魚類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

谷雪勤

（天津農(nóng)學(xué)院，天津西青 300380）

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating Aquaculture System，RAS）是一種將同一養(yǎng)殖體系中的水經(jīng)過養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)部凈化處理之后循環(huán)利用的一種養(yǎng)殖模式，其主要原理是在相對封閉的空間內(nèi)，優(yōu)化組合曝氣、沉淀、過濾、生物凈化等水處理技術(shù)手段，去除養(yǎng)殖對象的代謝產(chǎn)物和餌料殘?jiān)?，降低水體中亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸氮、磷、化學(xué)耗氧率（COD）等指標(biāo)濃度，使水質(zhì)得以凈化以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用［1］。微生物作為分解者可以轉(zhuǎn)化養(yǎng)殖系統(tǒng)中積累的污染物，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，影響?zhàn)B殖動物的健康，進(jìn)而影響高級營養(yǎng)生物的群落結(jié)構(gòu)，影響整個養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況［2］。因此，微生物的數(shù)量及構(gòu)成與RAS 系統(tǒng)的運(yùn)行及養(yǎng)殖動物的健康息息相關(guān)。我國是一個具有豐富資源的國家，有著非常豐富的自然資源，所以要充分研究養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)，這樣才能更好地提高養(yǎng)殖水平，保護(hù)好當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，基于這樣的考慮，全面研究魚類循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，對未來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有非常重要的作用。

1 魚類RAS

RAS 作為新興的養(yǎng)殖模式，集水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、生物學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)和工程學(xué)諸多學(xué)科優(yōu)勢，具有設(shè)備先進(jìn)、養(yǎng)殖技術(shù)精細(xì)化、養(yǎng)殖產(chǎn)量高、高效、節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保、可控和水產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前和未來水產(chǎn)養(yǎng)殖重要模式之一，也是現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)的主要發(fā)展方向。目前我國海水魚RAS 主要養(yǎng)殖對象包括大菱鲆（Scophthalmus maximus）、半滑舌鰨（Cynoglossus semilaevis）、石斑魚（Epinephelusspp）、大馬哈魚（Oncorhynchus keta）和紅鰭東方鲀（Takifugu rubripes）等名貴魚類品種［3］。RAS 節(jié)能表現(xiàn)在保溫，防止水體溫度變化過大；環(huán)保表現(xiàn)在改善養(yǎng)殖水體，增強(qiáng)水體自凈能力，如鱖魚（Siniperca chuatsi）RAS利用濾食性魚類鰱魚、鳙魚及微生態(tài)制劑改善水質(zhì)，增強(qiáng)水質(zhì)凈化能力；可控表現(xiàn)在RAS 和清潔工具徹底消毒等，可操作性強(qiáng)，病原相對可控［4］。

RAS 運(yùn)行過程中系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)對水生生物的健康產(chǎn)生重要影響。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要通過物理、生物和化學(xué)等方法對養(yǎng)殖水體進(jìn)行凈化處理，從而去除養(yǎng)殖水體中的有害物質(zhì)。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)水體經(jīng)過不同功能區(qū)域設(shè)備的處理以達(dá)到提升水質(zhì)的目的，尤其是生物濾池，通過好氧硝化細(xì)菌將NH4+轉(zhuǎn)化成NO2-，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成毒性較低的NO3-，其中主營NH4+氧化的細(xì)菌屬主要包括亞硝化球菌屬、亞硝化螺菌屬和亞硝化單胞菌屬，主營NO2-氧化的細(xì)菌屬包括硝化桿菌屬、硝化球菌屬、硝化刺菌屬和消化螺菌屬。微生物作為RAS 的重要組成部分，不僅參與氮、磷、硫等元素的轉(zhuǎn)化，還參與水質(zhì)調(diào)節(jié)和有機(jī)碎屑的降解；RAS 中水質(zhì)好壞依賴于微生物群落，但對于其中大部分微生物尚未有詳細(xì)研究［5］。

雖然RAS 有很多優(yōu)點(diǎn)，但還是存在不足之處，一些致病菌的入侵導(dǎo)致海水魚患病，進(jìn)而導(dǎo)致整個系統(tǒng)中海水魚疾病的暴發(fā)，給養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。高密度養(yǎng)殖產(chǎn)生的應(yīng)激條件，嚴(yán)重降低宿主免疫反應(yīng)，并促進(jìn)病原體的產(chǎn)生和傳播。RAS 中各環(huán)節(jié)細(xì)菌分布和消除效果的研究表明病原菌可分布在魚體、殘餌、池壁污物及循環(huán)水各處理環(huán)節(jié)，不健康苗種和養(yǎng)殖工具也可攜帶病菌。池壁水位線處常會積累大量的污物，是RAS 中藏匿細(xì)菌最多的地方。新進(jìn)的魚苗體內(nèi)和體表、養(yǎng)殖人員、清潔和捕撈工具、空氣等均可能攜帶病原菌，引起RAS 中水生生物集中暴發(fā)疾病。RAS在運(yùn)行時耗電量大。因此，海水魚RAS 中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究，對于發(fā)現(xiàn)RAS 中的致病菌、非致病菌有指導(dǎo)作用，對于海水魚的養(yǎng)殖生產(chǎn)會產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行養(yǎng)殖過程中，不僅要重視經(jīng)濟(jì)效益，也要重視生態(tài)效益，這樣才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)目標(biāo)，對保護(hù)環(huán)境和自然生態(tài)也有著非常重要的意義和作用。人類的發(fā)展離不開自然環(huán)境，所以要重視對自然環(huán)境的保護(hù)。

2 魚類RAS細(xì)菌群落的研究進(jìn)展

2.1 RAS 中生物載體上細(xì)菌群落研究進(jìn)展

生物濾池中的生物載體上生物膜是否形成是RAS能否健康運(yùn)行的關(guān)鍵條件。目前，RAS 中生物載體上細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究主要是為了改善養(yǎng)殖水環(huán)境。水產(chǎn)養(yǎng)殖生物載體中的微生物研究較多，生物載體包括底泥和生物濾池中的生物膜、懸浮顆粒、生物絮團(tuán)和毛刷等，它們表面附著的菌群對水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)調(diào)控起關(guān)鍵作用。在RAS 中的懸浮顆粒提供了可被細(xì)菌定植的表面積，同時增加了系統(tǒng)的細(xì)菌攜帶能力。不同級別濾池、不同時期和不同水生動物RAS 中，生物濾池中的菌群都存在變形菌門、擬桿菌門和一些硝化菌門。RAS 中生物濾池中均勻懸掛的類似毛刷的生物載體上存在去除養(yǎng)殖水體污物的菌群，優(yōu)勢菌有變形菌門和黃桿菌門。水產(chǎn)養(yǎng)殖中成熟的生物絮團(tuán)上存在的硝化螺旋菌門，能有效降低養(yǎng)殖水體氨氮鹽水平，可以有效控制水質(zhì)，增加水體微生物的代謝功能。研究發(fā)現(xiàn)半滑舌鰨RAS 生物濾池前段、后段和污泥中存在的變形菌門和擬桿菌門，它們是所有樣本的優(yōu)勢菌，其次是硝化螺旋菌門、酸桿菌門和浮霉菌門。

生物載體在屬水平，主要存在亞硝化單胞菌屬Nitrosomonas和硝化螺旋菌屬Nitrospira，這些菌屬有硝化和脫氮的作用，從而降低水中高濃度的硝酸鹽對魚類的侵害。研究發(fā)現(xiàn)，在石斑魚（Epinephelusspp）RAS 3 個不同級別的生物濾池內(nèi)，亞硝化單胞菌、硝化螺旋菌起硝化作用。斑石鯛（Oplegnathus punctatus）RAS 生物濾池內(nèi)細(xì)菌群落組成對養(yǎng)殖水質(zhì)有一定凈化作用。在屬水平上，亞硝化單胞菌屬Nitrosomonas、硝化螺旋菌屬Nitrospira起硝化作用。養(yǎng)殖底泥中細(xì)菌種類豐富，底泥中的微生物群落結(jié)構(gòu)的變化能夠及時反應(yīng)環(huán)境的變化，同時影響水產(chǎn)品的質(zhì)量，養(yǎng)殖一年的樣品中優(yōu)勢菌群有蛋白菌屬（Prolixiacter）、莢硫菌屬（Thiocapsa）、浮霉菌屬（Planctomycetes）和脫硫微菌屬（Desulphurization），養(yǎng)殖4 年的樣品中優(yōu)勢菌群有Prolixibacter、黃色單胞菌屬Xanthomonas、Cetobacterium和噬纖維菌屬Cytophaga，底泥中的細(xì)菌群落在長期的積累過程中，微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化促進(jìn)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)新陳代謝、改善魚類腸道微生物菌群、降低魚類細(xì)菌性疾病。

2.2 RAS 中水體細(xì)菌群落研究進(jìn)展

水體中細(xì)菌群落受到復(fù)雜的非生物和生物影響，非生物影響包括銨態(tài)氮、pH 值、化學(xué)需氧量、溶解氧、營養(yǎng)元素和水體富營養(yǎng)狀態(tài)，生物影響包括放射菌（Actinobacteria）、蛋白菌（Proteobacteria）、擬桿菌（Bacteroidetes）、硬壁菌（Firmicutes）、疣微菌（Verrucomicrobia）、藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）、酸菌（Acidobacteria）等細(xì)菌的作用。

在不同養(yǎng)殖模式的水體中細(xì)菌群落的多樣性對養(yǎng)殖水體具有調(diào)節(jié)作用，門水平一般存在變形菌、擬桿菌，不同水生生物的養(yǎng)殖水體中細(xì)菌群落組成都存在變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門，也存在不同的菌，海水魚RAS 中的細(xì)菌種類相似。研究發(fā)現(xiàn)大鵬灣海水環(huán)境中，變形菌門和擬桿菌門是優(yōu)勢菌。武漢市少譚水庫養(yǎng)殖基地3 種養(yǎng)殖模式中，發(fā)現(xiàn)水體中存在變形菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻細(xì)菌門和浮霉菌門等。通過大菱鲆（Scophthalmus maximus）和塞內(nèi)加爾鰨（Solea senegalensis Kaup）RAS 水體細(xì)菌群落組成的研究發(fā)現(xiàn)，變形菌門是這2 種海水魚RAS 養(yǎng)殖水體含量最高的細(xì)菌門，其次是擬桿菌門。黑鯛（Acanthopagrus schlegelii）RAS 水體中優(yōu)勢菌門為變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、疣微菌門和厚壁菌門，屬水平嫩桿菌（Lentibacter）、馬里維塔（Marivita）、東吉科拉（Donghicola）、硫酸桿菌（Sulfitobacter）、魯埃杰里亞（Ruegeria）菌屬的相對豐度最高。褐點(diǎn)石斑魚（Epinephelus fuscoguttatus）和 東 星（Plectropomus leopardus）RAS 水體中優(yōu)勢細(xì)菌類群為變形菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、梭桿菌門、厚壁菌門和硝化螺旋菌門。從大黑口鱸（Micropterus salmoides）RAS 水體中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢菌有假交替單胞菌屬，黃桿菌屬為優(yōu)勢菌屬。

3 總結(jié)

3.1 魚類RAS 的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中幾乎都存在厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門，說明這些菌門在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中對海水魚的健康有一定的影響作用。在海水魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)不同部位的微生物種類也不同。生物濾池中存在一些與硝化作用有關(guān)的菌，如硝化螺旋菌門、亞硝化單胞菌屬、硝化螺菌屬等可以降低水中的有害物質(zhì)對海水魚的影響。海水魚的皮膚和鰓等部位與循壞水系統(tǒng)的水環(huán)境密切接觸，其中也發(fā)現(xiàn)了變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門為優(yōu)勢菌。在健康魚的腸道內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門，這些菌門和循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境中的菌門類似，說明海水魚腸道中的菌有一部分來自于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，海水魚的健康與外界的循壞水密切相關(guān)。

3.2 魚類RAS 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)研究展望

本研究僅從微生物多樣性角度分析海水魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，沒有具體分析在不同循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的不同部位微生物的組成。這就需要進(jìn)一步去發(fā)現(xiàn)在門、綱、目、科、屬水平上，海水魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)不同部位的細(xì)菌群落，是否存在致病菌、非致病菌、機(jī)會致病菌，從而減少海水魚循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)微生物群落中致病菌的比例，維持循環(huán)水系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保障海水魚健康養(yǎng)殖。益生菌在調(diào)控菌群結(jié)構(gòu)、預(yù)防水產(chǎn)動物患病方面發(fā)揮了重要作用。養(yǎng)殖水環(huán)境因子如鹽度、溫度、養(yǎng)殖密度和pH 值等對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中微生物的群落組成有影響。這也需要同步檢測，構(gòu)建關(guān)鍵養(yǎng)殖環(huán)境因子與菌群結(jié)構(gòu)的關(guān)系，有助于為海水魚循環(huán)水健康養(yǎng)殖生產(chǎn)提供直接指導(dǎo)。