生物絮團技術(shù)在羅氏沼蝦養(yǎng)殖中的應(yīng)用前景

楊彥豪， 黃光華， 馮鵬霏， 盧小花， 黃立斌

(廣西水產(chǎn)科學(xué)研究院，廣西南寧 530021)

隨著人們對水產(chǎn)品需求量的進一步增加，這就使得水產(chǎn)養(yǎng)殖與土地資源、水資源及周圍環(huán)境之間的矛盾日益突出。此外，從20世紀(jì)90年代各種病害引起的疾病一直困擾著廣大水產(chǎn)生產(chǎn)者，因此尋找一種新型的生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)已迫在眉睫。近年來，國內(nèi)外學(xué)者轉(zhuǎn)換思路，積極尋找新的突破口，從養(yǎng)殖池塘的整個生物鏈入手，研究菌、藻及水環(huán)境之間的關(guān)系，采用生物調(diào)控方式，使水質(zhì)調(diào)控與生態(tài)平衡二者有機統(tǒng)一，在零水交換的基礎(chǔ)上，發(fā)展出一種新型水產(chǎn)養(yǎng)殖新技術(shù)——生物絮團技術(shù)(biofloc technology，BFT)。生物絮團技術(shù)是通過操控水體營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，人為地向養(yǎng)殖水體中添加有機碳(葡萄糖、蔗糖等)，調(diào)節(jié)水體中的碳氮比(C/N)，提高水體中異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量，利用微生物將水體中的氨氮等含氮化合物轉(zhuǎn)化成菌體蛋白，再通過細(xì)菌凝絮，形成可被濾食性養(yǎng)殖對象直接攝食的生物絮凝體，能夠有效地解決養(yǎng)殖水體中腐屑和殘餌滯留問題，實現(xiàn)餌料的再利用，起到維持水體穩(wěn)定、凈化水質(zhì)、減少換水量、節(jié)省飼料、提高養(yǎng)殖對象成活率及產(chǎn)量作用的一項技術(shù)[1-2]，生物絮團技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有較大的開發(fā)潛力與推廣價值，被認(rèn)為是解決當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展面臨的環(huán)境制約問題和飼料成本問題的有效技術(shù)。

目前，生物絮團技術(shù)已經(jīng)在很多蝦類品種的養(yǎng)殖中得到應(yīng)用，并取得了不錯的養(yǎng)殖效果，但在羅氏沼蝦養(yǎng)殖中還未見應(yīng)用。本研究淺析了生物絮團的組成和影響因素，概述了生物絮團技術(shù)在蝦類養(yǎng)殖中的應(yīng)用情況，最后對該技術(shù)應(yīng)用到羅氏沼蝦養(yǎng)殖進行了分析，并提出了研究方向。

1 生物絮團的組成和影響因素

1.1 生物絮團的組成

生物絮團是以絲狀細(xì)菌、菌膠團細(xì)菌為核心，附著微生物胞外產(chǎn)物、胞外聚合體和胞內(nèi)產(chǎn)物聚-β-羥基丁酸酯、多聚磷酸鹽、多糖類等，以及二價的陽離子，將水體中懸浮的異養(yǎng)菌、硝化細(xì)菌、藻類、原生動物、有機碎屑等黏合在一起，自然形成的肉眼可見的微小絮狀物，絮團的大小從幾微米到幾百微米，甚至達到數(shù)千微米[3]，生物絮團養(yǎng)殖系統(tǒng)也由此而得名。研究表明，生物絮團的干物質(zhì)中，粗蛋白質(zhì)的含量超過50.0%，粗脂肪含量為2.5%，纖維含量為4.0%，灰分為7.0%，是雜食性和濾食性魚類較好的餌料[4]。生物絮團中含2%～20%的有機碎屑，微生物附著在有機碎屑上，總有機物占生物絮團的60%～70%，總無機物占30%～40%[5]。因不同的餌料、飼養(yǎng)品種、管理模式及環(huán)境條件的不同，生物絮團的生化組成和物理特性也存在較大的不同，生物絮團形狀不均一，比表面積可以達到20～100 cm2/mL，這極大地促進了絮團顆粒物質(zhì)能量交換，生物絮團本身就是一個微生態(tài)系統(tǒng)，是水體中許多個富營養(yǎng)微環(huán)境，會導(dǎo)致大量原生動物、輪蟲、線蟲等來攝食，生物絮團的微生物群落結(jié)構(gòu)對水產(chǎn)動物養(yǎng)殖產(chǎn)生較好的影響。生物絮團中能觀察到各種類型的藻類，大部分包裹在生物絮團內(nèi)，只有少部分是游離狀態(tài)，這些微藻可被飼養(yǎng)的水產(chǎn)動物攝食，可以顯著地促進水產(chǎn)動物的生長。

1.2 影響生物絮團的因素

1.2.1 溫度因素 溫度是水體環(huán)境條件中的重要因素，對水生動物機體生物代謝、生長及存活等有直接影響，水生動物對毒害物質(zhì)的敏感性、耐受性及疾病的感染均受到溫度的影響，溫度還可通過影響鹽度、溶氧等其他環(huán)境因子對水生動物產(chǎn)生間接影響[6]。由于溫度是微生物代謝的一個重要條件，也是絮團的產(chǎn)生條件，生物絮團由微生物等組成，是活的微生物集群，因此，生物絮團也要在一定的溫度范圍內(nèi)才能存活。Krishna等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水溫在30～35 ℃時，活性污泥的體積指數(shù)較大，并且異養(yǎng)微生物可產(chǎn)生大量胞外多糖，可導(dǎo)致生物絮團膨脹裂散[7]；Wilen等研究發(fā)現(xiàn)，在18～20 ℃條件下，生物絮團比較容易形成；在4 ℃條件下，生物絮團較難形成[8]。以上研究結(jié)果表明，25～31 ℃有利于生物絮團的形成和穩(wěn)定，因此適宜的水體溫度是形成良好生物絮團的一個非常必要的條件。

1.2.2 pH值因素 水體pH值對生物絮團的形成和維持也有重要的作用，生物絮團由活的微生物組成，需要在適宜的pH值范圍內(nèi)才能存活和繁殖。集約化養(yǎng)殖通常會產(chǎn)生大量的異養(yǎng)細(xì)菌，加上水產(chǎn)動物的呼吸代謝產(chǎn)物都會引起水體pH值的變化，不但會影響水產(chǎn)動物的生長，還會抑制細(xì)菌微生態(tài)功能的發(fā)揮，導(dǎo)致氨氮、亞硝酸鹽的積累，引起水質(zhì)惡化。另外，細(xì)菌的絮凝在很大程度上也依賴于所處環(huán)境的pH值，在不同的pH值環(huán)境條件下，菌體和有機碎屑所帶的電性不同，從而影響菌體、有機碎屑形成絮凝的能力，因此，適宜的pH值是影響生物絮團的重要因素。

1.2.3 曝氣和攪拌 養(yǎng)殖水體中溶解氧的高低，對生物絮團中異養(yǎng)生物群落的組成結(jié)構(gòu)有直接影響作用。由于生物絮團中的異養(yǎng)細(xì)菌大多是好氧細(xì)菌，它們的生長繁殖都要在O2充裕的環(huán)境中進行，任何厭氧狀態(tài)都會對它們的生長繁殖產(chǎn)生重要的影響。在較高溶氧條件下，生物絮團結(jié)構(gòu)趨向更加緊湊和穩(wěn)定，其作用活性更加強大。因此，在養(yǎng)殖系統(tǒng)中需要設(shè)置增氧設(shè)備，不僅可以滿足水產(chǎn)動物的需要，還能促進生物絮團懸浮。曝氣是增加溶氧的手段，可以促進底層水體和表層水體間的充分混合，使養(yǎng)殖水體各層面溶氧達到均一。攪拌可以增加水體中細(xì)菌團塊相互碰撞的頻率，有利于異養(yǎng)細(xì)菌的聚集，促進生物絮團形成。持續(xù)的曝氣和攪拌可以使生物絮團懸浮于水體中，有利于減緩生物絮團的惰化，一旦停止曝氣，絮團會很快沉入水底，長時間的沉積會導(dǎo)致絮團死亡，從而惡化水質(zhì)。因此，曝氣和攪拌也被認(rèn)為是影響生物絮團形成的一個重要因素。

1.2.4 碳源和碳氮比 水產(chǎn)養(yǎng)殖中氨氮的轉(zhuǎn)化主要有3種方式：(1)通過微藻的光合作用吸收；(2)通過自養(yǎng)細(xì)菌的硝化作用轉(zhuǎn)化；(3)通過異養(yǎng)細(xì)菌利用氨氮合成自身細(xì)菌蛋白。研究表明，在有充足的有機碳和適宜的碳氮比條件下，養(yǎng)殖水體中異養(yǎng)細(xì)菌會最先利用氨氮轉(zhuǎn)化成細(xì)菌自身蛋白，當(dāng)有機碳成為限制性因素時，自養(yǎng)細(xì)菌就起主要作用，通過硝化作用來消耗氨氮。異養(yǎng)細(xì)菌在生物絮團中發(fā)揮著主要作用，它的繁殖和生長都需要有機碳源和氮源，異養(yǎng)細(xì)菌利用水體中的氮源和有機碳源，將其轉(zhuǎn)化成自身所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，促進自身的生長、繁殖，從而消耗分解水體中的氨氮等有害物質(zhì)，使水體中氨氮含量達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。有機碳源的選擇很大程度上決定了菌落的組成和穩(wěn)定性，從而決定了生物絮團的數(shù)量、類型和作用，有機碳源的添加方式也會影響生物絮團聚落的組成，當(dāng)?shù)孜锼捷^低時，絲狀菌占有優(yōu)勢，絲狀菌可以延伸到絮團表面吸收營養(yǎng)[9]。碳氮比指養(yǎng)殖水體中總有機碳與總?cè)芙獾谋戎?。Goldman研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖水體中，碳氮比大于10 ∶1時，異養(yǎng)細(xì)菌的生長狀態(tài)最好，吸收外界碳和氮元素同化為自身細(xì)胞成分的效果最好[10]。在養(yǎng)殖過程中，如果投喂的飼料碳氮比過低，異養(yǎng)細(xì)菌生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)受到抑制，導(dǎo)致異養(yǎng)細(xì)菌不能大量繁殖，需要通過添加額外的碳源以增加水體中的碳，促進異養(yǎng)細(xì)菌大量繁殖，使養(yǎng)殖系統(tǒng)由自養(yǎng)型轉(zhuǎn)變成異養(yǎng)型。

2 生物絮團在蝦類養(yǎng)殖中的應(yīng)用

目前，人們對生物絮團技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖方面的應(yīng)用進行了大量研究，尤其是在蝦類養(yǎng)殖方面。趙大虎等研究了生物絮團對養(yǎng)殖環(huán)境的清潔作用及對對蝦生理指標(biāo)的影響，研究結(jié)果表明生物絮團對養(yǎng)殖水體中氨氮有明顯的清潔作用，并對凡納濱對蝦免疫指標(biāo)和解毒代謝指標(biāo)影響顯著[11]；王超等研究了生物絮團在凡納濱對蝦零水交換養(yǎng)殖系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，結(jié)果表明添加有機碳源培育生物絮團，可以有效地調(diào)控水質(zhì)，而且在減少投餌情況下，生物絮團養(yǎng)殖凡納濱對蝦可以基本保持正常的生理健康水平，降低餌料系數(shù)，提高投入產(chǎn)出比，提高養(yǎng)殖效益[12]；蓋春蕾等利用芽孢桿菌研究了生物絮團在日本對蝦育苗中的應(yīng)用研究[13]；岳強等以枯草芽孢桿菌和光合細(xì)菌為研究對象，研究了生物絮團對中華鋸齒米蝦養(yǎng)殖水體酸堿度、氨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、COD等水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)節(jié)及其在促進米蝦生長方面的作用，結(jié)果表明，試驗組比對照組養(yǎng)殖水體的亞硝基氮含量降低54%，COD水平降低39%，氨氮含量降低35%，pH值穩(wěn)定保持在適宜的水平，中華鋸齒米蝦的存活率和增質(zhì)量率也顯著提高[14]；鄧應(yīng)能等將生物絮團技術(shù)應(yīng)用到凡納濱對蝦試驗性封閉養(yǎng)殖系統(tǒng)中，篩選生物絮團養(yǎng)殖所需的適宜碳源及其添加量，在此基礎(chǔ)上研究生物絮團養(yǎng)殖系統(tǒng)中凡納濱對蝦的適宜養(yǎng)殖密度[15]；孫振等利用紅糖與尿素為碳氮源在自然海水中培養(yǎng)微生物絮團，綜合分析認(rèn)為，凡納濱對蝦攝食微生物絮團后，能夠顯著提高對蝦的非特異免疫力，抗微生物感染的能力得到增強[16]；鄧吉朋等為確定斑節(jié)對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)中生物絮團形成所需的最適碳源及添加量，研究了不同碳源對斑節(jié)對蝦的影響，結(jié)果表明添加75%的蔗糖最適合生物絮團在斑節(jié)對蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)中形成，并促進斑節(jié)對蝦的生長[17]；胡修貴等采用富集培養(yǎng)、分離純化等微生物學(xué)手段，從對蝦養(yǎng)殖池的生物絮團中篩選對氨氮有高轉(zhuǎn)化率的菌株，研究結(jié)果表明，勝利鹽單胞菌更適合在生物絮團技術(shù)中應(yīng)用[18]；楊章武等為提高凡納濱對蝦種苗生產(chǎn)的生態(tài)化水平，分別以蔗糖、葡萄糖、淀粉為添加碳源，同時添加地衣芽孢桿菌，在1 000 L的水體中進行凡納濱對蝦生物絮團技術(shù)育苗試驗，結(jié)果表明在凡納濱對蝦生物絮團技術(shù)育苗中，蔗糖和葡萄糖作為添加碳源是合適的[19]。索建杰等研究了日常規(guī)換水、循環(huán)水和“生物絮團”3種凡納濱對蝦養(yǎng)殖模式中，水質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律及對蝦的存活與生長。結(jié)果表明，生物絮團組養(yǎng)殖模式中的各個指標(biāo)均明顯好于另外2個試驗組[20]。

通過對生物絮團在蝦類養(yǎng)殖中的研究可以發(fā)現(xiàn)，生物絮團在蝦類養(yǎng)殖系統(tǒng)中的作用，一是有效減少水體中的氮源，實現(xiàn)養(yǎng)殖水體的自主清潔。在蝦類養(yǎng)殖過程中，殘餌和糞便不斷積累，氨氮、亞硝酸鹽等含氮物質(zhì)的大量積累，導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化，達到一定的程度就會對養(yǎng)殖生物產(chǎn)生毒害作用，在有機碳源充足的情況下，生物絮團中的異養(yǎng)細(xì)菌通過同化作用，將水體中的氮磷等污染物質(zhì)轉(zhuǎn)變成自身的營養(yǎng)物質(zhì)，從而降低了水體中的氨氮和亞硝酸鹽濃度，凈化了水體。二是再利用水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。養(yǎng)殖過程中投入到養(yǎng)殖水體中的飼料蛋白質(zhì)中，除小部分蛋白質(zhì)被蝦類利用外，大部分以有機碎屑、殘餌和排泄物的形式存在于水體中，不僅污染了水體，還造成了飼料蛋白質(zhì)的浪費，增加了養(yǎng)殖成本，在生物絮團養(yǎng)殖系統(tǒng)中，有機碎屑、殘餌和排泄物等均可以通過細(xì)菌黏附聚集成生物絮團的一部分，進入養(yǎng)殖生物的食物鏈，提高物質(zhì)的循環(huán)利用，從而降低了飼料投喂量。三是抑制病源菌的生長繁殖，減少蝦類疾病的發(fā)生。在生物絮團系統(tǒng)中，添加有機碳源可以有效促進異養(yǎng)細(xì)菌的生長與繁殖，不僅可以和病原菌競爭生存空間、營養(yǎng)物質(zhì)，抑制病原菌的生長和繁殖，有的有益菌還可以分泌一些抑菌因子，如溶菌酶、細(xì)菌素等物質(zhì)來抑制致病微生物的生長繁殖[21]。

3 生物絮團技術(shù)在羅氏沼蝦養(yǎng)殖中應(yīng)用前景分析

羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)，別稱馬來西亞大蝦，主要分布在泰國、緬甸和馬來西亞等東南亞國家，生活于淡水或咸淡水水域中。因其營養(yǎng)豐富、肉味鮮美、生長速度快、食性廣泛、適應(yīng)性和抗逆性強、易于養(yǎng)殖等特點，已成為我國最主要的淡水養(yǎng)殖品種之一，20世紀(jì)90年代羅氏沼蝦已成為國內(nèi)最主要的淡水養(yǎng)殖品種。2002年以后，由于羅氏沼蝦產(chǎn)業(yè)受到種質(zhì)資源退化、市場失調(diào)、白體病暴發(fā)、凡納濱對蝦養(yǎng)殖熱潮等多重沖擊，羅氏沼蝦的育苗產(chǎn)量和養(yǎng)殖產(chǎn)量都嚴(yán)重下降，羅氏沼蝦產(chǎn)業(yè)走入低谷。近年來，隨著羅氏沼蝦白體病病原的確診及相關(guān)防控技術(shù)的建立，凡納濱對蝦的養(yǎng)殖風(fēng)險高等原因，全國羅氏沼蝦的養(yǎng)殖面積在大面積恢復(fù)。因此，探索使用新的生態(tài)養(yǎng)殖技術(shù)養(yǎng)殖羅氏沼蝦，成為推動羅氏沼蝦養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)，生物絮團技術(shù)的提出為此提供了新思路。

目前，生物絮團在以生物絮團為餌料的雜食性養(yǎng)殖對象中應(yīng)用較多，如對蝦、羅非魚等。在羅氏沼蝦中，應(yīng)用生物絮團技術(shù)的報道較少，僅有生物絮團在羅氏沼蝦育苗水體中的應(yīng)用研究[22]，根據(jù)羅氏沼蝦養(yǎng)殖特點以及生物絮團技術(shù)的特點，利用生物絮團技術(shù)養(yǎng)殖羅氏沼蝦是可行的，可以從以下幾個方面開展研究。

3.1 有機碳源的選擇和適宜添加量

生物絮團技術(shù)的原理就是異養(yǎng)細(xì)菌通過消耗大量的有機碳源，將水體中的氨氮等轉(zhuǎn)化為自身的蛋白質(zhì)，同時結(jié)合水體中的懸浮物質(zhì)形成可供水生動物攝食的絮團。因此，有機碳源的選擇和添加量對生物絮團的形成和維持具有重要作用。當(dāng)前，國內(nèi)外常用的有機碳源有3類：第1類為單糖或較易被分解的含糖化合物，如葡萄糖、果糖、蔗糖等含糖化合物；第2類為較難被直接利用，但會被異養(yǎng)細(xì)菌緩慢降解吸收的碳源，如木薯粉、小麥粉等；第3類為不能被直接利用，但通過發(fā)酵后可以被異養(yǎng)細(xì)菌利用的碳源，如小麥秸稈、麥麩等。有機碳源的選擇在很大程度上決定了生物絮團的組成，決定了水體中絮凝物的數(shù)量和種類，另外有機碳源的成本也是實踐中有機碳源選擇的決定性因素。除了選擇合適的有機碳源之外，適宜添加量也尤為重要。研究表明，C/N為15左右時，能很好地穩(wěn)定生物絮團系統(tǒng)，C/N<10時，異養(yǎng)細(xì)菌主要利用水體中的有機氮源，氮的氨化作用會使水體中的氨氮量增加；C/N>10時，養(yǎng)殖系統(tǒng)中的無機氮被異養(yǎng)細(xì)菌利用，水體中的氨氮被消耗[23]。因此，有機碳源的選擇和適宜添加量不是固定不變的，需要根據(jù)具體的養(yǎng)殖環(huán)境而做出最優(yōu)組合，重點研究適合羅氏沼蝦養(yǎng)殖的有機碳源及其適宜添加量，達到合適的C/N，從而起到有效降低水體中氨氮等無機氮含量的作用。

3.2 生物絮團的調(diào)控

除了要快速建立以異養(yǎng)細(xì)菌為主的生物絮團系統(tǒng)對養(yǎng)殖水質(zhì)進行調(diào)控外，還要能及時消除老化多余的絮團，防止老化絮團沉積，產(chǎn)生一些厭氧代謝產(chǎn)物，對羅氏沼蝦生長產(chǎn)生不利影響。目前，認(rèn)為消除有效的方法有3種[24]，第1種是將所形成的生物絮團直接從水體中分離出來，但這種方法需要大量的人力、物力，在大水體中操作難度較大；第2種是通過調(diào)節(jié)生物絮團結(jié)構(gòu)，使得生物絮團成為水產(chǎn)動物的餌料，被水產(chǎn)動物食用；第3種是利用養(yǎng)殖水體中的微生物，將所形成的絮團沉淀物分解成為水體中植物可以利用的物質(zhì)。因此，在羅氏沼蝦養(yǎng)殖過程中，如何調(diào)控、消除生物絮團也是一個需要解決的問題。

3.3 生物絮團組成及對羅氏沼蝦生長、繁殖的影響

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，可以利用PCR等分子生物學(xué)方法深入研究生物絮團組成成分和細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)等，并通過免疫學(xué)方法等研究生物絮團對羅氏沼蝦生長、繁殖各階段營養(yǎng)生理的影響，為生物絮團技術(shù)在羅氏沼蝦實際養(yǎng)殖生產(chǎn)中的進一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

綜上所述，生物絮團技術(shù)是一項新型健康的實用技術(shù)，該技術(shù)不僅能夠促進養(yǎng)殖水體中氨氮的吸收，加強水質(zhì)穩(wěn)定性，可最大限度地減少水的使用及排放，還能夠提高餌料營養(yǎng)再利用率，降低飼料成本，有效提高養(yǎng)殖成活率，從而增加養(yǎng)殖產(chǎn)量，它又是一種有效減少水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病發(fā)生的有效方法。該技術(shù)既無藥物殘留等水產(chǎn)品安全性問題，又不會對水域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，使得水產(chǎn)養(yǎng)殖朝著更加環(huán)境友好型的方向發(fā)展。因此，隨著對生物絮團進行深入的研究，將生物絮團技術(shù)應(yīng)用到羅氏沼蝦養(yǎng)殖中，必將推動羅氏沼蝦養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展。