生物絮团技术研究进展与应用概述

韩佳民，苏胜齐

( 西南大学 水产学院，渔业资源与环境研究中心，重庆 400715 )

随着世界人口的增长，全世界对于水产品的需求日益增加。然而当今捕捞业产量很难有增长空间，传统养殖模式又会带来诸如水资源的过度使用、养殖排污和饲料浪费等问题。同时饲料原料的价格上涨也导致养殖成本的增加。为了应对水产品养殖领域目前存在的种种问题，需要开发并推广更多生态友好型的养殖新技术。

生物絮团技术利用水体中微生物的絮凝现象，通过向养殖池塘中添加有机碳源和充分曝气使养殖水体中产生大量的微生物絮凝体[1-2]，这些微生物的集合称为生物絮团。大量的生物絮团悬浮在水体中可以通过同化水中的氨氮、亚硝态氮以及有机碎屑来净化水质，同时生成的菌体蛋白能被养殖对象利用，增加饲料的利用率[3]。

微生物的絮凝现象最早发现于酿酒业，此后关于细菌絮凝的研究多是在废水处理相关领域[3]。生物絮团技术的概念则是法国太平洋中心海洋开发研究所最早于20世纪70年代提出的[2]。1999年，以色列科学家Avnimelech[4]在养殖罗非鱼(Oreochromis)的过程中通过向水体中添加碳源控制碳氮比，促进生物絮团形成，显著提高了罗非鱼的成活率，并有效清洁养殖水体；随后他以此为基础进一步完善了生物絮团技术理论，并向全世界推广[3]。

生物絮团技术能够减少换水并提高饲料利用率，这顺应了水产养殖业目前以及未来的形势。该技术目前在我国以及世界多地已被成功运用于集约化养殖场中，但在实际生产中还存在一些问题。同时世界范围内的学者对于生物絮团的研究也还在持续。笔者详细阐述了生物絮团技术理论体系，并对生物絮团技术的研究进展与应用现状进行总结，以期为该领域的进一步研究与技术推广提供参考。

1 生物絮团技术原理

1.1 生物絮团的形成与组成成分

生物絮团是细菌、藻类、原生动物和有机碎屑等通过生物絮凝的作用形成的絮状体[5]。絮团形状不规则且粒径大小不一，最大甚至可达1000 μm[6]。自然界中也存在这种生物絮凝的现象，如在一些浅水池塘淤泥上生长的绿色絮状体，或者是海洋中的“海雪”现象。生物絮凝作用机理非常复杂，包括物理因素、化学因素以及生物因素，因此生物絮团的形成机制是多元而复杂的。首先，许多藻类或是细菌都具有分泌黏多糖胞外聚合物的能力，这些聚合物在生物絮团形成的过程中起到了黏合剂的作用。另一种机制是由于微生物表面负电荷在水中形成的斥力减弱，引起了絮凝现象。藻类在生物絮团中不仅起到絮凝作用，也能一定程度地同化水中的营养物质。在有光线的情况下，藻类的光合作用也能一定程度上提供氧气，并且死亡的藻类也为生物絮团提供了有机质[3]。

生物絮团的主体是细菌，而根据每个生物絮团养殖系统情况的不同，生物絮团内部细菌种类和比例也不同。目前国内外有很多团队对于生物絮团内部菌落结构进行研究，采用的方法大多为变性梯度凝胶电泳技术或高通量16S rDNA标签测序法[7-8]。有研究结果表明，生物絮团中的微生物大部分属于变形菌门[9-11]，而从纲的水平上看生物絮团培养过程主要微生物类群隶属于以下6个纲：α-变形菌纲、γ-变形菌纲、β-变形菌纲、放线菌纲、芽孢杆菌纲、拟杆菌纲。Wei等[12]的研究显示，使用不同的碳源会使生物絮团中α-变形菌纲、γ-变形菌纲、β-变形菌纲呈现不同的比例。夏耘等[13]的研究显示，生物絮团中除去一直占据优势的变形菌外，在不同的时间段也会出现不同的特异菌，其中第5天时特异菌为食酸菌属(Acidovorax)、气单胞菌属(Aeromonas)、土壤杆菌属(Agrobacterium)细菌，第10天和15天分别为芽孢杆菌属(Bacillus)与红球菌属(Rhodococcus)细菌。这些特异菌均被认为是产絮菌，能够促进生物絮团的形成，其中芽孢杆菌和红球菌同时还起到改善水质的作用。

1.2 生物絮团的异养同化作用与自养硝化作用

在生物絮团中，对氨氮的清除起主要作用的是细菌，然而在水体中，自养硝化细菌的建立过程相对较慢，在养殖前期无法起到彻底清除氨氮的作用，所以需要通过向水体中投入碳源使异养细菌大量繁殖，这些异养细菌同时可以快速同化水中的氨氮，并最终在养殖水体中形成生物絮团[1,14]。陈薇等[15]在养殖池溏活性污泥中分离出的施氏假单胞菌(Pseudomonasstuzeri)和芽孢杆菌属菌株，被证明以亚硝态氮为唯一氮源。这意味着生物絮团中的异养细菌也能在一定程度上做到对一部分亚硝态氮的转化。

异养细菌同化代谢的理论方程：

自养硝化细菌总代谢的理论方程：

而自养细菌的硝化过程又分为两个，即氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的反应过程，其粗略反应式为：

(氨氧化菌反应)

(亚硝酸氧化菌反应)

由上述方程可见，生物絮团对于氨氮的清除作用是建立在溶解氧充分的条件上，一旦溶解氧不充分，生物絮团对氨氮的清除作用就会减弱。由于自养细菌生长较为缓慢，且亚硝酸氧化菌的生长往往滞后于氨氧化菌，这就有可能在水体溶解氧不充分的区域积累一定量的亚硝态氮，从而对养殖对象产生威胁，造成系统崩溃。

1.3 原位生物絮团和异位生物絮团

生物絮团的方式有两种，分别是原位培养和异位培养。原位培养即直接在养殖池中培养生物絮团(图1)。原位培养也是最直接、最普通和应用最广泛的培养方式。在根据投喂饲料的成分和投喂量来计算出合适的碳氮比之后，选取合适的碳源直接投入水体中并保证溶解氧与水体搅动充分，就能在养殖池中生成生物絮团。生物絮团直接利用水体中的氨氮和饲料残渣，形成菌体蛋白，被养殖对象再次利用。但原位培养生物絮团对技术水平和管理水平要求很高，一旦整个系统失去控制，会直接威胁到养殖对象。同时养殖对象要适应固体悬浮物环境，并且能够摄食生物絮团。与之相对的异位培养技术即将生物絮团的生成和养殖活动分开，在外置序批式反应器中创造条件生产生物絮凝体，培养好后收集絮团进行投喂，或者作为水产饲料中鱼粉的替代物(图2)。

图1 生物絮团技术理论示意

图2 异位生物絮团技术

一些学者也对异位生物絮团养殖的效果进行了验证。试验结果表明，采用异位生物絮团技术可达到可观的净水效果[16]。但是异位生物絮团在养殖效果与免疫刺激效果上均较原位生物絮团技术略差[17]。当然这也意味着异位生物絮团技术存在优化的空间，而具体的应用和优化方案则需要更多的实践与探索。当然生物絮团需要时间在水中形成规模，除了在水体中添加营养促进生物絮团形成之外，也可以采取接种的方法，即预先培养好生物絮团或是在水中添加益生菌进行接种，利用这个方法可以达到人为干预生物絮团中的菌落类型的目的[18]。

2 生物絮团技术的作用

2.1 生物絮团对水质的调控

当生物絮团在水体中建立后，水体中的总氨氮将逐渐下降并稳定于较低水平。在溶解氧和水体搅动充足的前提下，整个系统最终会形成平衡以至于达到“零换水”的目的。从整体上看，生物絮团既是水质净化的主体部分，又能被养殖对象摄食。无论是养殖对象的代谢产物，还是没有被摄食的饲料碎屑，都能被生物絮团利用形成菌体蛋白，这些生物絮团在其粒径大小达到一定程度的时候自然就会被养殖对象摄食。在理想状态下，水体中的氨氮和亚硝态氮水平就能一直保持稳定(图1)。

国内外大多数的研究证明了生物絮团对于水质的调控作用，相关研究也证明了生物絮团对于氨氮和亚硝态氮具有很好的清除作用[19-23]，Shang等[24]的研究结果显示，养殖水体中的氨氮和亚硝态氮及硝态氮含量在试验期间内保持在合理水平。但在另一些研究中，在试验前期，养殖水体中的氨氮都有一个明显的上升，这是由于在养殖前期硝化细菌和异养细菌的群体尚未建立起来，此时整个生物絮团系统还没有进入平衡，氨氮和亚硝态氮产生的速率大于生物絮团对其的清除速率，造成了氨氮和亚硝态氮的积累。而养殖前期的氨氮和亚硝态氮的水平也和碳源种类有关，对于不容易直接被细菌利用的碳源，养殖前期的氨氮和亚硝态氮水平往往会相对较高，细菌建立的周期也会相对变长，并且由于温度与水质等不可控影响，生物絮团的建立周期从2～4周到8～9周不等[25-27]。

然而在生物絮团技术的实际应用过程中，不可避免地会产生一些诸如饲料添加过量、碳源添加过量、局部溶解氧不充分或是水体搅动不充分等问题，使生物絮团在养殖池中产生局部的系统失衡，或是形成淤泥，沉积在养殖池底部，所以在养殖过程中也要进行相应且必要的换水，这就对养殖设施的设计和管理水平提出了要求。

2.2 生物絮团对饲料转化率的提升及营养价值

饲料转化率一直是养殖业的难题，在投喂的饲料中通常只有20%～25%的蛋白质可以被水产养殖对象吸收利用，其余经由代谢排入水中或是形成残饵。这些代谢产物和残饵也是传统养殖中水质恶化的原因之一，沉降形成的淤泥也需要人工清理。而这些养殖产生的废氮被生物絮团转化成菌体蛋白后可以被养殖对象再次摄食，这样便能减少饲料的浪费。已有研究证明，相比于常规的单纯使用饲料养殖，生物絮团技术的运用可以提高饲料的利用率，且养殖效果更好[25,28-29]。

Avnimelech等[30]，用15N标记过的生物絮团喂养罗非鱼，结果显示，生物絮团确实可以被罗非鱼摄食，并证明了生物絮团为罗非鱼提供了25%的蛋白质摄入。不少研究者也针对生物絮团的营养价值进行了分析，发现生物絮团富含蛋白质、脂质和各种氨基酸，其中包括赖氨酸、精氨酸等必需氨基酸[31-33]。但生物絮团的营养价值同时也受到絮团粒径、碳源种类、碳氮比等多种因素影响，这可能与絮团中微生物种类和其所占的比例有关[5,9,34-35]。由于生物絮团中微生物群落一直处于变化的状态，生物絮团的营养价值水平也可能随之变化。虽然生物絮团具有可观的营养价值，但并不能完全满足养殖对象的营养需求，因此生物絮团并不能完全代替饲料，更适合充当饲料的补充。

2.3 生物絮团的生物防治作用

目前诸多研究均提出可以将生物絮团技术看作是一种生物防治手段。一些研究者测试了在生物絮团水中的养殖对象的免疫反应，结果显示，生物絮团可以激活养殖对象的免疫活性水平[36-40]。Ekasari等[41]用对虾传染性肌肉坏死病毒攻毒在生物絮团水体中养殖的凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)，发现相较于对照组，絮团组虾的存活率显著提高。Crab等[42]使用哈维氏弧菌(Vibrioharveyi)攻毒卤虫(Artemiafranciscana)，结果也显示，生物絮团有助于限制致病细菌的感染。

总体上看，生物絮团作为生物防治手段的原理主要有3点：(1)在生物絮团中生长的养殖对象长期生活在有大量微生物的环境，这使他们的免疫系统长期受到刺激，提高了养殖对象的免疫活性水平；(2)生物絮团中的益生菌和病原菌会形成竞争，因此相比于传统养殖，病原菌更难在水体中形成优势；(3)生物絮团技术减少了养殖换水，也就减少了病原的外源性引入。

3 影响生物絮团的因素

3.1 曝气与搅拌

由于生物絮团本身的特性，导致在使用生物絮团技术的时候，养殖水体中溶解氧很容易出现不足的状况。当溶解氧在水体中分布不均匀并不能满足自养细菌和异养细菌正常代谢的时候，生物絮团水体中容易积累氨氮，产生一定量的有毒的亚硝态氮，而细菌的代谢会进一步使水中的溶解氧水平降低，造成养殖对象中毒或者出现缺氧。所以生物絮团池塘需要更加充分的曝气，以满足整个系统对于溶解氧的需求。另外，生物絮团本身也会自然沉降。当生物絮团大量沉降在池塘底部时，这些生物絮团就会变成淤泥，形成局部的细菌无氧代谢，这也会产生有毒的亚硝态氮，并且沉降的生物絮团无法被养殖对象摄食，所以需要水体的搅动来保持生物絮团悬浮。

3.2 碳源的种类

生物絮团中异养细菌的生长需要碳源，但碳源的种类会影响生物絮团的建立速率以及菌群结构。结构简单且易被微生物利用的碳源如葡萄糖、蔗糖等，能使生物絮团在水中快速形成规模。但在实际生产中，使用葡萄糖和蔗糖等作为碳源会提高养殖成本，所以很多研究都围绕碳源的种类展开(表1)。使用结构复杂但价格较低的碳源如淀粉、木薯粉、玉米粉、米糠等，会使生物絮团在养殖前期难以形成规模并且造成水体中的氨氮在养殖前期大量累积，直到生物絮团建立后才逐渐下降[43-49]。Shang等[24]研究表明，将木薯淀粉进行酶解后，也能达到很好的净水及养殖效果。而类似麸皮和米糠这种粮食加工副产品作为单一碳源的效果不佳[50]，难以促进生物絮团的生长，但是将其和其他碳源混合使用可达到一定的效果[51-53]。以醋酸盐作为单一碳源对于生物絮团的生长具有一定的效果，但Crab等[35]研究表明，以醋酸盐为碳源的生物絮团喂养罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)的成活率较低。以甘油为单一碳源时，生物絮团的生长和净水效果较好，但是不适用于原位生物絮团的养殖。

表1 针对不同碳源应用效果的研究

3.3 碳氮比

为了保证生物絮团对于水质净化的效率，Avnimelech等[30]认为，投喂的有机碳和氮元素应保持一定的比例，相关的研究结果表明，碳氮比保持在1∶15～1∶20效率最高[20-23,26-27]，这时生物絮团生长较快且水质较为稳定。而最适宜的碳氮比需要根据具体的养殖情况来推断，研究表明，水体中碳氮比过低不利于生物絮团的生成，但是过高的碳源添加量会导致生物絮团生长过快，这时养殖水体中的总固体悬浮物增多，很容易出现溶解氧不足的状况，并导致水中累积过多的硝态氮和亚硝态氮[19]。因此这也能解释在一些研究中，高碳氮比试验组养殖对象的存活率反而比碳氮比约为15的试验组养殖对象的存活率要低。而具体的添加碳源多少和碳氮比的计算则是根据添加饲料的蛋白质含量和饲料系数决定的[4,21,23]。

根据Avnimelech[3]的理论，公式如下：

C=N/0.05

(1)

N=F×E

(2)

式中，C表示碳源添加量，N表示氮的添加量，系数0.05是一个估算系数，由异养细菌自身碳氮比4、碳源含碳量50%和异养细菌对碳40%的同化率相乘而得；F为投喂的氮的总量，E为氮排出率，Avnimelech[3]按50%计算，也有学者按75%计算[1,3]。

将公式(1)、(2)合并得出公式(3)，代入50%氮排出率，并假设饲料含有30%的蛋白质，含氮量为4.56%，饲料原始碳氮比为10.75，得出碳源添加量：

C=F×E/0.05

(3)

那么在添加碳源后的碳氮比应为：

10.75×(1+0.456)=15.75

(4)

3.4 温度与pH

温度对于生物絮团系统的影响非常复杂，因为温度同时对养殖对象和微生物产生影响[6]。当水体温度过低时，生物絮团活性降低，甚至可能会出现反絮凝的现象[2]。随着温度的逐渐升高，生物絮团活性增强，在33 ℃时出现大量生物絮团[85]。但是在生产实践中，最佳的温度还应考虑养殖对象的最适生长温度。

当养殖水体的pH过高或过低(低于6.5或高于9.5)时，不但会影响养殖对象的生长，也不利于生物絮团的生成[3]。生物絮团中的异养细菌代谢需要消耗水中的碱度，并产生二氧化碳。这个过程会使水体中的pH降低。当水中的碱度降低时，水体缓冲能力变弱，导致水体pH出现波动，影响生物絮团和养殖对象的生长。部分研究显示，在养殖过程中，向水中添加碱化合物能增加水体的缓冲能力，有利于水体pH的稳定[86-87]。

4 生物絮团养殖池塘的建立

生物絮团技术是一项很适合应用于设施渔业的技术，也因此很难直接运用于传统池塘。生物絮团的本体是细菌等微生物，这些微生物易受到土壤和降水中的金属离子等物质的影响，并且由于生物絮团水体营养较为丰富，池塘中有寄生虫的隐患较大，因此使用生物絮团技术的池塘最好处于室内，以隔绝这些外源性的影响以及病害的传播。此外，室内池塘也可以隔绝阳光，抑制藻类的大量生长，使整个系统完全处于细菌的主导作用之下。因为从长远来看藻类对于整个系统的增益并不乐观，光合作用产生的氧气与呼吸作用消耗的氧气基本可以持平。一旦系统失衡，藻类的大量死亡也会对系统造成额外的负担[3]。

原位培养的生物絮团池塘应当具有良好的给排水系统，以应对生物絮团发生大量沉积的状况。由于生物絮团池塘需氧量大，以及需要保证生物絮团悬浮等特性，生物絮团池塘也要有相应的供氧设施和水泵保证生物絮团池塘水体溶解氧充足，并避免生物絮团发生大量沉淀。在国内，养殖人员多将跑道流水养殖和生物絮团结合起来以保持水体的流动。

采用异位培养的生物絮团技术的池塘则更加适合设施渔业，也能和循环水工厂化养殖技术良好地结合在一起，但也因此会造成成本过高的问题。所以在实际生产中具体采用哪一种技术，要结合现实的情况去考虑。

5 生物絮团技术与养殖种类

生物絮团技术的优势是建立在养殖对象可以摄食生物絮团的基础上的，因此，很多关于生物絮团技术的研究都是基于不同的养殖品种进行的(表2)。目前研究较多的品种为罗非鱼和以凡纳滨对虾为首的众多虾类，这些养殖品种能够很好地应用于生物絮团技术，并在实际生产中的普及程度很高。根据生物絮团技术的理论，滤食性鱼类和杂食性鱼类都可以适应生物絮团养殖系统，如鲤、鲫、鲢、鳙等。除食性之外还要考虑养殖对象对高浓度固体悬浮物环境的耐受程度，对于可以摄食生物絮团但不能适应高浓度固体悬浮物环境的种类可以采用异位生物絮团的方法进行养殖，如褐牙鲆(Paralichthysolivaceus)和花鳗鲡[78,88-89]，以及克氏原螯虾(Procambarusclarkii)、中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)、仿刺参(Apostichopusjaponicus)和翡翠贻贝(Pernaviridis)[4,90-93]。但在一些研究中发现，革胡子鲇虽然对于生物絮团的摄食效果并不明显，其生长状况要优于清水养殖，这可能与生物絮团对于水体理化因子的稳定和免疫刺激有关[19,55,94]。

表2 针对不同养殖种类的生物絮团应用效果研究

6 生物絮团技术对于日常管理的要求

当生物絮团技术应用于养殖时，日常管理非常重要。尤其是对于使用原位培养的生物絮团技术的养殖池塘，生物絮团产生的任何变化都会直接影响到整个水体。所以在养殖过程中，工作人员应每日监测池塘中的溶解氧和总固体悬浮物以及氨氮的含量。池塘中的溶解氧不充分，不但会使养殖对象缺氧，还会使生物絮团对于氨氮的清除能力减弱，并造成水体中氨氮以及亚硝态氮升高。当池塘中的氨氮升高(>0.5 mg/L)时，应考虑适当添加碳源，若氨氮一直维持较低水平则可以不添加碳源，避免生物絮团过量生长与养殖对象争夺水体中的氧气。对于生物絮团沉降形成的淤泥要及时清除以免造成局部的溶解氧水平过低[3]。

Avnimelech等[3,31]认为，生物絮团养殖池塘中的固体悬浮物含量不宜过高，其质量浓度应控制在500～1000 mg/L。当固体悬浮物浓度过高时，有可能会导致养殖对象的鳃受到丝状菌的损害，最终造成产量下降。总固体悬浮物的监测方法是在固定时间，将采集到的水样倒入1 L英霍夫锥形管中，待水中的生物絮团沉降，观察底部生物絮团的体积。

7 生物絮团技术目前存在的问题

7.1 前期投入

如前文所述，生物絮团技术很难直接应用于传统池塘，这相当于这项技术需要更多的前期投入。如以传统方式进行养殖的养殖户想要使用这种技术，需要对其已有的池塘进行改建或者新建，这对于养殖户来说是一笔不小的投入，具有很大的风险，从而造成这项技术在推广上的困难，往往只有规模较大的养殖厂能够承担该项技术的前期投入。此外，养殖设施设计的好与坏同时决定着前期的成本和后期的养殖效果，但往往养殖技术前沿的学者对于工程设计经验不足，对于该技术的设施研究也是凤毛麟角。在这方面依旧需要更多的经验和研究成果。

7.2 管理要求高

生物絮团养殖技术对于日常管理的要求要远高于传统的养殖技术和工厂化循环水养殖技术。日常的监管不到位，导致生物絮团系统中整体的平衡破坏，若处理不及时，后果是难以挽回的。因为生物絮团养殖技术更多是应用于高密度养殖，且微生物的状态也很难单单通过肉眼来观测，这就对养殖户的技术水平提出了要求。养殖户不仅要懂得使用技术，也要懂原理，这也造成了这项技术在实际应用上的阻力。

7.3 养殖对象选择范围有限

生物絮团技术因其技术的特性，并不是所有的养殖品种都能适用于这项技术。所选取的物种不仅要能适应高浓度悬浮颗粒的环境，也要能摄食生物絮团，如果使用异位生物絮团养殖技术，也要保证养殖对象至少可以摄食生物絮团。另外生物絮团技术的配套设施所带来的成本也要求养殖户要考虑养殖品种是否能带来足够的经济效益。而养殖品种的限制又会产生地域性限制，例如在冬季气温较冷的地区养殖罗非鱼还需要额外的加温设施，使养殖成本进一步提高。

8 展 望

尽管生物絮团技术拥有许多优势，但该技术在我国的应用与推广还不够广泛，并且生物絮团技术依旧还有很多可以进一步完善的空间。首先若想把这项技术更好地向养殖户推广，需要研究出各类养殖品种的具体养殖方法以及管理要求，因为对于不同的养殖品种来说，最佳的碳源、最佳碳氮比以及最佳温度等都不同。而生物絮团技术因其特性在应用中对养殖管理的要求较高，同时生产实践中也需要一些工程设计人才，来完善工厂化养殖的设施设计，其中，如何使养殖设施更合理，更适合不同的地理条件以及成本的控制，都是这项技术在实际应用中的难点。而生物絮团技术也不仅仅可以当作一种单纯的养殖技术进行推广，它同样适宜作为养殖工厂的一项生物净水技术进行推广。对于已有的养殖工厂、传统养殖池塘甚至流水养殖池塘，技术人员可以在不对养殖设施进行大规模改造的前提下，在净水环节上加造生物絮团池或生物絮团反应器，以实现养殖废水、养殖淤泥的处理及再利用，从而减少饲料的浪费。这项技术在理论层面则需要继续探究生物絮团的原理，尤其是生物絮团中不同微生物间，或是微生物和藻类之间的相互作用，以及需要探究更多人为控制生物絮团中微生物群落结构和和控制生物絮团粒径的方法。