生物膜法在水产养殖水体处理中的研究与应用进展

胡晓伟，孙源，罗亮，赵志刚，王世会，张瑞，郭坤

（1.哈尔滨商业大学药物工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150076；2.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070）

随着经济的发展与人民生活水平的提升，水产品的消耗量显著增多。从20 世纪70 年代始，我国水产养殖业飞速发展，实现了质的飞跃[1]。在2019年，我国养殖产品产量高达5 079.07 万t，占全国水产品总产量的78.38%[2]。我国水产养殖业生产模式从传统的粗放型逐渐过渡到高密度集约型，养殖水体自身污染问题日趋严重[3,4]。这种高养殖密度和增大投喂量来提高水产品产量的方法造成了严重的水体污染。水产养殖中的剩余饲料、水产动物的代谢物、动植物尸体以及抗生素等在水体中的大量残留[5]导致养殖水体中氮和磷等有机物营养物质超标，进一步加重了养殖水体的环境污染，导致水体的富营养化[6]、水产品病害频发、水产品品质降低[5,7]，对水产养殖业造成了巨大的经济损失[8]。因此，探求高效、安全、低毒的水产养殖水体净化方法，构建高效健康的生态养殖模式是当前水产养殖业可持续发展亟待解决的关键科学问题之一。

研究证实，生物膜法能更好地净化水体环境[9,10]，降低水体富营养化程度，成本低廉、操作简便、净水效率高、不存在水体的二次污染，已广泛应用于工业废水和生活污水的净化，但生物膜在水产养殖水体处理中的应用仍然十分有限。本文综述了生物膜法的概念、生物膜的形成、影响因素、生物膜的作用机理以及生物膜在水产养殖水处理中的应用等，并重点展望了生物膜法在未来我国水产养殖水体处理的应用前景。

1 生物膜及生物膜法的概念

浸没于水体环境的材料表面通常会形成一层由微生物形成的膜状物质，称为生物膜[11-13]。生物膜是由微生物、胞外聚合物、细菌分泌物等组成的一种复杂且具有一定功能的生物组合体[14]；自然水体生物膜中的微生物和其他多种物质相互作用共同实现生物膜的结构与功能[15]。生物膜是水体环境微生物一种重要的存在方式[16]。

生物膜法又被称为生物过滤法[17]，是一种利用人工干预的方式来促进废水中污染物降解、实现水体自净的废水好氧生物处理方法[18]。生物膜法以天然或合成物质为载体，吸附水体中的细菌及其分泌物、藻类以及次级代谢产物等形成具有净水作用的生物膜。通过与水体进行接触，吸附、吸收水体中的有机污染物并将其转化为自身所需能源来促进自身生长繁殖，实现水体的净化[19-21]。

2 生物膜的形成及影响因素

2.1 生物膜的形成

生物膜主要有均质生物膜和异质生物膜两种构成方式，其中均质生物膜由同种细菌构成，而异质生物膜是由多种细菌构成[22]。自然界中最为常见的是多种细菌组成的异质生物膜[23]。在外界环境因素（水流剪切力、pH、抗生素和营养物质等）的影响下，游离态的细菌依靠菌毛或鞭毛的作用吸附到载体表面暂时性粘附，然后通过细菌分泌的胞外多聚物（DNA、蛋白质、脂类以及脂多糖组成）增强细菌与载体间的粘附作用，单个细菌相互聚集形成由单层细菌组成的微菌落[24-27]。随后，这些微菌落继续粘接或自身增殖作用使生物膜厚度不断增加形成较大的菌落，随着胞外多聚物量增多，逐渐形成一层水凝胶覆盖于载体材料表面。同时，细菌之间群体效应可用于细胞致病性的调节、营养物质的获取、细胞之间的杂交、细胞运动及次生代谢产物的生成，并决定细胞各种功能[28]。随着菌落的生长，细胞与载体及细胞之间主要依靠胞外多聚物粘连在一起，形成具有三维结构的成熟生物膜[28,29]。成熟生物膜通过自身生物代谢使原有的部分老化细菌群体脱落，确保生物膜的新老循环交替重复进行[30]。生物膜的形成是一个动态变化过程，主要分为粘附期、菌落形成期、成长发育期、成熟期及脱落期五个阶段[29]。

2.2 生物膜形成的影响因素

生物膜的形成主要受到载体材料的表面性质、进水碳氮比（C/N）、CODCr负荷等多种因素的影响。

2.2.1 载体材料表面性质对生物膜形成的影响

在水产养殖中，可用多种材料作生物膜的载体，如塑料、PVC 管、玻璃以及人工合成材料等，但不同的载体材料对生物膜的形成及水处理效果明显不同。章霞等[31]采用聚乙烯环、聚苯乙烯泡沫滤珠和电气石球组等3 种不同材料作载体，研究生物膜的形成对水质处理的效果，发现不同载体生物膜去除氨氮速率与时间存在明显差异，其中电气石球组的去除速率最快，去除时间最短。不同载体表面生物膜对氨氮和亚硝酸盐的去除能力存在显著差异。刘洋等[32]研究了纤维毛球和陶粒载体材料对氨氮和亚硝酸盐氮的去除效果，发现在建立硝化功能阶段，纤维毛球系统和陶粒系统氨氮含量分别于6 d 和8 d 降至0.06 mg/L 以下，亚硝酸盐氮含量分别于8 d 和11 d 降至0.02 mg/L 以下；在硝化功能强化阶段，氨氮负荷为6 mg/L 时，纤维毛球和陶粒系统氨氮含量分别于5 d 和7 d 降至0.02 mg/L 以下，亚硝酸盐氮含量分别于6 d 和9 d 降至0.07 mg/L以下；当氨氮负荷为9 mg/L 时，纤维毛球和陶粒系统氨氮含量分别于3 d 和4 d 降至0.08 mg/L 以下，亚硝酸盐氮含量分别于5 d 和7 d 降至0.04 mg/L以下。总体来看，纤维毛球系统对无机氮转化能力优于陶粒系统。

2.2.2 进水C/N 比

不同进水C/N 比条件下，生物膜对养殖水体中氨氮去除效果不同。仇天雷等[33]发现，进水C/N 为0时，即不添加有机碳源的条件下，出水氨氮浓度维持在0.58 mg/L 以下，亚硝氮含量基本为零；进水C/N 为1 时，出水氨氮基本为0，亚硝氮含量低于0.05 mg/L；当进水C/N 调整为2 时，出水氨氮浓度显著增加且极不稳定，最高值达到8.73 mg/L，亚硝氮也出现明显累积。上述结果表明：进水C/N 控制在1 左右有利于硝化系统的稳定运行。

2.2.3 CODCr负荷

许小马[34]使生物膜反应器分别在15 g/（m2·d）、20 g/（m2·d）、25 g/（m2·d）和30 g/（m2·d）4 种CODCr负荷下运行发现，随着CODCr负荷从15 g/（m2·d）增加至30 g/（m2·d），COD 去除率分别为83.80%、87.70%、89.50%和89.60%。COD 去除率在CODCr负荷为25 g/（m2·d）时接近最高值，为89.50%，其出水COD 浓度也保持稳定在9 mg/L 左右。若再继续增加CODCr负荷，COD 去除率不但没有明显增加，反而使出水的COD 浓度偏高，达到12 mg/L 以上。而随着进水COD 浓度的升高，氨氮浓度也有所增高。但出水中氨氮浓度能保持在一个稳定的水平，为1.30 mg/L 左右，去除率则呈现先上升后稳定的趋势，同样是 在CODCr负荷为25 g/（m2·d）时达到最高，为86.40%[34]。

2.2.4 其他因素

除了以上因素，还存在一些其他的环境因素影响生物膜的形成，如基质挂设密度、水体温度、pH、水体曝气量、营养条件以及盐度等[35]。环境因素不同，细菌的生存方式也不同，因适应生存需要而发展出不同形态。

3 生物膜的作用机理

研究发现，生物膜上附着的大量细菌与藻类通过自身代谢作用将水体中的过量营养物质吸收与转化为自身生长繁殖所需的能源和食物[36,37]，显著降低养殖水体营养物质含量，改善水体富营养化，净化养殖水体。生物膜法主要通过污染物质在液相和生物膜中的扩散和有机污染物的氧化和分解去除污水中的污染物[38]。

生物膜对污染物的处理过程主要分为三个阶段：（1）通过生物膜的吸附作用使污染物附着于其表面并向内部扩散，生物膜上的微生物对目标污染物具有一定趋向性；（2）在生物膜内微生物分泌的酶的作用下将污染物进行生物转化；（3）代谢产物通过扩散或解吸作用排出生物膜外[39]。

4 生物膜在水产养殖水处理中的应用

4.1 生物膜对水质调控的影响

水产养殖业废水中含有大量的溶解性有机物、排泄物及食物残渣，直接排放严重危害自然环境，利用生物膜法处理养殖废水，可降低水体中的有机物含量，对防止水华及赤潮现象的发生具有重要作用[40,41]。

车建锋等[42]采用生物膜法处理罗非鱼（Oreochromis mossambicus）和草鱼（Ctenopharyngodon idellus）混养池中的养殖废水，发现总氮和总磷的浓度分别由7.45 mg/L 和1.69 mg/L 降至0.66 mg/L 和0.25 mg/L，去除率分别达到了91.14%和85.21%。实验期间硝态氮、亚硝态氮和氨态氮浓度一直处于较低水平。生物膜对维持硝态氮、亚硝态氮和氨态氮等水质指标具有一定的贡献作用。邹俊良等[43]研究了移动床生物膜反应器对养殖废水处理效果的影响，发现水力停留时间为8 h，DO 为2.0～3.0 mg·L-1的情况下，COD 和氨氮的去除率均能达到80%以上，TP 去除率为50%左右；在有机负荷为（0.76±0.03）kg·m-3·d-1时，TN 及氨氮去除率分别能达到71.73%及98.42%。以上研究可以看出，生物膜法对养殖废水具有良好的处理效果，而且对养殖水体的水质调节也能起到一定的维持作用。

4.2 生物膜对水产品产量的影响

将生物膜技术应用到水产养殖中，不仅能调控水质，还会增加水产品的养殖产量，降低饲料系数，促进生物膜技术和我国水产养殖业持续健康发展。Haque 等[44]在罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）养殖中应用生物膜法，明显改善罗氏沼虾生存率与净产量，罗氏沼虾的增长速度加快。生物膜的使用还能提供额外的食物来源，降低饲料系数[45,46]。汪宏伟等[47]采用生物膜法处理草鱼、福瑞鲤（FFRC Strain Common Carp，Cyprinus carpio）、异育银鲫（Carassius auratus gibelio）中科3 号等混养池的养殖废水，发现鱼类成活率、产量分别显著提高5.86%、22.96%（P＜0.05），饲料系数显著降低9.68%（P＜0.05）。张圆圆等[48]在黄河鲤（Cyprinus carpio haematopterus）新品系、鲢（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）、草鱼的混养水体中采用生物膜法，发现鱼类产量明显提高、发病率和投饵系数明显降低。采用生物膜法养殖凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）和鳗鲡（Anguilla japonica），饲料的使用量分别降低了26.80%和14.20%，养殖产量分别提高了150%和38%，利润分别增加了22.10 万元/hm2和77.25 万元/hm2[49,50]。

上述研究结果表明，在水产养殖中应用生物膜法效果明显，可以科学合理的提高水产品产量和品质，降低饲料系数和发病率，提高经济效益。

5 研究展望

近年来，我国水产养殖业发展迅速。然而过低的饲料利用率导致剩余的大部分饲料以氮和磷等形式存在于养殖废水中。这些废水若不经处理直接排入自然生态环境中，易造成水体严重富营养化[17]，影响水体中其他动植物的生存，破坏生态环境。生物膜对水产养殖废水处理效果显著，净化水质应用前景良好。建立高效健康养殖模式，促进我国水产养殖业可持续健康发展是目前我国养殖业发展面临的重要问题。

目前，许多关于生物膜的研究尚不成熟，生物膜如何快速成熟、生物膜载体对水质的处理效果等。未来应深入探索、加大推广力度，积极普及生物膜法净化水产养殖废水的研究和应用。