生物絮团技术在凡纳滨对虾池塘淡化养殖中的应用研究

李慧耀，张 哲，葛 辉，潘柏霖，杨章武

(福建省水产研究所，福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，海洋生物种业技术国家地方联合工程研究中心，福建 厦门 361013)

凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)又称南美白对虾，俗称白虾，原产于中南美洲太平洋沿岸水域，在中国无自然分布。因生长快、可高密度养殖和适应低盐水域等优良性状，凡纳滨对虾成为世界三大养殖对虾品种之一，更是我国对虾养殖最主要的种类。2020年我国凡纳滨对虾养殖产量占全国对虾养殖总产量的72.33%，福建省凡纳滨对虾养殖产量占全省对虾养殖总产量的89.76%，其中福建省淡水养殖的凡纳滨对虾占42.83%，海虾淡养成为重要的养殖模式[1]。

生物絮团技术(Biofloc technology，BFT)是一种基于微生物活动的生态养殖技术，1999年由Avnimelech Y首先提出[2]。BFT的原理是通过向养殖水体添加碳源(蔗糖、葡萄糖、淀粉或纤维素等碳水化合物)提高水体中的碳氮比(C/N比)，促进养殖环境中异养微生物的生长，从而将水中氮素转化为菌体蛋白。生物絮团颗粒主要包含浮游植物、微生物以及颗粒有机物[3]，絮团中的微生物活动可以分解残余饵料、死亡的藻类和粪便等代谢废物，转化氮素、抑制病原微生物，维持养殖环境水质稳定，在某些条件下可达成零换水[4-5]。絮团富含蛋白质，是养殖动物良好的饵料来源[6-7]；絮团中的微生物含有聚羟基丁酸酯或肽聚糖，可促进养殖动物的消化和免疫功能、提高存活率和提高生长性能[8]。

对虾养殖是BFT技术研究和应用的重点领域，研究内容涵盖了BFT系统的类型[9-10]、氮去除途径[11]、絮团的营养价值及作用[12-13]和经济因素分析[14]等。本研究的目的是探索一种基于BFT技术的低排放凡纳滨对虾池塘养殖模式，研究BFT技术在凡纳滨对虾养殖生产中的应用效果，为凡纳滨对虾健康养殖及产业发展提供参考。

1 材料和方法

1.1 养殖设施

试验于2021年10月21日开始在福建省漳州市长泰区进行，为期114 d。试验池塘为2个大小约0.15 hm2的无内衬的池塘，池底中间最深处设1个直径1.0 m、深0.5 m的集污池，集污池底设1台潜水泵。冬、春季节用聚乙烯膜大棚覆盖为温棚池，无人工控温设备，养殖水温为18～25℃。1#池为BFT试验池，2#池为对照池(不采取BFT技术措施的常规养殖)。

增氧条件配置为每个池塘750 W水车2台、1.5 kW水车2台，750 W叶轮1台，纳米管底氧盘8个，共用一台3 kW鼓风机，将纳米管固定在铁架上，保持离底20 cm，防止气流搅动底泥。

1.2 养殖用水

养殖池放苗前，排干池底，进行常规消毒，检测池底环境，确认无重要病原后再进水。养殖用水是上一茬养虾的池水经生石灰消毒并长期(30 d)曝晒、曝气自净处理，盐度约为3。养殖前期水深1.5 m、后期水深为2.0 m。养殖过程以抽取地下水缓慢添加，养殖过程只加水、不排水，每月使用集污池中的潜水泵，排出池底部分污泥。

1.3 养殖密度与水质、投饵管理

每个池塘投苗1.8×105尾，密度约为120尾/m2，全程投喂粗蛋白含量为42%的商业对虾饲料，日投饵率前期10%、中期4%、后期2%，每日分3次投喂。养殖期间不间断充气，确保溶解氧全程>5 mg/L。使用商品EM菌及氨基酸肥水膏进行肥水后，放苗，每隔10～20 d使用过硫酸氢钾进行底质改良，使用石灰水调节水质。

1.4 生物絮团技术方法

BFT的培养条件参考本课题组前期对虾育苗标粗水体生物絮团构建方法，选择蔗糖(红糖)为添加碳源，添加量为投饵量的70%，C/N比约为10，每日红糖量在当日第一次投饵时随饵料一起投入[15]。以南海水产研究所监制生产的浓缩芽孢杆菌(Bacillussp.)、光合细菌和嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus)为异养菌，每5 d添加一次异养菌，芽孢杆菌添加量为6 kg·(hm2·m)-1水体，光合细菌和嗜酸乳杆菌添加量为75 L·(hm2·m)-1水体，添加量分别约为芽孢杆菌7.5×106cfu·L-1、光合细菌3.0×108cfu·L-1、嗜酸乳杆菌1.13×106cfu·L-1。2021年11月8日开始絮团培养，不使用消毒剂全池消毒，不使用抗生素。对照池塘按传统模式管理，视水质情况使用微生态制剂，所用微生态制剂与絮团模式相同(主要区别是不添加碳源和不定时定量添加微生物制剂)。

1.5 水样采集及分析

试验期间，约20 d测1次水质指标。采样时间为上午9：00，用采水器采集1 200 mL水样，根据GB 17378.4—2007《海洋监测规范 第 4部分：海水分析》、GB/T 12763.4—2007《海洋调查规范 第4部分：海水化学要素调查》、GB 17378.7—2007《海洋监测规范 第7部分：近海污染生态调查和生物监测》进行水质检测，主要检测指标有pH值、化学需氧量、氨氮、活性磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、总氮、总磷、无机氮、弧菌总数、异养细菌总数。絮团体积测定使用英霍夫式锥形管(1 L)静置水样20 min，读取絮团沉淀量，每隔20 d测定一次。

1.6 对虾生长速度、存活率和饵料系数

在养殖中期开始定期测量对虾体长、体质量等生长数据。用火车网诱捕，随机取30尾，使用精度为0.1 g的电子秤和0.1 mm的游标卡尺分别测量对虾样品的体质量与生物学体长。累计投饵量和对应的对虾产量的比值为饵料系数，以产量和平均规格估算存活数量、测算存活率。

1.7 浮游植物监测与指标计算

用采水器采集1 000 mL水样，使用终浓度为5%的甲醛固定样品后，带回实验室，静止沉淀24 h，浓缩至50 mL或其他合适体积。用移液枪吸取0.1 mL浓缩均匀样品置于计数框中，在CX43RF生物显微镜下进行种类鉴定和计数，计数三片，取其平均值，优势度Y≥0.02为优势种。

种类多样性指数(Shannon-Wiener)：

(1)

均匀度指数(Peilou)：J′=H′/log2S

(2)

丰富度指数：d=(S-1)log2N

(3)

优势度指数：Y=(ni/N)fi

(4)

式中：ni为第i种的个体数；N为样品的总个体数；S为样品中种类总数；fi是第i种的测站出现率。

生物种类名录主要参考黄宗国的《中国海洋生物种类与分布》[16]。

1.8 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行统计分析；Student’s t test方法分析组间差异；Microsoft Excel绘图。数据以平均值±标准差(Mean±SD)表示，*表示P<0.05，**表示P<0.01。

2 结果与分析

2.1 生物絮团培养

采取BFT技术措施后，持续观察絮团的生成和变化。用烧杯取池水，经肉眼观察，未见明显形成絮团。用英霍夫式锥形管静置水样24 h后，未见明显絮团沉淀物。显微镜观察水样，见少量絮团颗粒，在相同视野(10×10)下，1#试验池絮团量较多，且絮团粒径大于2#对照池，最大絮团粒径大于100 μm(图2)。烧杯取水静置24 h可见明显泥状沉淀。

2.2 水质监测结果

2.2.1 pH值

养殖期间，两口池塘水体pH值均在适宜凡纳滨对虾生长的7.5～8.6之间波动，试验池波动相对较小，全程pH值8.13～8.63，处于更适宜范围，而对照池多数时间pH小于8(图3)。

注：1#为试验池，2#为对照池；*表示P<0.05，**表示P<0.01。下图同此。Notes：1 # was the experimental pool，2 # was the control pool；* meant P<0.05，* * meant P<0.01.The same as the following figure.

2.2.2 化学需氧量

养殖水体化学需氧量的变化如图4所示，在试验过程中，试验池与对照池水体化学需氧量基本维持一致，最高为19.7 mg/L，最低为12.6 mg/L。

2.2.3 总磷

如图5所示，试验池与对照池的总磷变化趋势相似，但全程低于对照池。检测峰值均出现在2021年12月7日，试验池的总磷峰值为892.27 mg/L，对照池峰值1 633.17 mg/L。养殖全程试验池总磷比对照池低27.00%～45.37%，显示BFT模式有利于水体中磷的消耗。

2.2.4 活性磷酸盐

养殖水体活性磷酸盐含量总体呈上升趋势，全程维持在0.4 mg/L以下。养殖中后期，试验池活性磷酸盐指标比对照池降低36.79%～94.82%。对照池活性磷酸盐含量显著高于试验池(图6)。

2.2.5 总氮

养殖期间，水体总氮含量呈先升高后降低的趋势，养殖前期试验池总氮比对照池稍低，但中期上升较快，中后期显著高于对照池(图7)。

2.2.6 无机氮

如图8所示，养殖起始阶段，两池无机氮含量均为0.1 mg/L左右，养殖过程逐步上升，总体上试验池无机氮低于对照池。养殖最后阶段对照池的无机氮最高达到6.8 mg/L，试验池比对照池低20.74%。

2.2.7 氨氮

养殖期间，试验池的氨氮含量呈缓慢平稳上升趋势，维持在较低水平，最高值仅为0.079 mg/L，远远低于凡纳滨对虾的可耐受水平。对照池氨氮含量峰值达到0.294 mg/L，同期试验池含量仅为0.029 mg/L，比对照池降低90.14%。对照池氨氮含量变化范围大，水质波动较大(图9)。

2.2.8 硝酸盐

硝酸盐是水体中无机氮的主要成分(占比在85%～90%之间)，其变化趋势与无机氮完全一致。养殖过程，水体硝酸盐总体呈上升趋势，含量在0.086～5.999 mg/L之间，试验池和对照池差异不显著(图10)。

2.2.9 亚硝酸盐

养殖水体的亚硝酸盐含量变化如图11所示。养殖过程中，水体亚硝酸盐含量出现较大波动，变化范围在0.01～0.68 mg/L之间，试验池在养殖后期出现一次快速上升后缓慢下降的现象，对照池在前中期和后期均出现了一次快速上升现象。从5次定期检测的指标来看，试验池和对照池亚硝酸盐指标不同时间都有巨大的波动，相同时间两池互有高低，不同时间峰值均超过0.60 mg/L，未显示BFT技术的单向作用。

2.2.10 总异养菌和弧菌含量

水体中的总异养菌数(Total heterotrophic bacteria，THB)和弧菌含量以最大或然数表示，结果如表1所示。第一次检测的总异养菌密度较大，从第二次检测节点开始，试验池和对照池异养菌含量呈先升高后降低趋势，试验池的数量值稍高。弧菌密度全程都极低，两口池无差异。

表1 养殖水体总异养菌和弧菌含量Tab.1 Contents of total heterotrophic bacteria and Vibrio in aquaculture water

2.3 对虾生长速度及存活率

2.3.1 生长速度

冬季对虾的养殖周期一般为3～5个月，对虾生长数据采集是从投苗60 d后开始进行，此时对虾已经度过快速生长期，可明显观察到对虾生长速度的差异。如图12所示，在养殖第61 d，试验池与对照池已出现生长速度的显著差异(P<0.01)，试验池平均体长和体质量分别为9.20 cm和8.37 g，对照池对虾平均体长和体质量分别为8.90 cm与7.61 g，试验池对虾生长速度显著高于对照池；后期的两次采样数据显示，试验池的生长均快于对照池(P<0.01)。养殖114 d，试验池平均体质量为20.41 g，比对照池高18.39%。

2.3.2 存活率和饵料系数

对虾的存活数量以最终产量除以平均体质量计算。试验池最终产量为1 836.5 kg，平均体质量为20.41 g，存活率为50%，饵料系数为1.07。对照池最终产量为2 132.5 kg，平均体质量为17.24 g，存活率为68.71%，饵料系数为1.19。

2.4 浮游植物监测

养殖过程，试验池浮游植物种类数量高于对照池，多样性指数变化较小。养殖前期，试验池浮游植物多样性更丰富，多样性指数比对照池高17.36%；养殖中期出现蓝藻暴发现象，对照池多样性指数下降至2.664，试验池为3.271，比对照池高22.79%，表明蓝藻暴发期间BFT技术有利于维持浮游植物多样性；养殖后期试验池多样性指数略低，但差异不显著。浮游植物丰度随养殖时间呈上升趋势，养殖后期浮游植物暴发性增长，试验池数量高于对照池。试验池均匀度指数波动较小，养殖中期对照池均匀度指数显著降低(表2)。结合浮游植物种类及数量(表3)分析，养殖前期，两池浮游植物均以绿藻为主、硅藻次之，试验池硅藻种类比对照池更丰富；养殖中期，两池均遇到蓝藻暴发，以微囊藻属(Microcystis)为优势种，两池的差异主要是硅藻的数量，尤其是翼茧形藻(Amphiproraalata)数量差异较大；养殖后期，两池浮游植物种类均以绿藻和硅藻为主，葡萄藻为第一优势种。

表2 浮游植物种类数、丰度及多样性指数Tab.2 Species，quantity and diversity index of phytoplankton

表3 浮游植物优势种类及丰度Tab.3 Dominant species and abundance of phytoplankton

3 讨论

作为一种高效的生态养殖模式，BFT模式的最大特点是在水体中形成大量的由细菌、藻类、原生动物和颗粒有机质构成的絮凝体，生物絮凝体参与到水生生态系统食物链中，负责水生生态系统的初始养分循环过程，生物絮团的形成受到C/N比、水温、pH值等条件影响[17]。叶继良等研究表明，絮团的形成还受到水体剪切力的影响，在低剪切力条件下絮团颗粒结构松散、边缘模糊；在中、高剪切力时，絮团结构紧实、边缘整齐，絮团粒径随剪切力增大而减小[18]。当室外系统暴露在阳光下时，微藻大量繁殖，也会导致水体pH、DO、CO2、氨和絮团悬浮物含量的波动[19]。在锦鲤[20]、草鱼[21]等淡水鱼室外池塘养殖模式中使用BFT模式，能改善水质条件，在40 m×30 m×1.5 m的聚乙烯内衬池塘中，絮团悬浮物数量可达200～700 mg/L[22]。本项目组在室内养殖桶条件下可成功构建生物絮团[15]，但本次试验中，室外无内衬池塘中培养出的絮团量较少，可能与该池池底浮泥较多，导致水体浑浊有关，具体原因有待进一步探究。

养殖过程，水体的pH值变化较为稳定，试验池波动相对较小，全程8.13～8.63处于更适宜范围；养殖中后期，试验池活性磷酸盐含量比对照池降低36.79%～94.82%，总磷含量也显著低于对照池。水体中的磷是藻类生长的必需元素之一，也是动物必需的常量矿物元素，但过量的磷容易引发水体富营养化。养殖用水中的磷主要来源于饲料、肥料及其他矿物质类添加物，对磷的利用途径主要是菌类和藻类[23]，其中活性磷酸盐可被藻类直接吸收同化，是藻类生长繁殖的营养基础。BFT模式试验池中异养菌与浮游植物数量均高于对照池，有利于池塘水体中总磷和活性磷酸盐的去除，该结果与在室内养殖箱[24]和生物反应器[25]中的研究结果一致。此外，养殖过程中，总磷含量从12月7日后呈降低趋势，其原因可能是：1)养殖过程中使用的石灰水与磷反应生成磷酸钙沉淀；2)养殖池底泥和浮泥颗粒有吸收磷元素的作用，养殖池底设置的排污泵在养殖后期排出大量污泥，推测这是水体总磷含量降低的重要原因。水体化学需氧量反映了水体受还原性物质污染的程度，也作为有机物相对含量的综合指标之一，BFT模式对化学需氧量没有显著的影响。

总氮为有机氮和氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等无机氮的总和。残余饵料、施肥和养殖动物代谢物(粪便)是养殖过程中氮的主要来源。养殖过程中，水体总氮含量先上升后下降，中、后期的试验池高于对照池；无机氮指标逐步上升，试验池总体上低于对照池，养殖最后阶段对照池最高达到6.8 mg/L，试验池比对照池低20.7%。在养殖系统中，总氮含量一般呈逐步上升趋势[26]。氮元素是藻类生长需要的重要元素，在本研究中，养殖后期总氮含量的降低可能与浮游植物的暴发性增长有关。养殖后期，试验池总氮含量高于对照池，无机氮含量低于对照池，表明BFT模式水体中有机氮化合物累积较多。试验池的氨氮含量呈缓慢平稳上升趋势，维持在较低水平，显著低于对照组；硝酸盐含量变化趋势与无机氮一致，总体呈上升趋势，试验池与对照池无显著差异；亚硝酸盐指标，试验池和对照池在不同时间都有较大的波动，在相同时间内两池也互有高低，未显示BFT技术的单向作用。氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮之间的转化是养殖池塘水质调控的重点，氨氮主要由残饵粪便及死亡的浮游动植物分解产生，且冬棚养殖由于棚内密闭，更不利于氨氮的汽化蒸发，因而其是养殖期重点防控的指标之一。絮团中异养细菌以氨氮为氮源、以有机碳为碳源合成自身菌体蛋白，可以有效降低水体中氨氮含量[27]。硝酸盐是水体中氮转化的终产物，对水生动物的毒性较小。集约化跑道式养殖系统[28]和BFT系统[29]等养殖模式都会出现硝酸盐的积累，BFT试验池硝酸盐含量与对照池差异不显著，絮团中异养微生物的同化作用对硝态氮的利用效果有限。亚硝酸盐是有机物分解的中间产物，对水生动物具有较强的毒性，其浓度达到0.1 mg/L就会对水生动物产生危害，是对虾养殖水质最重要的防控指标。亚硝酸盐主要来自于亚硝化作用，主要去除途径是硝化作用、反硝化作用和藻类吸收，亚硝酸盐的毒性随着盐度的降低而增强[30]。本研究中，养殖前期试验池的亚硝酸盐含量维持稳定且显著低于对照池；养殖后期亚硝酸盐含量波动较大，可能是在较高的养殖密度条件下，BFT系统中的硝化与反硝化作用不足，而亚硝酸盐水平受到天气条件和藻类生长情况变化影响较大，试验过程中在亚硝酸盐上升时观测到阴雨天气，通过添加反硝化细菌可有效降低水体亚硝酸盐含量，因此在BFT构建中可适当增加硝化与反硝化功能菌株。研究表明，在成熟稳定的对虾BFT养殖系统中，适时停止添加有机碳对水体菌群去除TAN和 NO2-N 的效果不产生影响[31]。在高密度养殖环境中，养殖后期投料量大，碳源的投入成本大量提高，且对水质的改善效果不显著，因此考虑后期停止添加碳源。

从第二次检测节点开始，试验池和对照池异养菌含量呈先升高后降低趋势，结果与中国对虾[32]和花鳗鲡[33]养殖过程一致，试验池的数量值显著高于对照池；弧菌密度全程都极低，两口池没有显著差异。在首次取样时，异养菌含量数据异常，这可能是受到微生态制剂大量投入的影响。浮游植物是生物絮团颗粒的组成成分之一，养殖水体中浮游植物群落的演变是水质的重要影响因素。BFT模式提高了浮游植物多样性；养殖中期，试验池与对照池都出现蓝藻暴发现象，BFT模式有利于维持蓝藻暴发期间的浮游植物多样性，主要体现在有利于硅藻的生长繁殖，但对蓝藻优势藻种没有明显的抑制效果；养殖后期，浮游植物大量繁殖，可能由于投料量和对虾排泄物均大量增加，絮团中大量微生物分解有机物，为浮游植物提供了充足的营养，从而促进藻类大量繁殖。

凡纳滨对虾内陆池塘无换水生态养殖模式，养殖技术工艺较为细致。特别是隔茬养殖水自净后再利用，对水产养殖业节能减排具有重要意义。BFT模式可有效降低氨氮、总磷和非活性磷酸盐的含量，有利于养殖废水再利用；可维持养殖水体pH值稳定，提高浮游植物多样性，提高对虾生长速度，有效降低饵料系数[34]，有利于维持养殖水质稳定，提升对虾养殖生态化、健康化和无害化水平，养殖114 d规格达到49 尾/kg，产量12 243 kg/hm2，是一种可行、有效的养殖模式。

本试验养殖存活率偏低主要是养殖前期受蜻蜓幼虫侵害，幼虾损失较多，特别是试验池虾苗损耗较严重。因此引起的实际养殖密度的差异可能对本试验结果有一定的影响。大田试验影响因素较多，结合定性观察，BFT技术还是有显著的正面效果。