生物膜净水技术及其在池塘养殖中的应用

文/杨浩辰 祁洪芳 曲疆奇 刘青 张清靖,,

生物膜技术作为一种高效水处理技术，已成为池塘养殖绿色发展中的重要技术之一。本文综述了生物膜的形成过程、净水原理、影响生物膜形成的主要因素，并介绍了生物膜对池塘水质的调控机理及其在池塘养殖中的应用，以期为池塘养殖业的可持续发展提供参考。

长期以来，池塘养殖在我国水产养殖中占据着举足轻重的地位。据统计，2019年淡水池塘养殖面积264.47万公顷，养殖产量2230万吨，占淡水养殖总产量的74%（《2020中国渔业统计年鉴》），其养殖方式多以传统的粗放池塘养殖为主，但这种传统池塘养殖方式与水资源高效利用及水域生态环境保护的矛盾日益加剧。为改善这种现状，农业农村部等十部委于2019年2月联合发布了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》，意见中提出转变养殖方式，改善养殖环境，大力发展生态健康养殖，加快构建水产养殖业绿色发展的新格局，促进产业健康发展。

生态循环池塘养殖模式是水产养殖业绿色发展的重要模式之一，在该模式中，多用生态塘、生态沟渠、人工湿地、生物浮床等生态工程净化养殖水体中的污染物，主要特点就是利用这些生态调控措施中的载体形成生物膜，实现对养殖废水、污水的高效净化。但生物膜的生成是微生物与环境共同作用的综合过程，受环境影响较大。本文综述了池塘水质调控中生物膜形成过程及影响因素，以及最新相关研究与应用进展，对于读者发展绿色生态池塘养殖具有一定借鉴意义。

一、生物膜形成过程及净水原理

（一）生物膜的形成过程

生物膜的形成是微生物在载体填料上附着、生长、脱落等动态过程的综合结果，主要分为可逆附着和不可逆附着两个阶段（图1）。浮游细胞附着在载体填料表面的过程被称为表面附着，表面附着是生物膜形成的重要过程之一，有机水体经过填料载体时有部分微生物会附着于填料载体凹陷处，由于此处微生物面对的水力剪切力较小，易于微生物的细胞鞭毛、菌毛和伞毛等细胞附属物可逆地附着在载体的表面。微生物菌在水流作用下会不断离开表面，回到水体中，形成动态平衡，此过程为可逆吸附。

图1 生物膜形成过程及条件（引自Masanori, 2015）

随着污染物的聚集，在填料凹陷处的淤泥不断增加，微生物在获得充足供氧和底物的情况下开始大量生长繁殖，此过程为不可逆附着。不可逆附着后微生物细胞开始形成微生物群落，这些微生物群落通过细胞增殖生长并产生胞外聚合物（EPS），EPS可以保护细菌细胞对抗氧化作用、水中的抗菌素和金属阳离子等。经过长时间附着生长，微生物在载体表面将获得一个稳定的生长环境，生物膜迅速增长变厚并逐渐覆盖载体表面。此后，随着生物膜的积累增厚，水力剪切力对生物膜的影响变大，使得生物膜表面脱落，此时水中悬浮物增加，生物膜变薄。这种生物膜的形态变化可以使其代谢适应有氧或缺氧条件下的物质交换。

（二）生物膜的净水原理

微生物生长附着于填料载体表面，通过聚集和其代谢产物共同形成生物膜结构（图2）。生物膜水质净化过程为将流动水层中的CO2、O2以及有机物质传递至附着水层，再通过生物填料上的生物膜净化附着水层中的有机污染物。有机污染物进入生物膜好氧层发生硝化反应，将NH4+转化为NO2-和NO3-，再进入厌氧层进行反硝化反应，将NO2-、NO3-以及无机氮转化为N2，膜内微生物对有机物进行代谢降解，并利用有机物繁殖扩增，形成动态平衡，降低水体中NH4+、NO2-等不利于鱼类生长的离子含量，从而营造出一个良好的养殖水环境。

二、影响生物膜形成的主要因素

生物膜的形成是多种因素相互作用的结果，它与载体表面性质、微生物的性质及环境等因素有关。而养殖池塘中生物挂膜构建成功与否、生物膜质量高低都将直接影响生物膜的增殖发育与净水效率。通常情况下，生物膜从发育到成熟需要30d～45d左右，而适宜的条件可以使生物膜的成熟周期更短、质量更高，从而获得更好的净水效果。因此池塘养殖中适宜的载体及其环境对生物膜的快速形成和稳定增殖十分重要。

（一）载体表面性质

载体表面性质是影响生物膜形成的重要因素，其表面的带电性、粗糙度、形态特征、填料密度等都会直接影响生物膜的形成过程。一般条件下，微生物表面带有负电荷，通过氧化反应、低温等离子体处理等方式，使得载体表面带有正电荷，可增强载体表面与微生物细胞间的静电作用，更加利于微生物附着。载体表面的粗糙度会影响细胞膜与载体的接触面积，粗糙的表面利于增加细胞和载体间的摩擦力，减少液相中生物膜承受的水力剪切力。载体的形态特征会形成特定的空间格局，进而影响微生物的聚集、增长和生物膜的形成。填料密度影响着微生物膜形成的时间和厚度，较低的填料密度会降低微生物附着成功的概率，从而降低有机物去除率。

（二）水温

水温会影响生物膜中酶的活性。微生物的生长依赖于一系列复杂的酶反应，过低的水温会使得生物膜中微生物物质交换速率下降直至停止。水温也会影响传质速率，过低的水温会减缓微生物与氧气的交换速率，而传质速率会限制生物膜的整体生长以及污染物的去除率。此外，水温可能会影响生物膜的性质，从而改变生物膜内的能量传输。

（三）pH值

水体的pH值会影响生物膜中微生物的电化学活性，微生物的电化学活性不仅在氧化还原反应中发挥关键作用，而且会影响微生物的生物电化学系统（BES），BES中阳极微生物膜主要由水体中的微生物附着生成，负责分解氧化废水中的有机污染物，因此，控制水体中的pH可以有效控制微生物的电化学活性，从而影响微生物膜净水效率。微生物膜增殖生长所需的最适pH范围在5.5～8.5之间，同时硝化与反硝化作用的最适pH范围为7.0～8.4，此时的微生物酶活性最强，微生物挂膜效果最好。

（四）溶解氧

溶解氧（DO）是影响生物膜形成的关键因素，水中的溶解氧浓度决定了生物膜中微生物的呼吸类型以及硝化作用类型。硝化反硝化过程（SND）需要好氧区和厌氧区同时存在，而生物膜内部好氧区和厌氧区的形成需要通过控制DO的浓度来完成。DO的增加或者降低都会对好氧硝化和厌氧反硝化产生影响，DO增加，好氧硝化速率上升；反之，DO降低，厌氧反硝化速率上升。对于控制DO从而实现SND的研究有很多，但不同的研究结果表明DO浓度对SND的影响有较大的差异。

（五）碳氮比

碳氮比（C/N）是影响生物挂膜效率的重要指标之一，水体中C/N可影响EPS的生成与形态，从而改变整个生物膜结构，影响生物膜的形成时间。不同的C/N对生物膜的微生物群落结构也有显著影响，水中的C/N对硝化反硝化过程起到决定性作用，过低的C/N使得反硝化作用因没有足够的电子供体而变得缓慢或停止，随着C/N的升高，反硝化作用将明显增强。

（六）其他影响因素

图2 载体表面物质交换

除上述主要影响因素外，生物膜的形成还与微生物浓度与活性、营养物质、水力剪切力等因素密切相关。微生物的浓度和活性影响微生物的附着时间和生物膜的增长速率。研究表明，微生物浓度对微生物附着速度存在临界值，在临界值前，微生物的浓度越大生长扩散速率越快，生物膜的形成速度越快；超出临界值后，微生物浓度将不影响微生物膜的形成速率。微生物活性可以用微生物的比增长率来描述，微生物的生物活性与载体表面附着量呈正比，较高的生物活性使得细胞分泌更多的EPS，更有利于微生物的固定和黏连。水体中的营养物质可以为微生物的繁殖增长提供必要的物质基础，养殖水体中主要营养源为鱼类的粪便、饲料残饵等，其中丰富的NH4-N、NO3-N、PO4-P等是合成生物膜以及保持生物酶活性的必要物质。适当的营养物质可以加速生物膜的形成，使生物膜生长得更密更厚，而过高的营养物质浓度会抑制微生物的生长发育。水力剪切力在微生物附着初期起着尤为关键的作用，较大的剪切力会破坏微生物的鞭毛和EPS等，使得微生物无法附着。生物膜增殖过程中，生物膜所受剪切力的大小会影响其形态和物理性质，研究表明，在低流速层中，会形成形状不规则但不具有明显方向性的单个微生物群落，而在较高剪切力条件下生长的生物膜通常是丝状的，在17000雷诺数时丝状生物膜的长度最大，更高的剪切力将会破坏生物膜的生长。

三、生物膜在池塘养殖水体调控中的应用

（一）生物膜对池塘水质的调控机理

生物膜净水技术因净水成本低和净化效果好，已在许多养殖池塘中应用。载体基质上生长的藻类和生物膜可以固化、分解养殖水体中有机氨氮和无机氮化合物。其中，藻类的光合作用吸收CO2维持水体中的碳酸盐浓度平衡，pH、游离的氨氮和磷化物由藻类同化为其自身组织结构或者转化为无机物和氨基酸重新排放至水体中；生物膜上的亚硝化细菌、硝化细菌和反硝化细菌等通过硝化作用、反硝化作用，将氨氮脱离水体形成N2排出系统；异养细菌通过同化作用，将水体中的氨氮及磷化物转化为自身组成成分。上述三种途径共同作用，达到降低养殖水体中氨氮水平的目的，因此利用生物膜水质修复技术能够有效地降低池塘污染水体中的氨氮浓度，调控池塘水质。

（二）生物膜技术在池塘水质净化中的应用

近年来，生物膜技术已逐渐应用在各种水产动物的池塘养殖中，产生了显著的经济效益与生态效益。Asaduzzaman（2009）在罗氏沼虾的池塘养殖实验中，发现通过加入以竹子为载体的生物膜可以控制池塘中的C/N，从而显著提高浮游生物丰度，降低水体中氨氮化合物，维持水体中pH稳定，显著提高罗氏沼虾的增长率，获得了较高的经济效益。袁梦东等（2012）通过藻类菌固化小球去除养殖废水氮磷的试验，发现多种微生物共生系统可以降低池塘养殖水体中的总磷、氨氮和亚硝酸盐，在养殖池塘的水体中分离培养出琼氏不动杆菌、鲍氏不动杆菌和枯草芽孢杆菌，三个细菌与藻类优势互补，共同作用改善水产养殖池塘的水质。Verónica等（2012）在小龙虾幼体的生长发育中加入生物膜作为生长基底，结果表明处理组的小龙虾幼体存活率上升40%～60%，同时处理组水体中的氨氮和亚硝酸盐显著低于对照组。对照组换水后的15d，氨氮和亚硝酸升至换水前水平，而处理组中水质指数变化较小，说明将生物膜作为养殖基底有利于维持水体稳定，减少病害发生，提高小龙虾幼体存活率。江兴龙等（2013）将生物膜净水技术应用于凡纳滨对虾池塘养殖废水处理，研究发现生物膜低碳处理组水体的pH、总氮、亚硝态氮、无机氮和无机磷浓度分别显著低于对照组7.5%、78.8%、76.2%、53.2%和66.1%，DO浓度极显著高于对照组13.5%，证实了生物膜净水技术对于池塘养殖废水具有显著净化效果。同样在对虾养殖中，王贤丰等（2015）利用优势挂膜法培养生物膜，以甘蔗渣作为填料载体净化系统水质，结果表明在生物膜挂膜成功后的5d内，水体中总氮由8.49mg/L下降到2.4mg/L，亚硝酸盐氮由2.45mg/L下降到0.12mg/L说明生物膜对养殖水体中的氮化物有较快的去除速率和较高的降解率，显著提高对虾存活率。江兴龙和邓来福（2015）在池塘中培育草鱼鱼苗时加入生物膜净水栅，处理组的氨氮、总磷和硫化物显著低于对照组25.6%、41.6%和38.7%，显著提高了鱼苗的成活率、产量和生长速度，节省养殖成本。车建锋等（2017）在罗非鱼和草鱼的池塘混养中，以无纺布作为生物膜的生态基，发现实验期间水体中总氮和总磷的去除率达到了91.14%和85.21%，取得较好的去除效果，氨氮及亚硝态氮始终处于较低的水平，说明生物膜对于混养池塘养殖水体具有良好的净化效果。

总体来说，在池塘养殖中生物膜净水技术正在不断发展、提高，生物膜净水技术的应用在很大程度上解决了池塘养殖用水及排水的水质问题，显著改善了养殖池塘的生态环境，给水产养殖产业带来更多的经济效益，为行业的发展创造了更大的空间。

四、应用前景展望

目前，池塘养殖仍以传统养殖为主，养殖比较粗放，产业发展受环境因素制约较大。为提升养殖水平，改变养殖现状，通过调整养殖结构、转变养殖方式、推广清洁生产、防控养殖污染，可以实现由粗放经营、单一增产向提质增效、绿色生态转变，而生物膜技术是实现上述转变的重要技术之一。因此，随着生物膜技术在池塘养殖水体中大量应用并不断完善，其技术红利能不断转化为水产养殖业绿色发展的生产与生态红利，具有较广泛的应用前景。