關於生物絮團技術研究進展及其對水產養殖的作用解析

高密度精養是目前我國最主要的水產養殖方式，其高產量的獲得以提高放養密度和增加配合餌料投喂爲前提［1 －3］，水產動物對飼料蛋白質的利用率很低，僅爲 20% ～25%，多餘的有機物質不斷積累，產生氨態氮、亞硝酸鹽等有害物質，污染水體［4 －5］。研究顯示，養殖對蝦每增長 1kg，消耗的清潔水源約爲 20t，養殖魚類每增長 1kg，消耗的清潔水源約爲 2 ～10t［6 －7］，爲此，探索一種新的養殖方式，以期解決水質污染，餌料利用率低等問題具有重要意義。當 前，生 物 絮 團 技 術 ( Biofloc Technology，BFT) 被認爲是一種較爲有效的水處理技術，不但可以解決養殖過程中出現的水質問題，大大減少換水，還能夠提高餌料蛋白的利用率，降低養殖成本，此外，生物絮團技術還具有生物防控作用，可以提高養殖成活率［8 －9］，爲養殖業向着高效、安全、清潔、健康發展提供了新的技術支撐。本文將從生物絮團技術在水產養殖中的研究背景、概述、影響因素和對水產養殖的作用幾方面進行綜述。

1、生物絮團技術的研究背景

20世紀70年代，由法國太平洋中心海洋開發研究所最早提出生物絮團技術的原型，並實施於斑節對蝦( Penaeus monodon) 、凡納濱對蝦( Litope-naeus vannamei) 和南美藍對蝦( Litopenaeus styliros-tris) 的養殖當中［10 －11］; 1982 年，Steve Serfling 設計的生物絮團養殖系統使得羅非魚 ( Oreochromisniloticus) 的養殖年產量達到 1500t，每 d 僅換水1%［12］; 1999 年，以色列學者 Avnimelech 在羅非魚養殖過程中，通過向水體中添加碳源控制碳氮比( C/N) ，促進生物絮團形成，顯着提高了羅非魚的成活率，並有效清潔養殖水體，正式系統地提出了生物絮團技術的反應機制理論，極大推動了生物絮團技術的快速發展［13］。

2、生物絮團技術概述

生物絮團技術是通過向養殖水體中添加碳源提高碳氮比( C/N) ，促進異氧微生物大量繁殖，結合水體中的細菌羣落、浮游動植物、有機碎屑等形成絮團，絮團中的微生物羣落同化吸收水體中的無機氮和有機碳等，轉化而來的菌體蛋白又可作爲水產動物的餌料，從而達到淨化水質和營養物質再利用的雙重目的［14 －17］。

3、影響生物絮團形成的因素

Avnimelech 等認爲，生物絮團技術需要不停地補充碳源、曝氣和攪動水體，消耗氧氣以促進微生物的生長並使得絮團懸浮於水體中，同時需要投入適合的 C/N，以調節水質［13，18 －19］。因此，在水產養殖中，主要的影響因素有以下幾種:

3．1、碳氮比( C / N)

碳氮比( C/N) 指水體中總有機碳與總溶解態氮的比值，對生物絮團的形成至關重要。研究發現當 C/N 低於 10 時，水體中水體中自養微生物和異氧微生物共同作用，異氧微生物主要利用有機氮源，使氨氮增加; C/N 大於 10 時，異氧微生物發揮主要作用，利用水體中的無機氮，消耗氨。所以理論上，碳氮比越高，殘留的氮越少，然而，浮游植物的生長也需要無機氮，因此需要研究最適合的'碳氮比，既能降低氨態氮又不影響浮游植物的生長繁殖［20 －22］。一般，異氧微生物自身元素組成碳氮比約爲 4 ～5，當同化一份氮需要消耗 4 ～5 份有機碳，而微生物利用有機碳的同化效率約爲 50%，假設碳水化合物中碳含量爲 50%，那麼根據公式:

微生物需要碳 = 碳水化合物 × 碳水化合物含碳量( %) × 轉化率得出異氧微生物每同化水體中 1 份氮，需要消耗的碳水化合物約爲 16 ～ 20 份［16，20 －21］。只有提供足夠的碳源，才能實現自養微生物系統向異氧微生物系統的轉變，纔有可能形成生物絮團。

3．2、有機碳源

異氧微生物利用水體中的有機碳源和氮，實現自身繁殖，研究表明，1g 碳水化合物約能產生 0． 4g細菌幹細胞［21］。養殖水體一般有機碳源不多，需要額外添加。常用碳源有簡單碳水化合物: 葡萄糖、蔗糖、果糖、糖蜜等; 複合碳水化合物: 米糠、澱粉、木薯粉、麥麩等穀物。碳源的選擇需結合實際需要，且不同的碳源類型不但影響水體微生物的種類，也會導致污泥出現不同的底物代謝特性［23 －24］。

3．3、曝氣和攪拌

通過曝氣和攪拌來提供充足的溶解氧是異氧微生物生長繁殖所必需的，且對絮團的形成至關重要，其次，曝氣和攪拌可以使生物絮團懸浮，不沉積，不形成死角。Wilen ＆ Balme 發現高溶氧條件下，生物絮團結構更穩定，作用活性更加強大［25］。另有研究顯示，對蝦養殖池塘需要配備 15KW/hm2功率的充氧裝置，而在集約化羅非魚養殖池塘需要配備75KW / hm2功率的充氧裝置［26］。

4、生物絮團技術對水產養殖的作用

4．1、生物絮團技術實現養殖水體自主清潔

生物絮團技術實現養殖水體自主清潔的關鍵在於絮團對氮元素的循環利用。養殖系統中，養殖生物新陳代謝，殘餌和糞便不斷積累，氨氮、亞硝酸氮等物質不斷積累，導致水質不斷惡化。生物絮團能夠實現三種途徑同時作用處理氨氮: 藻類的光合吸收作用; 自養微生物的硝化作用; 異氧微生物的同化作用。在有充足有機碳源和適合C / N 比條件下，異氧微生物最先利用氨氮，2006年，Hargreaves 等發現異氧微生物形成的生物絮團對氨氮的轉化速率高於水體中硝化細菌作用速率，可以快速降低水體中的氨氮濃度［18］。

4．2、生物絮團技術實現水體中營養物質再利用

飼料中約 10 ～20% 的氮未被養殖動物攝食直接溶解到養殖水體中，約 75 ～80%的氮以糞便和代謝物的方式排入水體，僅有約 20 ～25%的氮被養殖動物吸收，用於生長［17］。1995 年，Moss ＆ Pruder 研究發現，生物絮團可以被養殖生物食用，減少了飼料投喂量［27］。2007 年，Avnimelech 用 15N 標記證實生物絮團技術節約羅非魚生長過程近 50＆ 的飼料蛋白［28］。Burford 等用15N 標記，研究發現，凡納濱對蝦日常攝食的 18 ～ 29% 的 N 來源於生物絮團［29］。絮團的幹物質中，粗蛋白質的含量超過50% ，粗脂肪含量爲 2． 5% ，纖維含量爲 4% ，灰分爲7% ，是雜食性和濾食性魚類較好的餌料［16］，且生物絮團包括多種生物活性物質，如葉綠素、胡蘿蔔素、氨基糖等，均能增強養殖動物的生理健康水平。

4．3、生物絮團技術實現對養殖生物的生物防治

研究顯示，應用生物絮團技術可以提高養殖生物的成活率，具有生物防治的作用。Crab 等用甘油作碳源，形成的生物絮團可以抑制哈維氏菌［30］。Defoirdt 等( 2005) 研究發現，生物絮團可以降低發光弧菌對滷蟲的感染率，提高滷蟲成活率從而減少其對養殖動物的危害，減少疾病的發生［31］。生物絮團中微生物與病原菌競爭生存空間、營養物質，從而抑制病原菌的生長和繁殖。

5、需要注意的問題

任何技術都不能完美，生物絮團技術也有一定的弊端。添加有機碳源會極大地促進異氧微生物增殖，形成大量細菌污泥，如果不能很好控制，將會影響養殖生物的正常生長。養殖系統中大量的微生物呼吸需要充足的溶解氧，以及外力保持絮團的懸浮，絮團越多需要的溶解氧越多，研究顯示，懸浮顆粒物濃度控制在200 ～500mg/L，足以維持系統運轉，當懸浮顆粒物濃度在100 ～300mg/L 範圍內，養殖動物攝食活性最佳［32 －33］，所以在應用生物絮團技術時，需要及時移除過多的絮團顆粒，以防超出系統負荷。在系統中硝化類細菌發展成熟並穩定後，可以停住有機碳源的添加，系統自然轉變爲自養微生物爲主的養殖模式，且氨氮、亞硝酸氮不會激增。