生物絮团中微生物群落的功能、结构及其调控研究进展

罗婉仪，雷泽湘，李义勇

（1仲恺农业工程学院资源与环境学院，广州510225；2广东省农业产地环境污染防控工程技术研究中心，广州510225；3仲恺农业工程学院健康养殖创新研究院，广州510225）

0 引言

中国水产养殖业历史悠久，是世界上最早实施水产养殖的国家，也是世界上唯一一个人工养殖量超过天然捕捞量的国家[1]。在人工养殖过程中，养殖户向养殖水体投加大量饲料，但因养殖动物的利用率较低，大量残剩饲料和粪便在水体中积累，产生大量氮污染，造成水质恶化，使养殖水体环境面临日益恶化的挑战[2]。为解决水产养殖水质恶化等问题，生物絮团技术(Biofloc Technology，BFT)[3]被引入其中。BFT是一种限制水体交换，通过向养殖系统中添加有机碳源，调节水体中的碳氮比(C/N)，促进水体中异氧细菌的繁殖，进而调控水质的新兴生态型水产养殖生产模式。该技术可净化养殖水体水质、减少换水次数、为养殖动物提供饵料蛋白源、降低饲料系数，并对养殖动物具有一定的生物防治作用[4-6]，目前，BFT在国内的应用已由试验阶段过渡至中试规模的养殖试验[7-8]。

生物絮团是BFT的核心，是养殖水体中以异养微生物为主，通过生物絮凝作用将水环境中的有机质、原生动物、藻类与丝状菌等结合而成具有不规则外形的絮状悬浮物[9-11]。生物絮团主要由不同的微生物菌群组成，它们在水产养殖中扮演着分解者和生产者的角色，也是其他营养水平较高的生物的食物来源，微生物菌群在物质循环、水质调节、疾病控制与维持生态系统稳定等方面发挥着不可磨灭的作用[12-16]。生物絮团中的微生物种类复杂多样，同时存在有益微生物和有害微生物，若通过调节有益微生物的种类和数量，使其在养殖水体中占主导地位，减少有害微生物的占比，即可强化生物絮团的功能，从而有利于BFT在养殖生产中的推广应用。另外，外界环境因素容易对生物絮团中的菌群种类及功能造成影响[17]，致使不同时间区域的生物絮团养殖模式的生物絮团的构成具有差异性，使其难以定性定量分析。可见，深入探究生物絮团中的微生物群落结构，对其特征及多样性进行分析，有助于进一步了解BFT的本质，也有助于其后续的人工调控。因此，本文以微生物群落为视角，总结归纳了生物絮团的功能、生物絮团的结构和生物絮团的人工调控等三个方面的研究成果，为BFT的发展与应用提供参考。

1 生物絮团的功能

生物絮团具有多重功能，其中主要功能包括净化养殖水体、实现养殖对象的生物防治和提高饲料利用率等。

1.1 净化养殖水体

水产养殖过程中，养殖对象的粪便及大量残剩饲料含有较高的氮，当这些物质在水体中不断积累，超出养殖水体的自然硝化作用，会导致氨氮和亚硝酸盐氮等有害氮素在养殖水体中蓄积，当浓度达到一定程度会对养殖对象的生长发育造成影响，严重时会造成死亡[18]。BFT通过向养殖系统中添加有机碳源，调节水体碳氮比，促进水体中异氧菌的繁殖，异氧菌能直接吸收水体中的有害氮素并将其转化为自身菌体蛋白，再通过被养殖动物摄食，从而将氮素从养殖水体中去除，起到净化水质的作用[19]。异养菌生长代谢能力强，其同化氨氮的速度约为硝化细菌的10倍[20]，有研究表明，在C/N为10时，10 mg/L的氨氮能在5 h内完全被生物絮团内的微生物同化，使氨氮得以完全去除，而不会产生硝酸盐和亚硝酸盐[21]。胡修贵等[22]从对虾生物絮团养殖系统中筛选出了食物盐单胞菌和胜利盐单胞菌两株具有高氨氮转化率的菌株，发现当C/N达到28时，食物盐单胞菌对氨氮的去除率达到85.53%；当C/N为21时，胜利盐单胞菌对氨氮的去除率高达90.7%。生物絮团作为微生物丰度和多样性都较高的菌群聚合体，具有不同脱氮功能的菌体，能有效转化养殖水体中的有害氮素，达到净化养殖水质的目的。

1.2 实现养殖对象的生物防治

与传统养殖模式相比，BFT因换水量少，切断了致病菌通过换水进入养殖水体的通道，有效降低外源致病菌入侵养殖水体的可能性，降低了养殖对象的患病率，保护了养殖对象。同时，生物絮团上的益生菌与弧菌等病原菌争夺生长所需的营养元素，及争夺养殖对象体表上的生态位点，从而抑制病原菌增殖，起到了生物防治作用[23]。高磊等[24]研究发现当碳氮比控制在10以上时，水体中的芽孢杆菌和乳酸菌对弧菌的生长有明显的拮抗作用。此外，生物絮团中的假单胞菌、芽孢杆菌等细菌可产生聚-β-羟基丁酸(PHB)等可提高养殖对象抵抗病毒能力的物质，降低受细菌感染的可能性[25]；絮团中细菌及藻类的某些胞外代谢产物可造成病原菌的群体感应紊乱，促使毒性信号分子失活，保护了养殖对象的生长稳定[26]。可见，生物絮团通过阻断病原菌进入养殖系统、竞争病原菌的营养与生态位点、发挥拮抗作用、供给活性物质提高养殖动物免疫力、及产生代谢物诱导病原菌失活等综合效应，实现了对养殖对象的立体保护。

1.3 提高饲料利用率

生物絮团中的异养菌能将水体中的有害氮素转化成自身菌体蛋白，经过养殖动物对絮团颗粒的摄食，降低饲料系数，节约养殖成本[8]，为养殖系统提供了一个额外的廉价饲料供应源。Avnimelech等[27]曾以13C为标记，探究生物絮团的可食性，发现经细菌转化后的絮团成分最终在罗非鱼的组织中富集。进一步将BFT应用于罗非鱼养殖系统中，发现饲料利用率达到45%，饲料系数显著下降[3]。随后，Burford等[28]用15N追踪对虾摄食絮团的情况，发现对虾日常摄食中的氮有18%～29%来自于絮团。可见，生物絮团中的碳素和氮素都实现了循环利用，最终提高了饲料利用率。

2 生物絮团的结构

生物絮团中的微生物是其发挥特定功能的决定因子，而微生物群落结构的改变影响着生物絮团的功能。Crab等[29]较早研究了罗非鱼杂交种越冬池塘中的絮团菌群变化情况，并采用PCR-DGGE技术构建DGGE图谱，分析了微生物群落结构的相似性。该研究虽未对生物絮团的微生物种类进行鉴定分析，但为生物絮团群落结构的研究奠定了基础。自此，养殖水体中的生物絮团的菌群结构受到学者的广泛关注。

2.1 生物絮团形成过程分析

夏耘等[30]研究了草鱼养殖系统中生物絮团培育的第5、10、15天的菌群结构的变化过程，结果显示，生物絮团培养过程中的主要优势菌为α-变形菌纲、放线菌纲、芽孢杆菌纲和拟杆菌纲，且不同时段的特异菌均不同，培育第5天出现气单胞菌、土壤杆菌和食酸菌；培育第5～10天为β-变形菌和拟杆菌；培养到第10天出现芽孢杆菌；培养到第15天出现特异菌红球菌属。据此，可将生物絮团的形成分为三个阶段：0～5天为开始阶段，5～15天为形成阶段，15～30天为稳定阶段[31]。盛建海[32]利用高通量测序分析凡纳滨对虾养殖系统中生物絮团形成初期（0～15天）的菌群结构，发现主要优势菌门为变形菌门和厚壁菌门；主要菌纲为γ-变形菌纲、芽孢杆菌纲、β-变形菌纲和α-变形菌纲；优势菌属为微小杆菌属、柠檬酸杆菌属、不动杆菌属、假单胞菌属和Ramlibacter。生物絮团正是依靠着丰富的微生物菌群及其协同与竞争作用，最终形成稳定的生态位群落结构，使其功能得到稳定发挥，使该技术受到了水产养殖业的信任和青睐

2.2 优势菌种分析

Zhao等[33]分析了日本囊对虾养殖系统中形成的生物絮团菌群，发现絮团中主要菌群为变形菌和芽孢杆菌，而芽孢杆菌成为优势菌可能是与该养殖过程中添加了枯草芽孢杆菌类益生菌剂有关。杨章武等[34]在凡纳滨对虾育苗系统中培育生物絮团，发现絮团主要优势菌为拟杆菌门和变形菌门。廖栩峥等[35]在室外构建凡纳滨对虾生物絮团养殖池，发现絮团在门水平上，变形菌门占比最高，蓝细菌门占比最低，而在科水平上，红杆菌科占比最高。任利华等[15]发现仿刺参苗种培育池中生物絮团的优势菌群为黄杆菌纲、α-变形菌纲和芽孢杆菌纲，其中，黄杆菌纲是该水体中的绝对优势菌群。可见，当前关于生物絮团优势菌种的解析仍大多数停留在门和纲的水平，深入到种属水平的报道较为有限。更深层次地了解絮团中的优势种属及其特定功能，特别是掌握絮团中的优势种属的变化规律，将有助于准确评估生物絮团性能，提高其在养殖系统中的应用效果，并为对其实施精准的人工调控奠定基础。

3 生物絮团的人工调控

养殖环境条件既能直接影响养殖对象的生理状态，也能对养殖系统中微生物群落结构造成重大影响，而后者又会对前者造成间接影响。通过改变碳源类型、碳氮比、温度、pH和溶解氧等条件，可以实施对微生物群落结构的人工调控，使之朝着有利于养殖对象健康生长的方向发展。

3.1 碳源种类的人工调控

生物絮团中异养微生物的生长繁殖依赖于养殖水体中的氮素与所添加的碳源。不同类型的碳源不仅可以影响生物絮团的形态，而且在更深层次上决定生物絮团的群落结构及其稳定性[36-37]。Wei等[38]比较了葡萄糖、淀粉和甘油等3种碳源对絮团微生物群落结构及多样性的影响，发现3种碳源培育的絮团优势菌门均为变形菌门与拟杆菌门，且淀粉组的优势菌有蓝藻细菌。张哲等[39]比较了葡萄糖、淀粉和蔗糖等3种碳源的影响，也发现优势菌均为变形菌门和拟杆菌门；同时，使用生物絮团饲养对虾有利于提高其存活率，且葡萄糖组的对虾成活率最高。研究还发现，部分类型的碳源可抑制致病菌的侵害[9]。例如：向养殖水体中投加蔗糖、木薯渣和酶解木薯渣等培育生物絮团，发现酶解木薯渣组絮团中的益生菌相对丰度比另外两组高，且在对虾肠道中前10个优势菌种中致病菌所占比例较另外两组低，说明以酶解木薯渣作为碳源既有利于益生菌的繁殖，又有效抑制致病菌，促进了对虾健康生长[40]。可见，选择合适的碳源有助于实现对生物絮团的正向调控，提高养殖效率。

3.2 碳氮比的人工调控

碳和氮是微生物生长所需的基本元素，两者的水平直接影响了微生物的生长繁殖能力[20]。生物絮团的核心是通过调控水体中的碳氮比，人为控制生物絮团的形成[41]。研究表明，碳源利用率与氨还原能力之间的关系取决于系统中合适的C/N平衡，非洲鲶鱼系统中去除营养性污染物的最佳C/N为15，此时水体中氨氮的去除率达到98.7%，且生物絮团浓度达到92.5mL/L[42]。通过建立模型，得出当养殖水体中碳氮比为15.75时，有利于异养微生物的繁殖，促进微生物合成菌体蛋白，有效降低养殖水体中氨氮和亚硝酸盐氮浓度。研究认为，不同C/N时，去除养殖水体中的氨氮和亚硝酸盐氮所依靠的主力军有所不同；当养殖水体中的C/N较低时，主要通过自养微生物及浮游藻类；当C/N为8～10时，主要依靠自养微生物和异养微生物的共同作用；当水体中的C/N＞15时，主要是异养微生物为主导[3]。研究还发现，随着养殖时间的延长，不同C/N水平下养殖水体中的优势菌群及其含量的差异越来越明显[43]。值得指出的是，高磊等[20]结合益生菌和致病菌进行研究，发现较高C/N水平有利于芽孢杆菌和乳酸菌的生长，有效抑制了弧菌生长。Panigrahi等[44]研究也获得了类似的结论。可见，选择合适的碳氮比是实现生物絮团正向调控的又一关键性因素。

3.3 温度的人工调控

温度会影响各种微生物的生长代谢，从而对微生物群落结构造成影响[45]。罗金飞等[46]研究了水体温度（18、22、26、30和32℃）对拟穴青蟹循环水养殖系统微生物群落结构的影响，发现各温度水体在门水平上的优势菌种相同，均为变形菌门和拟杆菌门，但各温度下的相对丰度有所差异，即在30℃下变形菌门相对丰度最高，在26℃下最低，而拟杆菌门与之相反，在30℃下相对丰度最低，26℃下最高，且认为水温是通过影响养殖水体中的营养盐含量而改变了水体中的微生物群落结构。王志宝等[47]则认为水温影响了生物絮团中中肋骨条藻等构成藻的生长，进而在很大程度上决定了生物絮团的基础维度，即生物絮团的发育与形成，但具体作用机制有待进一步研究。

3.4 pH的人工调控

在生物絮团系统中，碱度和pH下降是一个不可避免的问题。在生物絮团形成过程中，异养细菌的同化作用及硝化细菌的硝化作用都需要利用氨氮化合物，消耗大量的碱度，所产生的CO2溶于水造成水体pH下降；另外，硝化作用的过程中会产生酸性代谢物，也进一步促使水体pH下降；而生物絮团系统在运行过程中为零换水或少换水状态，必然导致养殖水体pH明显下降，进而会抑制异养菌和硝化菌的功能，使水体中氨氮积累，造成水质恶化[48]。有学者[49-50]比较了pH 6.5、7.5、8.5对生物絮团氨氮转化效率的影响，均发现pH 6.5组的氨氮向有机氮转化效率显著低于pH 7.5和pH 8.5组，说明pH对絮团的氮素转化效率有显著影响。Zhang等[51]利用碳酸氢钠调节养殖水体至pH 7.6和pH 8.1，比较未调控水体pH及调控后对南美白对虾絮团系统的生物絮团活性物质积累和对虾生长的影响，发现调控pH后的絮团系统中PHB含量显著高于未调控组，且pH 8.1组的PHB含量最高；同时，pH 8.1组的对虾生长情况优于其他两组。可见，pH值会影响生物絮团的氮素转化和胞内物积累，从而影响养殖对象的生长。

3.5 溶解氧的人工调控

生物絮团中异养微生物生长通常需要氧气，但不同微生物种类对溶解氧浓度的适应能力有所不同，导致不同溶解氧条件下存在不同的微生物菌群结构[52]。王朋等[53]探究了循环水养殖系统中溶解氧浓度对微生物群落的影响，发现当日均溶氧浓度达到2.5 mg/L时，微生物菌群丰度能达到最高水平。同时，溶解氧水平还会在一定程度上影响微生物菌群的有机物去除效率。当溶解氧浓度过低时，不利于硝化作用的进行，容易导致氨氮积累，造成水体富营养化，而溶解氧浓度过高，也会对硝化作用产生抑制效果；当DO浓度为5.0～7.0 mg/L时，水体处理效果最优，不仅氨氮去除率达到78.7%，而且COD和SS去除率也达到较高水平[54]。

4 展望

BFT作为新兴生态型水产养殖生产模式，在养殖生产中被广泛应用，且在理论研究上已取得一定成果，但在以下方面还值得进一步开展深入研究与探索：

（1）生物絮团的功能主要是通过异养微生物实现的，而异养微生物种类多样，作用各异，现阶段仍有许多异养微生物的类型及功能有待探索，因此有必要系统地研究主要发挥作用的菌种，且深入研究它们相互间的协同或拮抗作用，目标在于提高有益菌占比，使之成为优势种群，更好地在养殖生产中发挥作用。

（2）生物絮团系统中微生物丰度和多样性较高，但对于微生物菌群研究现阶段主要是到属水平，而种水平上的研究寥寥可数，对种属的动态变化更是知之甚少，使生物絮团的精准调控难以实现，因此有必要借助最新的高通量测序技术手段更深入解析生物絮团的种属组成。

（3）在传统养殖过程中，由于室外的天气因素不可控，缺乏对温度、pH和溶解氧等环境因子对微生物群落结构影响的探讨，而随着工厂化养殖的迅速发展，有必要加强这方面研究，以通过综合的、更微小的环境因子调节实现对微生物群落精准调控的目标，为工厂化养殖奠定理论基础和提供关键工艺参数指导。

随着水产品需求不断扩大，水产养殖业面临转型升级。BFT的发展与应用，有利于节约水资源与保护水环境，降低养殖生产成本和疾病风险，提高水产品产量和质量，为中国水产养殖绿色健康可持续发展提供有力支撑。