微生物在水产养殖中应用的研究进展*

谢俊宇 ，茅颖惠 ，曹 莹

（南京工程学院环境工程学院，江苏 南京 211167）

1 微生物在水产养殖中应用的发展背景

2022 年10 月，党的二十大报告提出全面推进乡村振兴战略，坚持农业农村优先发展，巩固和完善农村基本经营制度，发展新型农村集体经济，发展新型农业经营主体和社会化服务，发展农业适度规模经营。水产业作为农业发展的一个重要部分，在经济增长方面的贡献越来越大。《2021 年全国渔业经济统计公报》[1]和联合国粮农组织（FAO）发布的《2022 年世界渔业和水产养殖状况》[2]显示，我国水产品总产量占世界生产总量的31.26%，水产养殖总产量占世界总量的61.65%。过去由于个体水产养殖缺乏监管，个别养殖户乱用或滥用渔药、微生物菌剂，随意排放养殖污水。不仅造成了水体污染导致病害频发，还大大损害了渔业质量与产量。而目前，我国水产养殖行业正在逐步由区到片进行高密度集约化发展。

以往我国对水产养殖行业治理的关注度普遍不高，而水产养殖行业近年来的加速发展，导致越来越多的病害问题、污染问题困扰着行业内部。不科学的养殖管理模式，水体的富营养化，抗生素的滥用引起的水质污染、养殖废水的乱排乱放等问题迟迟得不到解决。2019 年农业农村部等十部委发布了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》[3]，关于水产养殖行业的治理也逐渐得到重视，如何寻找一种可持续、可推广、绿色环保的生态治理方案是水产行业目前发展的难题。微生物生态治理以往大多应用在湖泊、水库等水体整治中，鲜有应用于水产养殖行业的研究，本文对微生物法在水产养殖行业中的几种常见应用研究原理和其目前的发展现况进行介绍，并分别阐述其未来的应用前景。

2 微生物与养殖对象的联系

微生物和养殖对象之间存在着直接和间接影响，随着水产养殖规模的扩大，鱼虾类的排泄污染物在极大程度上影响了水质，会不可避免地造成附近水域水体富营养化[4]。随之而来的是病毒微生物带来的毒害，附带上化学药剂的滥用，导致病毒性疾病在鱼虾中扩散。水体中的微生物直接影响着养殖对象的存活率以及产量，而养殖对象又会间接影响微生物在水体中的富集化程度。例如同一片水域中鲢鳙混养，在水中适当增加鲢的数量，降低鳙的数量，实验显示当鲢鳙数量呈现不同比例时，水体的富营养程度不同，通过减少浮游植物，增加浮游动物，可以非常有效地控制水体水质进一步恶化[5]。

因此，如何进行微生物防治成为水产养殖的首要问题。微生物法是指利用不同微生物的特性，在饲料中投放、水体中培养或将指定菌种用物理化学方式进行联合处理后再投入使用，达到以菌治菌的效果，维持水体水质稳定。越来越多的研究者发现并推荐通过培养水体微生物以及使用微生物菌剂来更安全有效地平衡水质，起到降低水质污染、提高水产养殖产量的作用。

3 益生菌类饲料在水产养殖中的应用

益生菌泛指可以在生物体内保持活性的有益微生物，包括乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌等等，其作用原理是许多益生菌可以有效调节免疫细胞产生细胞因子，如白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和转化生长因子-β（TGF-β）。诸多实验证明其对于不同种类的养殖对象均有着提高存活率以及扩大产量的作用。例如在马来西亚对虾养殖研究中，Aditya 等[6]证明通过添加南美白乳杆菌，同期的对虾产量在多个季度稳定增长；在尼罗罗非鱼饲料中添加Rummeliibacillus stabekisii（鲁梅利杆菌），Tan 等[7]进行了8 周的对比实验，数据显示喂食Rummeliibacillus stabekisii 的罗非鱼无论是增重量、饲料转化率、饲料效率，还是在用嗜水气单胞菌和伊氏链球菌攻击后的存活率上都大于对照组。通过在饲料中添加益生菌，可以减少养成阶段的机会性细菌负荷并提高鱼类的存活率[8]。针对单种生物益生菌，其主要作用菌种集中在一组乳酸菌中，作用原理为益生菌给药基于宿主对活益生菌食品补充剂的消费，通过增强肠道微生物群内的微生物平衡，为宿主提供健康益处[9]。

研究表明：益生菌作为混合或单一培养物的生物活性成分能够发挥作用，增加了抗病性，可以大大减少病毒对鱼类的伤害[10]。由于益生菌种的不同特性，对于不同的养殖对象可以通过利用不同菌种配比以达到最好的针对性效果[11]。综上所述，益生菌类饲料添加剂作为抗生素添加剂的一种绿色无害化替代品，其在水产养殖方面具有广阔的发展前景。

4 微藻在水产养殖中的应用

4.1 单种微藻培养法

目前，国外热门的微生物法之一是在养殖池中适量培养微藻，利用其特性保持水体稳态，修复水质，从而起到提高水产养殖产量的作用。以往，通过培养微藻的微生物修复法在水产养殖中一直是被低估的；但现在，添加微生物的培养法尤其是使用单个微藻物种的方法已经被证实为一种有广阔前景的生态修复法，能够高效降解水产养殖废水中的有毒化合物[12]。

在关于微藻在白腿虾养殖中的作用研究中，Huang 等[13]通过对照组实验，每天分别测量实验组和对照组的水温、盐度、pH 值、溶解氧、氨氮浓度、硝酸盐浓度、亚硝酸盐浓度、正磷酸盐浓度、亚硫酸盐浓度、弧菌浓度来监测两组水质状况，并对一定培养期后的白腿虾质量以及饲料转化率等进行监测。结果显示：对于水质状况，对照组BSW（基底沉积物和水）（15.44 g/L）约是微藻添加处理实验组（7.59 g/L 和7.14 g/L）的2 倍；对照组弧菌浓度增加较快，而微藻添加处理实验组在培养期更趋于稳定增加，在培养结束时，对照组和实验组弧菌浓度分别为3 174 CFU/mL、811 CFU/mL 和603 CFU/mL，加入微藻的实验组生产率为3.65±0.10 kg/m3，比对照组（2.92±0.07 kg/m3）高25%。得出结论：添加微藻可以很好地控制水体中各项数值稳定，减少弧菌滋生和水底沉积物堆积，增加白腿虾的产量。之后，Kurniawan 等[14]利用微藻去除污染物的功能对已经受污染的水体环境进行了生物修复，验证了其作用。

在利用微生物修复水产养殖废水过程中，包括小球藻、趾藻、蛾藻和纳米绿藻在内的微藻物种均被研究证实有着较强的性能[15]。其他研究中，将微藻引入培养水中证实了其可提高鱼虾的存活率和体重。例如，最近的一项研究表明，微藻物种Nannochloropsis oculata 和Thalassiosira pseudonana有利于水质修复和虾的发育。此外，研究人员发现，在整个农场周期中，将Thalassiosira pseudonana 添加到培养水中可显著降低氨、悬浮颗粒、正磷酸盐、亚硝酸盐和硝酸盐的水平[13]。

此外，微藻可以提高日光下的溶解氧水平并调节pH 值。这对于修复水质、保持水质状况平衡有卓越的作用。Mohd 等[16]进一步评估了添加微藻、小球藻UMT LF2 对改善南美白乳杆菌的养殖环境、育苗性能以及对白腿虾生物修复功能和生长性能的影响。采用响应面法（RSM）进一步研究确定了利用丝状真菌黑曲霉生物絮凝物收获过量微藻生物质的最佳条件。但微藻的大面积培养仍处于试验模型阶段，且不同的微藻针对不同的养殖对象存在特异性效果，大多数微藻的净化水质效果只存在于对氮磷的净化，而对于更多的污染物如抗生素等则难以起到客观作用，且对微藻进行培养与采收的相关产业仍不完善，故难以大面积推广。但目前的研究已经证实了其有效性，因此做出如下展望：筛选优质藻种、寻找微藻去除污染物的关键分子机制、开发微藻处理工艺。解决了以上问题，才能构建绿色环保的微藻培养去污体系。

4.2 微藻固定化以及菌-藻共生体

微藻固定化一般使用海藻酸钠进行包埋，用氯化钙和壳聚糖进行固定，运用固定化技术对微藻进行固化形成絮凝胶，从而避免藻类分散影响吸附效率，同时，为了保证其短时间内的去污效率，可对其进行饥饿处理，提高去污效果[17]，相较于单一微藻培养效率更高。同一条件下分别使用固定化小球藻与悬浮态小球藻对相同的人工污染进行净化，相同时间内固定化小球藻可去除污水中99.99%的氨氮和95.71%的总磷，高于悬浮态小球藻（去除98.92%的氨氮和91.56%的总磷）[18]。因此，对于小面积水质净化选择固定化微藻技术效率更高，但对于大面积水体净化，其成本过高，不利于大面积投放。

与此同时，为了进一步提升微藻净化效率，可以选用小球藻等微藻分别构建菌-藻共生系统，原理是选用养殖用水去污能力强的微藻品种以及菌种，通过物理或化学法进行固定化[19]，一方面弥补了微藻处理无法很好地分解污染物的劣势，另一方面可以用微藻对微生物分解产生的有机酸、无机盐等[20-21]进行吸收，避免二次污染[22-23]。尤其是可以选取特定菌藻品种进行固定化处理，以达到互利共生、强化去除污染效率的效果[24]。使用菌-藻共生体可以表现出比纯藻更高的生物废物吸附量，并且对于水产养殖废水中的氮磷有着更高的去除率[25]。Praveen等[26]建立小球藻与异养细菌的共生处理体系，并利用海藻酸钠对其进行包埋固定，对比单一小球藻固定，发现在曝气条件下，其对葡萄糖的去除效率从未曝气时的50%（耗时12 h）提高到了100%（耗时6 h），叶绿素含量增加了30%。同时，在微藻-真菌共生系统中，真菌能有效地辅助微藻进行生物絮凝，并通过胞外多糖黏附、静电中和作用，使得微藻与真菌菌丝表面蛋白质相互作用构成藻菌球，解决了单一微藻处理废水过程中微藻无法回收和分离的问题[27]。最新研究表明：在菌-藻共生体系中加入适当浓度的独脚金内酯（GR24），通过促进微藻的光合作用效率以及真菌菌丝的生长，来提高培养效率并显著增强吸附污水中氮磷的效果[28]。固定化菌-藻共生体在污水净化处理中展现了强大的优越性，但关于如何保证长期使用后载体材料不被细菌腐蚀分解、后续处理如何回收菌藻球、如何依据藻类丰富的营养成分实现资源的再回收利用、如何构建更好的菌-藻共生体系等问题，相信在我国“双碳”绿色背景下终将被一一解决，未来，固定化菌-藻共生体高效、绿色、环保地净化养殖用水的愿景终将实现。

5 生物絮凝体技术（BFT）

近年来，生物絮凝体技术也逐渐走进大众视野，BFT 系统是水产养殖行业的最新发展[29]。原理是：适当的C/N 可提高水体中异养微生物的数量，通过人为调节C/N，将水体中含氮化合物转化为可被摄食的生物絮凝体，既避免了水体中腐絮以及饲料的残留，又生态友好地维持了水体水质，不仅从源头上避免了病原菌在水体中扩散，还对养殖对象有免疫促进作用，大大提高了水产养殖微生物治理的效率[30]，并为养殖对象提供了一部分营养来源，提高了其产量以及存活率[31]。

如何通过调整C/N 来提高生物絮凝技术效果是目前研究的关键，在中华草龟养殖实验中，通过设置10∶1（CN-10）、15∶1（CN-15）、20∶1（CN-20）的实验组和对照组（CG）进行为期40 天的养殖，发现在前期，生物絮团体积指数（FVI）随C/N 的增加而增大，并在28 天后数值趋于稳定。其中，C/N 大于10 的组对于氨氮和亚硝酸盐的处置效果更为明显，C/N 为15的实验组对氨氮和亚硝酸盐的去除率分别为76.7%和64.4%。同时，通过运用高通量测序对各实验组中的水体菌群进行检测，发现三个组中的优势菌种均为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门，但根据C/N不同，其优势菌种的占比各有差异。因此，张凯等[32]认为中华草龟养殖中，C/N 为15∶1 时是生物絮凝体形成的最佳比例。而邓吉朋等[33]发现：保持水体C/N 为20∶1 时有利于斑节对虾（Penaeusmonodon）池生物絮团的形成；Yu 等[34]发现当C/N 为20∶1 时形成的生物絮团能最有效净化水质，促进黄金鲫（Carassiusauratus）生长，增强消化酶活力。很多学者认为在BFT 中，当C/N 在15～20 时，就会有一部分细菌转变为可将氨氮吸收转化为菌体蛋白的同化细菌，进行同化反应[35]，可抑制硝化反应进程，避免NO3--N 的积累。然而，也有许多研究发现，即使添加PHB 使C/N 达到20，也无法阻止NO3--N 的积累，可能是因为水体中的有机碳主要由腐殖酸、黄腐酸、碳水化合物、蛋白质和羧酸等组成[36]，无法保证每个实验研究的C/N 就是每个养殖对象的最优选择，未来仍需要探索最佳C/N 的构成。

BFT 系统中的主要成分——生物絮凝体（BFO）在BFT中发挥了三个主要作用：

1）通过自主消耗含氮化合物废料来维持水质；

2）为栽培物种提供食物来源，减少商业饲料用量[37-38]；

3）通过病原体竞争并产生益生菌特性[39]。

水产养殖中，BFO 的存在，特别是纤毛虫和线虫等，可以使养殖物种有效地获得蛋白质、维生素、脂质等，从而促进生长[40]。同时，可以通过鉴定BFO中各物种的含量，调整BFT 的作用，达到减少环境足迹、提高水产产量的目的[41]。

BFT 系统建立环境主要考虑五个方面：混合强度、好氧环境、碳源投放、温度、pH 值。它们决定了生物絮凝体能否形成、紧凑程度、絮凝效果[42]。因此，要正确理解物种的类型、多样性、丰富度，以及它们在生态系统中的作用（浮游植物作为初级生产者，细菌作为分解者等等），充分考虑环境因素、人为因素等是BFT中适当系统管理的关键[43]。

但由于目前关于BFT 技术均只存在理论研究，实际应用中仍有诸多问题，硝化细菌在BFT 系统中的缓慢建立也是该技术的缺点，要形成稳定的生物絮凝体并使其稳定生长也需要一个月时间，在此期间，很难预防对于敏感的养殖对象的干扰。生物絮凝机理也尚未有定论，如何优化BFT 的培养条件，如何降低成本，如何大面积普及等问题尚待解决，因此，未来发展BFT 技术仍有无限的可能性。

6 问题与展望

国内外在水产养殖行业的微生物法应用已经存在诸多方案，但缺乏一种效果好、研究成熟、普遍性高、价格低廉、利于推广的方案。

益生菌饲料添加剂技术凭借价格低廉、可大面积推广、存在普遍性增产的效果等优势，成为目前在水产养殖行业应用最广泛的微生物技术，但目前仍存在着益生菌的作用机理研究不充分、生产机构质量不高、复合型益生菌配比不科学等问题。未来，应该运用高通量测序和单细胞分析等技术对益生菌作用机理进行进一步研究，同时，通过基因组重排等技术对益生菌效果进行改良和大面积推广实验，寻找最优复合益生菌配比。

微藻固定化包括菌藻联合体固定化，目前已经取得了一定研究成果，尤其是对于水体中不同污染物的降解作用机理以及菌藻的共生互利性研究，其已经被证明是一种高效的净水技术方案。目前遇到的问题是难以寻找一种可持续、耐腐蚀的包埋材料，以及难以循环利用过程末端微藻的营养价值。未来的研究可以朝如何利用生物质材料代替传统包埋材料、增加上游企业建设帮助收集利用末端的微藻以达到资源再利用的效果等方面发展。

微藻培养以及BFT 技术相较于益生菌饲料添加剂和微藻固定化技术仍不成熟，存在着理论、应用、推广、经济效益等多方面的问题，但目前已有研究已经充分证实其在净化水质、防治致病毒害、减少饲料用量、提高养殖对象产量等方面的优越性。未来如果完善这两种技术的研究，其能够在我国“双碳”背景下作出巨大贡献。