水产养殖环境微生物研究进展

刘培敏，罗金萍，高权新

湖州师范学院，浙江湖州313000

近年来，我国水产养殖产业发展非常迅猛，已经成为中国农业结构中发展最快的产业之一，养殖产量始终保持稳定增长，2020年全国水产品养殖产量为6 549.02万t，同比增长1.06%。然而，水产养殖活动对水环境的负面影响也日益增大。在养殖过程中，水产动物的残饵和排泄物等会导致养殖水体沉积物中有机物含量不断增加，其后果是水体富营养化、pH下降和底泥溶氧降低，氨氮、重金属和硫化氢等有毒物质也会不断积累［1-2］，这不仅对水环境造成严重污染，同时也会影响水体中微生物的组成结构。微生物作为生态结构中的重要成员，在维系生态平衡、促进元素良性循环过程中发挥着无可替代的巨大作用，其组成结构必然会随着水质的改变而发生变化。

随着水产养殖规模的不断扩大，新型微生物体系出现并不断发生着改变［3］，养殖水体沉积物中喜欢厌氧条件以及与碳、硫循环相关的微生物过度繁殖，使沉积物中的细菌多样性下降［4-6］。养殖水体中细菌多样性的改变与水产养殖规模有关，养殖规模的扩大使养殖水体底泥中的有机物不断富集，由于微生物丰度与鱼类数量和有机物沉积量呈正相关，所以随着时间的推移，底泥中的微生物群落组成会发生显著变化，这表明持续的水产养殖活动可能对菌落结构产生累加效应（主要是变形菌门和拟杆菌门）［7］。在养殖中后期，底泥中的硫化物会大幅提高，此时主要以脱硫杆菌科的发酵菌，如拟杆菌、厚壁菌和完全氧化硫酸盐还原菌为主［8］。目前，新型微生物群系特征已成为评估人为干扰强弱的指标，亦是预测生态环境健康与否的依据，因此诸多专家学者开始探索水产养殖对微生物群落的影响。

1 水产养殖环境中微生物的作用

1.1 反映养殖环境水体系统的生态特征

水产养殖产业规模不断扩大，必然会对其附近水域的微生物结构造成不可逆转的影响。水体环境温度较高时，有机氮（残饵和粪便中的蛋白成分）会被快速分解成无机氮，同时水体的pH和溶氧量降低。野生水体底泥中的细菌大多是好氧或是兼性厌氧菌，而养殖水体中的细菌则大多是厌氧菌，所以溶氧量的降低必然导致水体中微生物结构的改变；同时水体中硝化细菌（nitrifying bacteria）、蓝细菌（Cyanobacteria）等多种微生物丰度增加［9］。但弧菌（Vibrio）、气单胞菌（Aeromonas）和雪瓦内氏菌（Shewanella）等微生物的大量繁殖会对鱼类健康产生威胁［10］，影响周围水域的生态平衡。

细菌作为生态系统中的重要参与者和分解者，菌群的动态平衡必然会随着水体的营养特点与水质参数朝着适应环境变化的方向移动，例如当水体受到污染时，伤寒沙门氏菌（Salmonella typhi）、肠炎沙门氏菌（Salmonella enteritidis）、鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimurium）、志贺氏菌属（Shigella Castellani）和变形杆菌属（Proteus）等的比例增加。另外，一些可分解有害物质的微生物（如光合细菌、硝化细菌等）的丰度也会增加，通过分解转化等来实现对水体的净化作用［11］。此外，水体环境常见的粪便指示菌——大肠杆菌（Escherichia coli）、粪便链球菌（Enterococcus faecalis）、产气荚膜杆菌（Clostridium perfringen）和克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等也可用于评估水体受粪便污染的程度［12］。

水体中细菌与养殖动物的健康息息相关，这些细菌一方面可保护水生动物免受病原体的侵害，另一方面则可能成为潜在的致病菌。水生动物的条件致病菌通常来自水体和底泥中的异养菌，并可能在水质恶化的情况下引发病害。水产养殖可能会带入新的致病菌，打破菌群结构平衡，进而影响其他水生动物的健康。由于新入住的致病菌有可能是人类致病菌，所以微生物生态结构的改变也会对人类健康造成威胁。致病菌和益生菌的数量与比例可以作为水体生态结构健康与否的生物标记，所以评估养殖水域微生物的组成结构和变化规律不仅有助于提高对水体生态现状的认识，也可为生态保护、健康养殖与人类安全提供参考依据。

1.2 缓解水产养殖活动引发的生态失衡

水生环境中微生物对于整个生态系统的营养代谢和能量循环至关重要。微生物群系为了维持生态的相对平衡，一般会加速分解水体中的有机物质和有毒物质，比如氨氮、硝酸盐和硫化氢等，从而缓解因环境因素改变导致的水生动物机体损伤［13］。残留的饵料和排放的粪便会被微生物降解，这有利于水质的净化，并降低水体富营养化水平［14］。芽孢杆菌（Bacillus）和假单胞菌（Pseudomonas）是两类分解有机物的细菌，可以降低底泥的化学耗氧量，有效缓解因有机物质的增多而造成的溶氧量降低，维持溶氧量的相对稳定，从而保证水体中水生动物的存活［15］。

1.3 指示所在水域水生动物的健康水平

健康水体与污染水体中的菌落结构存在显著差异，微生物结构特征可以成为衡量水质与水生动物健康的标尺，许多菌种也可以作为重要的指示菌。蓝细菌、红细菌（Rhodobacterales）、浮游菌（Planctomycetales）、立克次氏体（Rickettsiales）和疣微菌（Verrucomicrobiales）等可以作为水生动物存在患病危险的指示菌类；黄杆菌（Flavobacteriales）、硫滴菌（Thiotrichales）、伯克霍尔德菌（Burkholderiales）、纤维菌（Fibrobacterales）、芽孢杆菌（Bacillales）和丙酸杆菌（Propionibacteriales）可以作为水生动物健康的指示菌类［16］。虾类出现病患时，红细菌（Rhodobacterales）的数量会大幅增加，而在健康幼体阶段，副球菌属（Paracoccus）则会增多［17］。

环境因子、水体微生物和宿主微生物之间存在着互动关系。与自然水体相比，污染水体中微生物的多样性会减少［18］。水质的恶化会造成微生物的结构失调，使得整个水体系统处于“病态”中，进而危及水生动物的存活。水生环境的污染会降低有益菌的丰度，促使条件致病菌趁机扩大规模，这为水生动物病害的发生创造了条件［19］。在缺氧或高温条件影响下，水体中的条件性致病菌（弧菌、气单胞菌等）有可能转化为优势菌，这些致病菌可能不会直接导致水生动物的死亡，但可以改变共生微生物的组成结构，并协同污染水体的有毒物质一起损害水生动物的免疫系统，这使得生态系统的平衡性处于不利于水生动物生长的状态，最终导致大量的水生动物死亡［20-21］。

1.4 微生物携带的抗性基因成为评估水体环境污染程度的重要指标

养殖产业不断发展，各类水产动物疾病也逐渐增多，其中细菌性疾病占全部水生动物疾病种类的48.0%以上，致病菌所造成的经济损失超过全部病害损失的50.0%以上［22］。抗生素是防治细菌性病害最有效的手段，可以有效的杀灭病原菌，缓解集约化养殖带来的病害问题，减少暴发病害所造成的经济损失。但滥用抗生素的同时也催生了大量抗性基因，细菌在获得抗性基因后便会对抗生素产生耐受力，这对人类的健康造成严重威胁。

水产养殖活动是水体中抗生素最主要的来源。有报道显示黄海抗生素浓度为ND～16.6 ng·L-1，而黄海周边典型养殖水域却在ND～995.02 ng·L-1之间［23-25］；北部湾沿海抗生素浓度为1.82～118 ng·L-1，而北部湾海水养殖区域高达43.2～885 ng·L-1［26］。在水产养殖场附近，抗生素耐药细菌的检出率很高，这表明水产养殖所释放的抗生素对微生物的菌落组成具有显著影响，可以加速抗性基因的传播，甚至殃及周围的生态环境［27］。在水生环境中，90%左右的水生细菌至少对一种抗生素具有耐药性，约20%的细菌对多种抗生素具有耐药性，这说明在水产养殖活动中同时使用多种抗生素时，可能会诱导产生多重耐药菌，即便是新型抗生素也会促使耐药基因的产生和传播［28］。

水产养殖成了抗性基因的蓄积池［29］，携带不同耐药基因的细菌可以根据环境特征选择性生长，并持续释放抗性基因［30］。抗生素耐药性可以帮助细菌在高浓度的抗生素下存活，从而使携带耐药性的细菌具备存活优势，促使耐药菌株成为所在水体系统中的优势菌。抗性基因的产生及其传播保证了大量微生物的存活，维持了环境细菌的多样性，在一定程度上缓解了抗生素所带来的负面效应。然而水生环境中的细菌有人类和动物的致病菌，这些致病菌能够在水生和陆生细菌之间共享或传播遗传基因。基因组中有一组可移动基因元件称为移动基因，可在水生细菌中传播［31］。这些包含抗性基因的移动基因的传播和流行必然使抗生素的作用减弱甚至消失，所以抗性基因成为了当今的新型污染源。

2 水产养殖水域微生物群系变化的影响因素

2.1 养殖品种

水生动物宿主携带的微生物是有差异的，并且这种差异很大程度上取决于宿主的遗传基因，这说明不同的养殖品种对环境水域微生物群系的影响亦有差别。养殖动物的采食习性和肠道菌群不同，会对养殖水体与底泥产生不同的影响。由于宿主基因可以选择微生物的入住并且调控菌落结构，使得宿主对微生物群系具有选择性，因此宿主遗传基因是整个生态系统微生物群系的影响因素之一［32］。此外，不同的养殖品种之间，也存在着微生物之间的传播互动，一种宿主的微生物群系会通过水体与其他宿主微生物群系相联系，不同的宿主之间可以通过水体介质而发生微生物的转移［33-34］。所以，养殖动物的微生物群系与野生物种、水体环境交互影响，共同建立了一个新的平衡关系：养殖品种所携带的微生物参与水环境生态平衡，并且会持续甚至深入影响整个水域的生态结构，对水环境的健康与安全产生级联影响。

2.2 养殖条件

不同的养殖模式对微生物组成结构的影响也具有显著差异，甚至不同的饲料和投喂方式都会导致水体底泥中菌落结构存在差异［35］。水体环境与水生动物的微生物之间可以进行直接交叉传播，所以二者之间存在着显著相关性。然而即便是相同的养殖模式、养殖品种和投喂饲料，不同的养殖水域之间，水体菌落结构特征也会因为地理条件差异而具有显著的区别［36］。很多养殖户为了追求经济效益，在养殖过程中投放过多饵料，鱼类不能完全食用，未被摄取的饵料会沉在池塘底，经过不断的发酵会产生亚硝酸盐，影响水中物质的化学平衡，造成水体环境污染［37］。水底中的氨氮磷含量不断增加，水体富营养化，且浮游生物的增殖不断加剧，导致整片水域中氧气的溶解量减少，水生生物和植物系统出现退化现象。同时水环境富营养化现象也会促使水体中藻类植物疯狂生长，或造成微生物生态结构的失衡，从而导致水环境污染［38］。

3 水产养殖环境的生物修复

为了使水产养殖产业可持续性发展，改善水生生态环境势在必行，因此如何改善水环境成为当今的研究热点。通常改善水产养殖环境的方法有物理方法、化学方法和生物修复等。与其他修复方式相比，生物修复是一种较为绿色和安全的修复措施。生物修复通常是在水体中加入功能微生物或动植物，使其能够在水体中进行生长繁殖和营养代谢，吸收和降解水体中的有害物质，从而达到水体净化的目的［39］。

3.1 益生菌修复

目前，人类的生产活动会对河流湖泊等水体造成较大污染，例如油污染、化学污染等，有研究人员筛选出具有良好环境适应能力和环境修复潜力的菌株（如假单胞菌属等），这些菌株可在实验条件下，对不同种类油脂和化学药物有较高的降解效率［40-41］。除上述污染外，抗生素污染也较为严重。抗生素虽然可以杀灭病原菌，但会促使致病菌产生耐药性，造成药物残留，所以我国已经明文禁止多种抗生素在水产养殖中使用。益生菌具有安全环保、无药物残留、改善肠道健康、防治病害等优点，同时也可降解抗生素和有机污染物［42-43］，所以益生菌已经成为替代抗生素的最佳选择［44-45］。益生菌不仅可以作为饲料添加剂来改善动物健康，还可以通过抑制水生致病菌，分解水体和底泥中的蛋白质、碳水化合物、脂肪等有机物来改善水质［46］。科学选择和合理使用益生菌将成为未来水产养殖领域研究的热点，益生菌作为“绿色健康”的水体净化调节剂必将受到国内外的高度关注［47］。

枯草芽孢杆菌是目前应用较多的一类益生菌，它不仅可以消耗水体中大量的有机物，并将其分解成小的有机酸、氨基酸和氨，为单细胞藻类提供营养，降低氨浓度和净化水质，还可高效去除水体中的氨态氮和硝态氮［48］。有研究表明将枯草芽孢杆菌制剂施用于池塘后，水中亚硝酸盐、氨氮和硫化物的含量显著下降［49］。此外，硝化细菌处理可修复池塘底质，包括减少沉积物中的有机物富集，加速底质沉积物氮、磷的分解以及水体与底质沉积物中氮、磷的物质交换。陈旭等［50］的研究结果表明，硝化细菌可用于改善加州鲈养殖水体的沉积物（全磷去除率可达到43.34%）。另外，光合细菌对水中多种有机物都有降解作用，能有效净化水产品的排泄物，例如在不同的预处理条件下的光合细菌可有效地去除水体中的氨氮和磷酸盐以及促进辛硫磷的降解［51-53］。虽然益生菌应用比较广泛，但菌种单一，目前主要使用芽孢杆菌、光合细菌和乳酸杆菌等，因此新型功能性益生菌的研发已经势在必行［54］。

3.2 水生动植物修复

除了益生菌修复，一些水生动物和水生植物也经常用于水产环境修复。水生植物可凭借自身根系菌胶团吸附悬浮物，其根部牢牢地固着底泥，可有效减少底泥的再悬浮，缓解水体中污染负荷［55］。目前，常用的一些净化水质的水生植物有浮萍、凤眼莲、芦苇、青萍、美人蕉和香蒲等；浮萍可在根际效应的驱动下，通过其携带的根际细菌加速水体中叔丁基苯酚的去除［56］。水生植物的不同种植模式对富营养化水体的净化效果不同，总体趋势为混种种植优于单种种植［57］。此外，水生动物也具有修复水环境的作用，目前主要是利用滤食性食藻鱼和植食性浮游动物来解决水产养殖中的污染问题。鲢、鳙鱼等滤食性鱼类具有特殊的摄食器官，具有很强的过滤浮游生物的能力，能将大量的氮、磷及其他营养元素转移出水体，有效降低水体的富营养化程度［58］。

4 展望

我国是世界第一大水产养殖国，水产养殖产量逐年递增，虽然满足了消费者不断增长的食物需求，但是水产养殖会产生大量废水，对水环境造成严重破坏。目前，我国水产养殖业的环境管理体系尚不健全，与国外水产养殖发达国家相比，我国水产养殖部门在制度建设、公众监督和政府管理方面仍然存在不足。针对这一现状，我国应加大对典型养殖水域细菌多样性及抗性基因污染状况的调研力度，着手建立一套控制废水排放与抗性基因污染的管理办法，围绕生态健康环保的原则发展水产养殖业。首先提高池塘养殖的机械化水平，完善进排水以及水质检测和处理系统，实现养殖过程的信息化管理，实时监控养殖过程；二是可发展深远海养殖，设计面向不同海域条件和不同养殖品种的新型养殖设备，控制养殖容量，完善远程监控设备；三是因地制宜，考虑经济养殖品种食性，做到“以水养鱼，以鱼养水”。

此外，我国水产养殖业在环保技术层面的研发较为落后，严重缺乏绿色渔药、水体净化制剂和环保型饲料等方面的产品，因此，我国有必要加大对水产养殖业的生态化研究力度，开辟水产生态化转型的新路径。生物修复作为一种新型绿色环保的治理方法，不仅可以保证水生动物的健康，而且可以稳定甚至优化水生环境的生态平衡，将成为我国水产养殖水体污染的有效治理办法。未来可将吸附、机械过滤等物理修复手段与绿色环保的生物修复相结合，开发兼具两者优势的数字装备；另外可筛选与鉴定具有生物修复功能的益生菌和动植物，并利用二者的功能优势开发具有更高效率的水体净化方法，从而实现经济和生态效益双赢。