生物膜法在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體處理中的研究與應(yīng)用進(jìn)展

胡曉偉，孫源，羅亮，趙志剛，王世會(huì)，張瑞，郭坤

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)藥物工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150076；2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江 哈爾濱 150070）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的提升，水產(chǎn)品的消耗量顯著增多。從20 世紀(jì)70 年代始，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[1]。在2019年，我國(guó)養(yǎng)殖產(chǎn)品產(chǎn)量高達(dá)5 079.07 萬(wàn)t，占全國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量的78.38%[2]。我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)模式從傳統(tǒng)的粗放型逐漸過(guò)渡到高密度集約型，養(yǎng)殖水體自身污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重[3,4]。這種高養(yǎng)殖密度和增大投喂量來(lái)提高水產(chǎn)品產(chǎn)量的方法造成了嚴(yán)重的水體污染。水產(chǎn)養(yǎng)殖中的剩余飼料、水產(chǎn)動(dòng)物的代謝物、動(dòng)植物尸體以及抗生素等在水體中的大量殘留[5]導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中氮和磷等有機(jī)物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)超標(biāo)，進(jìn)一步加重了養(yǎng)殖水體的環(huán)境污染，導(dǎo)致水體的富營(yíng)養(yǎng)化[6]、水產(chǎn)品病害頻發(fā)、水產(chǎn)品品質(zhì)降低[5,7]，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[8]。因此，探求高效、安全、低毒的水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化方法，構(gòu)建高效健康的生態(tài)養(yǎng)殖模式是當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

研究證實(shí)，生物膜法能更好地凈化水體環(huán)境[9,10]，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度，成本低廉、操作簡(jiǎn)便、凈水效率高、不存在水體的二次污染，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水和生活污水的凈化，但生物膜在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體處理中的應(yīng)用仍然十分有限。本文綜述了生物膜法的概念、生物膜的形成、影響因素、生物膜的作用機(jī)理以及生物膜在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理中的應(yīng)用等，并重點(diǎn)展望了生物膜法在未來(lái)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體處理的應(yīng)用前景。

1 生物膜及生物膜法的概念

浸沒(méi)于水體環(huán)境的材料表面通常會(huì)形成一層由微生物形成的膜狀物質(zhì)，稱為生物膜[11-13]。生物膜是由微生物、胞外聚合物、細(xì)菌分泌物等組成的一種復(fù)雜且具有一定功能的生物組合體[14]；自然水體生物膜中的微生物和其他多種物質(zhì)相互作用共同實(shí)現(xiàn)生物膜的結(jié)構(gòu)與功能[15]。生物膜是水體環(huán)境微生物一種重要的存在方式[16]。

生物膜法又被稱為生物過(guò)濾法[17]，是一種利用人工干預(yù)的方式來(lái)促進(jìn)廢水中污染物降解、實(shí)現(xiàn)水體自凈的廢水好氧生物處理方法[18]。生物膜法以天然或合成物質(zhì)為載體，吸附水體中的細(xì)菌及其分泌物、藻類以及次級(jí)代謝產(chǎn)物等形成具有凈水作用的生物膜。通過(guò)與水體進(jìn)行接觸，吸附、吸收水體中的有機(jī)污染物并將其轉(zhuǎn)化為自身所需能源來(lái)促進(jìn)自身生長(zhǎng)繁殖，實(shí)現(xiàn)水體的凈化[19-21]。

2 生物膜的形成及影響因素

2.1 生物膜的形成

生物膜主要有均質(zhì)生物膜和異質(zhì)生物膜兩種構(gòu)成方式，其中均質(zhì)生物膜由同種細(xì)菌構(gòu)成，而異質(zhì)生物膜是由多種細(xì)菌構(gòu)成[22]。自然界中最為常見(jiàn)的是多種細(xì)菌組成的異質(zhì)生物膜[23]。在外界環(huán)境因素（水流剪切力、pH、抗生素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等）的影響下，游離態(tài)的細(xì)菌依靠菌毛或鞭毛的作用吸附到載體表面暫時(shí)性粘附，然后通過(guò)細(xì)菌分泌的胞外多聚物（DNA、蛋白質(zhì)、脂類以及脂多糖組成）增強(qiáng)細(xì)菌與載體間的粘附作用，單個(gè)細(xì)菌相互聚集形成由單層細(xì)菌組成的微菌落[24-27]。隨后，這些微菌落繼續(xù)粘接或自身增殖作用使生物膜厚度不斷增加形成較大的菌落，隨著胞外多聚物量增多，逐漸形成一層水凝膠覆蓋于載體材料表面。同時(shí)，細(xì)菌之間群體效應(yīng)可用于細(xì)胞致病性的調(diào)節(jié)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的獲取、細(xì)胞之間的雜交、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)及次生代謝產(chǎn)物的生成，并決定細(xì)胞各種功能[28]。隨著菌落的生長(zhǎng)，細(xì)胞與載體及細(xì)胞之間主要依靠胞外多聚物粘連在一起，形成具有三維結(jié)構(gòu)的成熟生物膜[28,29]。成熟生物膜通過(guò)自身生物代謝使原有的部分老化細(xì)菌群體脫落，確保生物膜的新老循環(huán)交替重復(fù)進(jìn)行[30]。生物膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，主要分為粘附期、菌落形成期、成長(zhǎng)發(fā)育期、成熟期及脫落期五個(gè)階段[29]。

2.2 生物膜形成的影響因素

生物膜的形成主要受到載體材料的表面性質(zhì)、進(jìn)水碳氮比（C/N）、CODCr負(fù)荷等多種因素的影響。

2.2.1 載體材料表面性質(zhì)對(duì)生物膜形成的影響

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，可用多種材料作生物膜的載體，如塑料、PVC 管、玻璃以及人工合成材料等，但不同的載體材料對(duì)生物膜的形成及水處理效果明顯不同。章霞等[31]采用聚乙烯環(huán)、聚苯乙烯泡沫濾珠和電氣石球組等3 種不同材料作載體，研究生物膜的形成對(duì)水質(zhì)處理的效果，發(fā)現(xiàn)不同載體生物膜去除氨氮速率與時(shí)間存在明顯差異，其中電氣石球組的去除速率最快，去除時(shí)間最短。不同載體表面生物膜對(duì)氨氮和亞硝酸鹽的去除能力存在顯著差異。劉洋等[32]研究了纖維毛球和陶粒載體材料對(duì)氨氮和亞硝酸鹽氮的去除效果，發(fā)現(xiàn)在建立硝化功能階段，纖維毛球系統(tǒng)和陶粒系統(tǒng)氨氮含量分別于6 d 和8 d 降至0.06 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于8 d 和11 d 降至0.02 mg/L 以下；在硝化功能強(qiáng)化階段，氨氮負(fù)荷為6 mg/L 時(shí)，纖維毛球和陶粒系統(tǒng)氨氮含量分別于5 d 和7 d 降至0.02 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于6 d 和9 d 降至0.07 mg/L以下；當(dāng)氨氮負(fù)荷為9 mg/L 時(shí)，纖維毛球和陶粒系統(tǒng)氨氮含量分別于3 d 和4 d 降至0.08 mg/L 以下，亞硝酸鹽氮含量分別于5 d 和7 d 降至0.04 mg/L以下?？傮w來(lái)看，纖維毛球系統(tǒng)對(duì)無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化能力優(yōu)于陶粒系統(tǒng)。

2.2.2 進(jìn)水C/N 比

不同進(jìn)水C/N 比條件下，生物膜對(duì)養(yǎng)殖水體中氨氮去除效果不同。仇天雷等[33]發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水C/N 為0時(shí)，即不添加有機(jī)碳源的條件下，出水氨氮濃度維持在0.58 mg/L 以下，亞硝氮含量基本為零；進(jìn)水C/N 為1 時(shí)，出水氨氮基本為0，亞硝氮含量低于0.05 mg/L；當(dāng)進(jìn)水C/N 調(diào)整為2 時(shí)，出水氨氮濃度顯著增加且極不穩(wěn)定，最高值達(dá)到8.73 mg/L，亞硝氮也出現(xiàn)明顯累積。上述結(jié)果表明：進(jìn)水C/N 控制在1 左右有利于硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 CODCr負(fù)荷

許小馬[34]使生物膜反應(yīng)器分別在15 g/（m2·d）、20 g/（m2·d）、25 g/（m2·d）和30 g/（m2·d）4 種CODCr負(fù)荷下運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，隨著CODCr負(fù)荷從15 g/（m2·d）增加至30 g/（m2·d），COD 去除率分別為83.80%、87.70%、89.50%和89.60%。COD 去除率在CODCr負(fù)荷為25 g/（m2·d）時(shí)接近最高值，為89.50%，其出水COD 濃度也保持穩(wěn)定在9 mg/L 左右。若再繼續(xù)增加CODCr負(fù)荷，COD 去除率不但沒(méi)有明顯增加，反而使出水的COD 濃度偏高，達(dá)到12 mg/L 以上。而隨著進(jìn)水COD 濃度的升高，氨氮濃度也有所增高。但出水中氨氮濃度能保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，為1.30 mg/L 左右，去除率則呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)，同樣是 在CODCr負(fù)荷為25 g/（m2·d）時(shí)達(dá)到最高，為86.40%[34]。

2.2.4 其他因素

除了以上因素，還存在一些其他的環(huán)境因素影響生物膜的形成，如基質(zhì)掛設(shè)密度、水體溫度、pH、水體曝氣量、營(yíng)養(yǎng)條件以及鹽度等[35]。環(huán)境因素不同，細(xì)菌的生存方式也不同，因適應(yīng)生存需要而發(fā)展出不同形態(tài)。

3 生物膜的作用機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)，生物膜上附著的大量細(xì)菌與藻類通過(guò)自身代謝作用將水體中的過(guò)量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收與轉(zhuǎn)化為自身生長(zhǎng)繁殖所需的能源和食物[36,37]，顯著降低養(yǎng)殖水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，改善水體富營(yíng)養(yǎng)化，凈化養(yǎng)殖水體。生物膜法主要通過(guò)污染物質(zhì)在液相和生物膜中的擴(kuò)散和有機(jī)污染物的氧化和分解去除污水中的污染物[38]。

生物膜對(duì)污染物的處理過(guò)程主要分為三個(gè)階段：（1）通過(guò)生物膜的吸附作用使污染物附著于其表面并向內(nèi)部擴(kuò)散，生物膜上的微生物對(duì)目標(biāo)污染物具有一定趨向性；（2）在生物膜內(nèi)微生物分泌的酶的作用下將污染物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化；（3）代謝產(chǎn)物通過(guò)擴(kuò)散或解吸作用排出生物膜外[39]。

4 生物膜在水產(chǎn)養(yǎng)殖水處理中的應(yīng)用

4.1 生物膜對(duì)水質(zhì)調(diào)控的影響

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)廢水中含有大量的溶解性有機(jī)物、排泄物及食物殘?jiān)?，直接排放?yán)重危害自然環(huán)境，利用生物膜法處理養(yǎng)殖廢水，可降低水體中的有機(jī)物含量，對(duì)防止水華及赤潮現(xiàn)象的發(fā)生具有重要作用[40,41]。

車建鋒等[42]采用生物膜法處理羅非魚(yú)（Oreochromis mossambicus）和草魚(yú)（Ctenopharyngodon idellus）混養(yǎng)池中的養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn)總氮和總磷的濃度分別由7.45 mg/L 和1.69 mg/L 降至0.66 mg/L 和0.25 mg/L，去除率分別達(dá)到了91.14%和85.21%。實(shí)驗(yàn)期間硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨態(tài)氮濃度一直處于較低水平。生物膜對(duì)維持硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和氨態(tài)氮等水質(zhì)指標(biāo)具有一定的貢獻(xiàn)作用。鄒俊良等[43]研究了移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器對(duì)養(yǎng)殖廢水處理效果的影響，發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間為8 h，DO 為2.0～3.0 mg·L-1的情況下，COD 和氨氮的去除率均能達(dá)到80%以上，TP 去除率為50%左右；在有機(jī)負(fù)荷為（0.76±0.03）kg·m-3·d-1時(shí)，TN 及氨氮去除率分別能達(dá)到71.73%及98.42%。以上研究可以看出，生物膜法對(duì)養(yǎng)殖廢水具有良好的處理效果，而且對(duì)養(yǎng)殖水體的水質(zhì)調(diào)節(jié)也能起到一定的維持作用。

4.2 生物膜對(duì)水產(chǎn)品產(chǎn)量的影響

將生物膜技術(shù)應(yīng)用到水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不僅能調(diào)控水質(zhì)，還會(huì)增加水產(chǎn)品的養(yǎng)殖產(chǎn)量，降低飼料系數(shù)，促進(jìn)生物膜技術(shù)和我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。Haque 等[44]在羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii）養(yǎng)殖中應(yīng)用生物膜法，明顯改善羅氏沼蝦生存率與凈產(chǎn)量，羅氏沼蝦的增長(zhǎng)速度加快。生物膜的使用還能提供額外的食物來(lái)源，降低飼料系數(shù)[45,46]。汪宏偉等[47]采用生物膜法處理草魚(yú)、福瑞鯉（FFRC Strain Common Carp，Cyprinus carpio）、異育銀鯽（Carassius auratus gibelio）中科3 號(hào)等混養(yǎng)池的養(yǎng)殖廢水，發(fā)現(xiàn)魚(yú)類成活率、產(chǎn)量分別顯著提高5.86%、22.96%（P＜0.05），飼料系數(shù)顯著降低9.68%（P＜0.05）。張圓圓等[48]在黃河鯉（Cyprinus carpio haematopterus）新品系、鰱（Hypophthalmichthys molitrix）、鳙（Aristichthys nobilis）、草魚(yú)的混養(yǎng)水體中采用生物膜法，發(fā)現(xiàn)魚(yú)類產(chǎn)量明顯提高、發(fā)病率和投餌系數(shù)明顯降低。采用生物膜法養(yǎng)殖凡納濱對(duì)蝦（Litopenaeus vannamei）和鰻鱺（Anguilla japonica），飼料的使用量分別降低了26.80%和14.20%，養(yǎng)殖產(chǎn)量分別提高了150%和38%，利潤(rùn)分別增加了22.10 萬(wàn)元/hm2和77.25 萬(wàn)元/hm2[49,50]。

上述研究結(jié)果表明，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用生物膜法效果明顯，可以科學(xué)合理的提高水產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，降低飼料系數(shù)和發(fā)病率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 研究展望

近年來(lái)，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。然而過(guò)低的飼料利用率導(dǎo)致剩余的大部分飼料以氮和磷等形式存在于養(yǎng)殖廢水中。這些廢水若不經(jīng)處理直接排入自然生態(tài)環(huán)境中，易造成水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化[17]，影響水體中其他動(dòng)植物的生存，破壞生態(tài)環(huán)境。生物膜對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理效果顯著，凈化水質(zhì)應(yīng)用前景良好。建立高效健康養(yǎng)殖模式，促進(jìn)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展是目前我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。

目前，許多關(guān)于生物膜的研究尚不成熟，生物膜如何快速成熟、生物膜載體對(duì)水質(zhì)的處理效果等。未來(lái)應(yīng)深入探索、加大推廣力度，積極普及生物膜法凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的研究和應(yīng)用。