 组试验池浮游植物生物量低于对照组，呈先上升、后下降的趋势。前期浮游植物生物量上升趋势是BFT 技术使水体中有机物经微生物分解转化为浮游植物生长所需的无机物质，供浮游植物生长。后期下降一是异养菌的大量繁殖使三态N 的去除率增加，供藻类生长的营养元素减少；二是试验后期生物絮团大量悬浮导致池塘水体透明度的降低，影响了浮游植物的光合作用。BFT 技术对养殖水体水质的影响表现在微生物的同化作用可以转化水体中的无机N 等有害N 源为养殖生物摄食利用的菌体蛋白。本文中BFT 组试验池中生物絮团系统处于稳态后对NO3-N 的去除作用降低了绿藻爆发的风险，起到了防止池塘水华导致鱼类缺氧和稳定、调控养殖水体水质的作用。BFT 技术应用于养殖池塘中需注意，当生物絮团大量悬浮时应及时清理过多的絮团颗粒，防止水体透明度过度降低影响浮游植物和水生植物的光合作用，进而影响养殖鱼虾的摄食和生长。