生物絮团对水产动物生长、消化及养殖水体水质的影响

于 哲，李 良，朱 瑞，吴莉芳，李 民，段 晶，王婧瑶

(吉林农业大学动物科学技术学院，动物生产及产品质量安全教育部重点实验室，动物营养与饲料科学重点实验室，吉林 长春 130118)

随着集约化水产养殖的发展，饲料的需求量日益增加[1]。传统养殖模式的饲料利用率仅为20%～30%，无法达到精准投喂的标准，大量残饲和粪便在水中积累，导致水质恶化，毒害水产动物[2]。生物絮团技术是一种可以循环利用营养废物、节约资源、避免污染并提供优质蛋白源的可持续发展型养殖技术[3]。目前，国内外学者对生物絮团技术的研究内容主要包括生物絮团对水产动物生长、消化酶活力、非特异性免疫功能、抗氧化能力、肠道菌群及养殖水体水质等方面的影响；研究的水产动物主要包括：杂食性鱼类，如斑点叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)[4]、鲫(Carassiusauratus)[5]、鲤(Cyprinuscarpio)[6-7]、克林雷氏鲶 (Rhamdiaquelen)[8]、革胡子鲶(Clariasgariepinus)[9]、鳙(Aristichthysnobilis)[10]、松浦镜鲤(CyprinusspecularisSongpu)[11]、吉富罗非鱼(GIFT,Oreochromsniloticus)[12]、莫桑比克罗非鱼(MozambiqueTilapia)[13]、尼罗罗非鱼(NileTilapia)[14]、奥尼罗非鱼(Oreochromis)[15]、异育银鲫(Carassiusauratusgibelio)[16]；肉食性鱼类，如杂交鳢(OphiocephalusargusCantor)[17]、花鳗鲡 (Anguillamarmorata)[18]；草食性鱼类：草鱼(Ctenopharyngodonidellus)[19]、团头鲂(Megalobramaamblycephala)[20]；虾类：罗氏沼虾(Macrobrachiumrosenbergii)[21]、克氏原螯虾(Procambarusclarkii)[22]、凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)[23]、斑节对虾(Penaeusmonodon)[24]、日本对虾(Marsupenaeusjaponicu)[25]，其他如仿刺参(Apostichopusjaponicus)[26]、中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)[27]。

概述了生物絮团对水产动物生长、消化酶活力、非特异性免疫功能、抗氧化能力及养殖水体水质等方面的影响，为进一步合理开发利用生物絮团技术、节约水资源、降低水体污染、提高饲料利用率提供参考。

1 生物絮团对水产动物生长的影响

1.1 生物絮团对鱼类生长的影响

1.1.1 杂食性鱼类

生物絮团除了可以提高饲料效率、提供优质蛋白源外，还富含生长促进剂和生物活性化合物[28]。当碳氮比适宜的条件下，能显著提高杂食性鱼类增重率、特定生长率和蛋白质效率，使养殖鱼类呈现最佳生长优势[5-16]。以色列水产专家Avnimelech等[13]利用13C追踪标记技术证实了生物絮团被莫桑比克罗非鱼摄食，反向佐证了BFT可提高蛋白质利用率。Long等[29]发现生物絮团可提高罗非鱼增重率9.46%，个体增重率12.5%，粗脂肪含量5.9%。同时，添加不同碳源和益生菌对生物絮团形成以及鱼类生长也存在影响，Farideh等[7]研究发现玉米淀粉组形成的生物絮团显著增加鲤增重率和特定生长率，粗蛋白含量与粗脂肪含量也分别提高18.83%和15.1%。Iskandar等[9]研究在生物絮团系统中添加益生菌对革胡子鲶生长性能和饲料利用率的影响，发现最适添加时间间隔为5 d，此时增重率、存活率、饲料利用率和特定生长率都显著高于其他组。因此，可推断出，生物絮团促进杂食性鱼类生长的因素是适宜碳氮比(C/N)、合适的碳源以及可提高异养菌大量繁殖的益生菌。

1.1.2 肉食性鱼类

唐肖峰等[18]通过添加碳源，将生物絮团技术与花鳗鲡健康养殖技术相结合，显著提高了花鳗鲡平均体质量、特定生长率和增重率。然而，王广军等[17]利用生物絮团培养杂交鳢时却发现，随着C/N升高杂交鳢生长性能逐渐降低，当C/N为20时增重率显著低于对照组。推测由于肉食性鱼类不像杂食性鱼类一样利用絮团，而像花鳗鲡这种杂食偏肉食性的鱼，可能存在部分摄食絮团的现象，并且当适宜的碳氮比水平可提高水质，有益于鱼类生长。所以对于不同鱼类需甄选出最适碳氮比。

1.1.3 草食性鱼类

关于草食性鱼类的研究，卢炳国等[19]发现当C/N为10.8时草鱼的增重率、特定生长率最高，当C/N比为20或25时对其生长性能无显著影响。说明调节碳氮比对草鱼作用不大，因其主要摄食水草与浮游植物，对异样菌、浮游动物及有机碎屑形成的絮团利用率较低。然而，孙盛明等[20]研究团头鲂却发现，C/N为16～20时鱼的终末体质量、增重率和饲料利用率显著高于C/N为8～12时，且在肠道内发现絮团。因此，针对不同鱼类，即使是相同食性鱼类，适宜的碳氮比也不可一概而论，仍需开展具体试验。

1.2 生物絮团对虾类生长的影响

目前，生物絮团技术对虾类生长的影响，已经有诸多研究，如Zhao等[25]利用生物絮团技术高密度养殖日本对虾，提高了虾产量13.4%、蛋白质效率12.0%、饲料转化率7.22%。Crab等[30]提出，生物絮团可以部分替代鱼虾所需蛋白源，将传统工厂化养殖的饲料利用率提高15%～25%。Burford等[31]利用15N追踪技术发现，饲料氮的利用率高出传统模式14%～24%。通过以上研究发现，生物絮团提高虾类生长、饲料利用率主要因为营养物质的再利用，养殖水体中有机碎屑、残饵和排泄物通过异样菌黏附聚集成菌体蛋白，进入虾类食物链，促进物质的循环利用。

表1为国内外学者研究的水产动物及适宜的碳氮比(C/N)。上述研究表明，合理应用生物絮团技术可显著提高水产动物生长性能，但不同食性、同食性不同生理阶段的水产动物对生物絮团利用有所不同，尤其肉食性、草食性鱼类。所以，应合理选择碳源，调节碳氮比，适当补充益生菌，优化生物絮团技术，促进水产养殖业健康稳定发展。

2 生物絮团对水产动物酶活性的影晌

2.1 生物絮团对水产动物消化酶活性的影响

2.1.1 鱼类

消化酶活性对鱼类健康生长至关重要，其中主要体现在蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。Farideh等[7]研究发现，生物絮团可显著提高鲤消化酶活性，试验组蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶活性均显著高于对照组。张明明等[16]发现当C/N为20时生物絮团可显著提高异育银鲫肠道脂肪酶、淀粉酶。孙盛明等[20]研究指出生物絮团可显著影响团头鲂消化酶活性，当C/N为16～20时，蛋白酶和淀粉酶活性逐渐升高，且均显著高于C/N为8～12时；C/N为20时，蛋白酶活性和淀粉酶活性分别提高了1.92倍和0.69倍。

2.1.2 对虾、海参

李京昊等[22]研究发现生物絮团可提高克氏原螯虾肝胰脏中淀粉酶和纤维素酶活性。Anand等[23]在斑节对虾饲料中添加生物絮团，结果显示肝胰脏中淀粉酶活性高于对照组57.6%，与马元庆等[26]研究结果相似，说明BFT不仅能提高甲壳类淀粉酶活性，还能影响无脊椎软体动物消化酶活性。葛海伦等[32]关于罗氏沼虾的研究，发现肠、胃、胰脂肪酶，糜、胰蛋白酶均高于对照组，但肠、胰淀粉酶，胃蛋白酶、胃淀粉酶和纤维素酶活性无显著差异。Xu等[33]研究凡纳滨对虾消化酶活性，发现蛋白酶和淀粉酶活性在肝胰脏中最高，胃中次之，肠道中最低，且均高于对照组，肠蛋白酶和淀粉酶活性有下降趋势。

BFT显著提高了水产动物消化酶活力，究其原因可能是受絮团自身营养物质组成和胞外酶影响，或者养殖物受异养微生物刺激，分泌大量内源性消化酶。

表1 水产动物及适宜的碳氮比Tab.1 Aquatic animals and suitable ratio of carbon to nitrogen

2.2 生物絮团对水产动物非特异性免疫的影响

2.2.1 鱼类

水产动物因其发育不健全的免疫系统，在抵御病原体时主要依靠非特异性免疫。有研究显示生物絮团可显著提高鱼类免疫力，如：李朝兵等[10]研究报道生物絮团可显著提高鳙血清溶菌酶(LSM)、酸性磷酸酶(ACP)和一氧化氮合酶活力，增强机体免疫力。Ekasari等[14]利用生物絮团技术养殖尼罗罗非鱼，幼鱼存活率可达到90%～98%。Mansour等[34]在絮团组的罗非鱼中，观察到血细胞比容、白细胞、淋巴细胞、血浆蛋白、体液(免疫球蛋白、溶菌酶、髓过氧化物酶和乙酰胆碱)和细胞(吞噬作用活动和呼吸爆发)免疫参数有显著改善；此外，投喂20%粗蛋白的絮团组比投喂30%粗蛋白的对照组表现出相同或更高水平的免疫指标。

2.2.2 对虾、海参

不仅鱼类，BFT还可以提高对虾、海参免疫力；Chen等[35]研究发现，刺参絮团组LSM、ACP、超氧化物歧化酶(SOD)活性以及补体C3含量均显著高于对照组。Panigrahi等[36]在生物絮团中观察到四种与免疫相关的基因，ras相关核基因(RNA)、丝氨酸蛋白酶基因(SP)、酚氧化酶活化酶(PPAE)和甲壳抗菌肽(crustin)的表达量随碳氮比的增加而提高，分析表明，这些免疫基因的转录本在所有碳氮比处理中均显著高于对照组。

关于生物絮团对水产动物非特异性免疫的影响，主要通过细胞免疫和体液免疫相关酶，SOD、LSM、ACP、碱性磷酸酶(AKP)等调控，而上述研究表明，BFT能显著提高免疫酶活性，增强水生动物免疫力。

2.3 生物絮团对水产动物抗氧化酶活力的影响

抗氧化防御系统是维持水生动物健康生长，合理应对氧化应激和环境胁迫的主要生理机制，与免疫系统相类似，主要通过相关酶调控。Wang等[5]发现BFT可显著提高鲫肝脏中SOD、谷胱甘肽还原酶(GSH)、过氧化氢酶(CAT)活性；Mansour等[34]测得BFT提高了尼罗罗非鱼肝胰脏中SOD和CAT活性；Chen等[35]研究发现BFT可提高刺参的CAT和GSH活性。Xu等[37]研究在生物絮团技术下不同蛋白质水平(20%、25%、30%、35%)饲料对凡纳滨对虾抗氧化能力的影响，发现粗蛋白质含量为20%时血浆和肝胰脏中的总抗氧化能力水平最低，且在血浆中具有最低的GSH与谷胱甘肽氧化酶(GSH-P)比率。饲喂蛋白质水平为25%，30%和35%饲料时，虾的总抗氧化能力(T-AOC)、SOD、GSH和GSH/GSH-P差异不显著。Cardona等[38]探索生物絮团对细角滨对虾(Litopenaeusstylirostris)亲虾抗氧化能力的影响，也发现较高的T-AOC和GSH。

因此，无论鱼、虾、海参，BFT都可以显著增强其抗氧化能力，根本原因在于BFT改善了水产动物的抗自由基状态，使其氧化应激较不敏感，从而增强抗氧化能力；同时BFT含有的大量微生物，其本身和代谢产物均可以作为免疫刺激源，增加水产动物承受应激胁迫和抗氧化功能。

3 生物絮团对养殖水体水质的影响

3.1 生物絮团净化水质原理

生物絮团净化水质的原理是：养殖水体中异养微生物利用有机碳，在消耗一部分氧气和碱度的情况下分解氨氮等含氮化合物，并转换为自身菌体蛋白，净化水质[39]。当C/N达到15以上时异养微生物优先利用氨氮转化为自身菌体蛋白，其过程是硝化细菌等自养菌作用效率的10倍，是分解无机氮的高效方式；当C/N为8～10时异养微生物与自养微生物共同作用；而当C/N为5以下时主要依靠自养微生物(硝化细菌、反硝化细菌等)、藻类清除无机氮[40]。

3.2 生物絮团技术消除水体中氮、磷的效果

有研究表明，生物絮团技术能快速转化养殖水体中N、P等污染物，降低日换水量的14%，并且随着时间推移，浮游生物量逐渐增加，水体含氮化合物质量浓度逐渐降低[41]。Wang等[5]利用生物絮团技术养殖鲤发现水体中，试验组氨氮(0.22 mg/L)、亚硝酸盐氮(0.02 mg/L)、硝酸盐氮(2.5 mg/L)均显著低于对照组(0.41 mg/L、0.49 mg/L、26.5 mg/L)。Zhao等[6]研究不同碳氮比对养殖水体的影响，发现高C/N(16～23)时总磷显著低于低C/N(7～11)时。Vinatea等[42]利用生物絮团技术进行高密度凡纳滨对虾养殖，可实现零换水。Schveitzer等[43]通养殖水体中总悬浮物(TSS)质量浓度来判断生物絮团浓度，间接判断生物絮团消除有毒氮的能力，结果表明，当水体中TSS含量处于400～600 mg/L时，氨氮、亚硝酸盐氮含量显著低于TSS 200 mg/L时，水质较稳定；当水体中TSS含量为800～1 000 mg/L时，水体有毒氮与TSS 400～600 mg/L组差异不显著，但对鱼虾鳃部有堵塞现象，不利于其生长。

3.3 生物絮团技术与循环水技术结合

Fleckenstein等[44]研究比较生物絮团(BF)、清水(CW)和混合再循环系统(HY)中水质的影响，结果显示，CW组溶氧质量浓度显著高于BF组和HY组，BF组浊度显著高于其他组，氨氮与硝酸盐各组间差异不显著。Tierney等[45]得出类似结论，BF组中亚硝酸盐与硝酸盐质量浓度显著高于CW组和HY组，表明单独依靠生物絮团技术净水略有不足，与循环水系统合理搭配将出现更好效果。

上述结果表明，生物絮团技术具有较高的生物学意义，科学合理地利用将可以快速、高效地清除养殖水体中N、P等有毒有害物质，净化水质，稳定水体，增加养殖动物产量，提高经济、社会、生态效益。

4 展望

综上所述，尽管人们对生物絮团技术做了大量的研究，但在关于生物絮团技术与其他养殖模式相结合方面仍缺乏系统、深入的研究。未来的研究方向应从生物絮团技术与其他养殖模式相结合着手，进一步合理开发生物絮团技术。其中包括：生物絮团技术与生物膜技术的结合；生物絮团技术与循环水养殖系统的结合；生物絮团技术与水产益生菌发酵技术的结合；生物絮团技术与有益微藻的结合等。生物絮团技术在水产养殖理论上虽然优势明显，但在实践中仍有可提高的地方，如前期成本投入高、碳水化合物用量大、技术操作繁杂等，相信经过努力，将来生物絮团技术必然会在水产养殖中发挥更大的作用。

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