水产养殖微生物研究进展

汤金伟 黄冲 李肖凡 王荣月 刘娟

摘要  近年来水产养殖业不断发展，但是水产养殖的集约化也影响了周边水质。在水产养殖中，养殖动物的健康受到微生物的影响，进而影响养殖业的经济效益。综述了养殖环境微生物的作用、养殖环境微生物研究方法、养殖水体微生物的影响因素以及养殖水体水质调节方法，旨在为水产养殖环境微生物的研究以及调节提供参考和依据。

关键词  水产养殖；水生环境；微生物；研究方法；影响因素

中图分类号  S917.1  文献标识码  A  文章编号  0517-6611（2024）09-0008-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.09.003

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress in Aquaculture Microorganisms

TANG Jin-wei，HUANG Chong，LI Xiao-fan et al

（College of Fisheries and Life Sciences，Dalian Ocean University，Dalian，Liaoning 116023 ）

Abstract  In recent years，the aquaculture industry has been developing continuously，but the intensification of aquaculture has also affected the surrounding water quality.In aquaculture，the health of farmed animals is affected by microorganisms，which in turn affects the economic benefits of the farming industry.The role of microorganisms in the aquaculture environment，the research methods of the microorganisms in the aquaculture environment，the influencing factors of the microorganisms in the aquaculture water body and the adjustment methods of the water quality in the aquaculture water body were reviewed，aiming to provide reference and basis for the research and regulation of the aquaculture environment microorganisms.

Key words  Aquaculture;Aquatic environment;Microbes;Research methods;Influencing factors

基金項目  辽宁省教育厅高等学校基本科研面上项目（JYTMS20230487）。

作者简介  汤金伟（1997—），男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：养殖环境生态学。*通信作者，博士，从事水产养殖动物免疫增强剂的效果及作用机理研究。

收稿日期  2023-06-18；修回日期  2023-10-25

微生物作为生态系统中分布范围最广、生物多样性最丰富的生命形式在生态系统中具有重要的作用，微生物既是生态环境中的主要生产者，也是生态环境中的最终分解者，微生物作为生态环境的重要组成部分，在能量流动和物质循环中发挥着非常重要的作用［1-2］。微生物在农业、食品、医疗、环境等方面都有应用，在农业方面，微生物有机肥是植物生长的最佳肥料，能够使农产品品质更加优良，并且相较于传统化学肥料不会引起化学污染［3］。在食品方面，微生物在食品发酵过程中发挥着重要作用，不同的原料、不同的发酵工艺都会导致发酵食品中的微生物群落结构的变化［4］。在医疗方面，微生物益生菌能够调节口腔的微生物群落结构，改善口腔的环境，保持牙齿健康［5］。 在环境方面，微生物絮凝剂作为新型生物制剂对污水的处理具有高效、绿色、易分解和无二次污染等特点［6］。

养殖环境中的微生物具有多种功能，参与养殖活动的各个方面，微生物对水产养殖环境、养殖物种的健康和生长等方面都有显著的影响［7］。研究养殖水体的微生物群落对于实际的养殖生产生活有着极为重要的作用，能够更好地为实际生产中调节水质、提供良好的养殖环境、保持水体微生物群落的动态平衡提供参考。

因此，该研究从养殖水体的微生物群落的研究方法、影响养殖水体微生物群落的因素以及养殖水体微生物群落的调节方式等方面介绍了养殖环境微生物群落的研究进展。

1  养殖环境微生物群落作用

1.1  反映水体生态特征

随着养殖密度的增大，养殖水体更容易受到养殖活动的影响，目前的集约化水产养殖存在许多不利于环境的做法，比如养殖饲料的过度投喂、养殖密度过大、养殖过程中渔药的滥用等做法，这些做法导致了水体有机质的增加、水体富营养化和渔药药效的下降［8］。细菌是水域生态系统的重要组成部分，细菌群落结构对环境变化十分敏感，其群落结构受到水质指标的影响［9］。菌群的群落结构会逐渐适应环境变化，不同的水质参数和营养特点对应不同的细菌群落结构，当水体中的营养元素高时，水体中对应降解污染物能力和营养元素相关的菌群丰度提高［10-11］。在养殖水体中，许多细菌群落受到水体中营养盐的影响，因此，部分微生物群落丰度可以作为指示养殖水体营养水平的指标［12-13］。

1.2  指示养殖动物的健康

在水产养殖生态系统中，水体中的微生物受到水质指标的影响，当水质恶化时，水体中的微生物对水质的变化进行响应，微生物群落结构逐渐转变，致病菌丰度增加，益生菌丰度降低，大大增加水生动物患病的概率，影响水生动物的健康［14］。

在养殖生态系统中，不同生态环境水体中微生物群落结构存在显著的差别，与正常水体相比，发病水体的微生物群落结构有明显的差异，因此特定的微生物可以用来指示水产生态系统中养殖动物的健康以及衡量养殖水体水质。水体中的芽孢杆菌（Bacillales）、纤维菌（Fibrobacterales）、伯克霍尔德菌（Burkholderiales）、黄杆菌（Flavobacteriales）等细菌可以作为养殖动物健康出现问题的指示菌［15］。在发病虾池中红杆菌科 （Rhodobacteraceae）、γ-变形菌纲 （γ-Proteobacteria） 及其交替单胞菌科 （Alteromonadaceae）的丰度高于正常池的丰度，并且相对于正常池水来说，发病池水的细菌多样性显著低于正常池水［16］。

2  养殖环境微生物群落研究方法

2.1  微生物平板培养法

微生物平板培养法是最早的、最传统的用来统计微生物群落结构以及微生物多样性的方法，微生物平板培养法通过培养基培养微生物群落，观察微生物群落的数量和外观形态等特点，观察微生物的多样性变化，并且该方法被认为是检测特殊微生物群落变化非常有效的方法［17-18］。袁翠霖［19］利用微生物平板培养法研究罗非鱼养殖过程中细菌数量的变化特征，结果表明，罗非鱼养殖过程中水体的细菌数量波动较底泥中的大，而且水体中的细菌受抑菌药物的作用较底泥中的细菌大。周霜艳［20］利用平板培养法结合荧光定量PCR技术研究了海洋浴场微生物群落多样性和季节性变化，可培养细菌多样性表明海洋浴场的细菌在门和纲水平上结构差异不显著。

虽然传统的微生物平板培养法能够直观地观察到细菌的形态特征，但是也存在其自身的局限性，目前环境中可以培养的微生物的数量仅占环境微生物总数的0.1%～1.0%，因此传统的微生物平板培养法不能够客观反映水体环境中微生物群落结构的真实信息［21］。

2.2  Biolog微平板法

Biolog微平板法是1989年由美国的BIOLOG公司开发成功的，Biolog微平板法是用来研究微生物代谢功能多样性的方法［22］。Biolog微平板技术具有灵敏度高、测定简便、检测速度快等优点，Biolog微平板法的技术原理为微生物在利用碳源时会产生自由电子，而自由电子会与指示剂发生反应，根据平板中各孔吸光度值的变化反映微生物对不同碳源的利用差别，从而判定不同微生物群落的代谢功能的差异［23］。杨霄［24］利用Biolog微平板法探明水库水体细菌群落在经过水体分层后对有机污染物的降解能力显著降低。郑瑶瑶［25］利用Biolog-Eco法等方法对不同的草鱼混养系统中水体和底泥细菌的代谢变化进行了研究，结果表明，不同养殖模式环境中细菌群落对碳源的利用存在差异，并且不同养殖模式环境中的细菌群落的多样性也存在差异。

目前，对微生物群落功能多样性的研究主要应用的是Biolog微平板技术，然而Biolog微平板技术只能表明微生物群落对碳源的利用特性，在实验过程中培养条件的变化、样品的处理等影响因素都会导致微生物对碳源利用能力的变化，进而影响实验的准确性［21］。

2.3  分子生物学技术

2.3.1  核酸分子杂交技术。

核酸分子杂交技术的技术原理是基于核酸分子的碱基进行互补配对的原则，利用荧光标记或者放射性标记等标记核酸探针，采用特异性的核酸探针与待测的样品核酸分子进行杂交，能够得到特定微生物的空间信息和数量丰度等情况，因此该方法具有特异性和灵敏性的特点，但是该技术只能用于已知核酸序列的特定微生物的测定［26］。

2.3.2  RFLP和T-RFLP技术。

限制性片段长度多态性分析技术（RFLP）和末端限制性片段长度多态性分析（T-RFLP）2种方法类似，均为将酶切过后的DNA片段进行电泳，得到酶切图谱，进行测序，从而了解微生物包含的信息。T-RFLP技术和RFLP技術相比仅是在引物末端进行荧光标记或是放射性标记，根据末端片段的标记种类、数量和长度等信息进行分析进而得到微生物多样性的有关信息［27-28］。

崔丙健等［29］利用T-RFLP技术结合荧光定量PCR技术对异育银鲫养殖环境的细菌群落变化特征和典型病原微生物丰度进行了检测，发现沉积物的细菌群落结构组成相较于水体样品中的微生物群落结构相对复杂，并且在检测过程中沉积物的细菌群落结构动态变化幅度也高于水体，对水体和沉积物中的优势T-RFs片段进行比对发现，所属菌群主要是变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。

2.3.3  DGGE和TGGE技术。

变性梯度凝胶电泳（DGGE）和温度梯度凝胶电泳（TGGE）的基本原理大致相同，由于DNA片段中碱基构成的不同，片段在凝胶中的移动速率也不同，所以这2项技术可以将长度相同DNA片段分离开，从而直接反应DNA片段的多态性。这2项技术由于检测速度快和高重复性等特点在微生物群落检测和多样性分析中应用广泛［18，30］。

王亭芳［31］利用PCR-DGGE技术研究了南美白对虾养殖水体中微生物的动态变化，结果表明同一月份的不同样品间微生物丰度会有差异，而不同采样时间的样品中微生物的种类数会有整体性的变化，对整个养殖周期进行统计，结果显示排水沟的优势物种波动最大，草池的波动最小。王琦［32］利用PCR-DGGE技术对3个不同养殖模式的对虾养殖池塘的沉积物微生物群落结构进行调查分析，结果显示不同的养殖模式沉积物中存在部分相同的微生物群落结构，也存在各自特异性的微生物群落结构，并且随着时间的变化微生物群落结构和丰度也在变化。

2.3.4  实时荧光定量PCR技术。

基于PCR技术的基础在PCR的反应体系中加入荧光基团就是实时荧光定量PCR技术，对反应的产物进行荧光监测就能够进行定量分析，因此实时荧光定量PCR技术对于研究水产养殖环境微生物群落具有非常重要的意义［33］。

黄薇等［34］利用高通量测序技术结合实时荧光定量技术对鲟鳇鱼的网箱养殖环境微生物群落结构及潜在病原菌进行了分析，结果表明不同品种的鲟鳇鱼在同一水域和相同的管理条件下微生物群落结构高度相似，优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、浮霉菌门（Planctomycetes）、放线菌门（Actinobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia），并且在鲟鳇鱼养殖水体中发现了7个潜在致病菌，其中丰度最高的为嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila）。

2.3.5  16S rDNA序列分析技术。

16S rDNA序列分析技术是通过提取环境中微生物样本的16S rDNA基因片段，对基因片段进行克隆、测序、探针杂交等步骤获取基因序列信息，根据序列信息和已知基因库进行比对，从而得到准确的微生物物种信息，确定其在进化树中的位置。16S rDNA技术具有准确度高、鉴定到种的优势，但是其步骤也相对烦琐［30，35］。

2.4  高通量测序

高通量测序技术是21世纪新兴的一项具有里程碑意义的测序技术，目前为止测序技术已发展到第三代，高通量测序技術能够一次对多达几万甚至几十万条DNA分子序列进行测定，并且利用计算机进行整合得到完整的DNA序列信息，高通量测序技术客观地展示了微生物的群落结构、多样性及进化关系，使研究步骤得以简化，研究周期得以缩短，并且能够获得更高的研究数据，但是其也具有仪器昂贵、数据海量难以分析的缺点［36-38］。

王瑞宁等［39］对晒塘前后微生物群落结构变化进行分析，发现晒塘之后以变形菌门（Proteobacteria）为主，晒塘显著改变了养殖池塘的微生物群落结构，晒塘之后变形菌门 （Proteobacteria）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、拟杆菌门（Bacteroidetes）等有益菌群增加，蓝菌门（Cyanobacteria）等有害菌群减少。王磊等［40］利用高通量测序技术对东星斑溃烂病的主要致病菌和微生物群落结构进行测序，结果表明发病东星斑的微生物群落结构多样性明显降低，发病东星斑和正常东星斑的优势菌群组成有明显的差异。

3  水产养殖微生物群落变化的影响因素

3.1  养殖物种

水生动物本身所携带的微生物是存在差异的，并且相同物种的不同品种在养殖过程中微生物群落结构以及微生物丰度都存在较大差异［41］。而不同的物种在养殖过程中，由于自身所携带的微生物的不同、本身摄食习性的不同等因素，在很大程度上会影响养殖水体与沉积物微生物群落结构与丰度。由于养殖物种本身的遗传基因可以对微生物进行选择并且能够调节宿主本身微生物群落的结构，让养殖物种对本身微生物群系具有选择性，进而影响养殖水体中的微生物群落结构与丰度，因此，物种本身的遗传基因是影响生态系统微生物群系的因素之一［42］。不同的养殖物种所携带的微生物不同，微生物会与养殖环境相作用达到新的平衡，进而改变微生物群落结构。

Tang等［12］利用高通量测序技术分析了混养不同物种的养殖水体微生物群落结构，结果表明不同物种混养模式水体中的微生物群落结构不相同，鲢鳙的混养对水体的微生物群落结构有显著的影响，而三角帆蚌对微生物群落结构影响较小。Zeng等［43］对单一养殖虾或鱼和鱼虾混合养殖的3种养殖模式的沉积物微生物群落结构进行了分析，研究结果表明3种养殖模式微生物群落结构存在显著差异，其中混合养殖模式的微生物多样性高于集约鱼养殖模式，但是低于集约虾养殖模式。

3.2  养殖条件

在水产养殖中不同的养殖模式对应不同的养殖环境、养殖物种以及换水投喂方式等，因此不同养殖模式微生物群落结构之间存在显著差异，不同的换水方式等因素也会影响细菌群落结构及丰度［44-45］。在水产养殖中相同的养殖物种和养殖模式也会由于不同的地理条件导致养殖水体环境的微生物群落结构的不同［46］。在养殖环境中不同的水质因子会导致养殖环境中微生物群落结构的变化，其中温度、盐度、pH、化学需氧量、溶解氧、总氮、氨氮、总磷、硫化物等环境因子与微生物群落结构显著相关［46-50］。

4  水质调节方式

养殖水体是水产动物赖以生存的环境，水质因子对养殖动物的健康以及水体中微生物群落结构和丰度都有显著的影响，因此对水体水质环境进行改良，能够显著改善水体中的微生物群落结构，保障养殖动物的生理健康。

4.1  传统换水调节

水产养殖中传统的换水调节是目前的实际生产中能够快速、有效调节水质的方式［51］。在实际的生产生活中，由于养殖密度的增大以及养殖饲料的过量投喂导致养殖水体中亚硝酸盐增加、有害物质含量增多，为了保持水体的水质以及理化环境的稳定，通常进行不同频率的换水，对养殖环境进行换水不仅能够调节水体的理化环境，而且能够为养殖环境带来饵料以及带走沉积的废物和有害物质［52-53］。

4.2  微生态制剂调节

微生物在生态系统中发挥着重要作用，水体中微生物的作用多种多样，在水生生态系统中微生物群落在碳硫循环中发挥着重要作用，不仅如此，微生物中的益生菌在改善养殖水体环境、吸收降解水体中的有害物质、净化水体方面也有重要作用［54］。

微生态制剂是从环境中筛选出益生菌，经过培养、繁殖后制作而成，其中含有大量益生菌，相对于抗生素来说是一种绿色的替代品［55-56］。微生态制剂的作用原理是通过分解转化水体中的有害物质，抑制水体中产生有害物质的有害菌的繁殖。微生态制剂在水产养殖中主要分为酵母菌制剂、芽孢杆菌制剂、乳酸菌制剂、EM菌制剂、硝化细菌制剂和光合细菌制剂［57］。微生态制剂不仅在调节养殖水体水质、清除水体中的有害物质方面发挥着重要作用，而且在提高养殖的水产动物免疫力、促进生长、防治病害等方面也发挥着重要作用［57-60］。

4.3  水生動植物调节

除了传统的换水调节与添加微生态制剂调节水质外，一些水生动植物也经常被用来调节水产养殖环境中的水质情况。水生植物具有吸收水体中过量的氮磷的作用，水生植物经过吸收、富集、过滤、沉淀过量氮磷等作用达到净化水质的目的，而水体中高浓度的氮含量与微生物的繁殖相关，水生植物通过吸收水体中过量的氮磷，抑制水体的富营养化，进而调节水质［61-62］。水生植物在调节水体水质过程中，可以提高水体中的溶解氧、保持较低的无机氮以及无机磷，从而保持水质［63］。水生动物也可以起到净化水质的作用，水生动物净化养殖水体的水质主要通过混养不同的养殖动物，混养不同的养殖动物通过摄取残饵、过滤水体中的浮游微生物、有机碎屑等物质来避免沉积物的堆积和水体水质的恶化，有效降低水体的富营养化程度［64-67］。

5  展望

随着全球人口的不断增长以及生活品质的提升，人们对于食物的需求量以及品质要求不断增加，水产品作为优质的蛋白质来源以及其鲜美的味道越来越受到重视，而我国作为世界第一的水产养殖大国，随着需求的逐渐增加，水产养殖量不断增大并且逐渐向集约化发展，伴随着水产养殖规模的增大和集约化的发展，水产养殖产生的污水与废水量也不断增加，排放后对水体环境造成严重的破坏。虽然我国水产养殖业体量巨大，但是目前对水产养殖业的环境管理体系还不健全，我国水产养殖业在制度建设、法律法规、环境监管及养殖模式等方面还存在一定的不足。针对这一现状，应该建立完善的法律法规，依据法律法规建立对应的管理部门，规范水产养殖过程中水质的调节及污水废水的处理和排放，大力发展绿色、先进、高效的养殖模式，提高养殖的经济效益，减少养殖污水废水的产生，减小环境压力。

水产养殖水质调节微生态制剂的使用本质上为养殖生态系统引入大量的益生菌，从而改善水体的微生物群落结构，水生动植物的调节本质上为吸收水体中过量的营养物质以及摄食藻类，防止水质恶化，基于此，应该将目光集中到影响微生物群落结构的因素上去，水质是影响微生物群落结构的重要因素。针对这一因素，可大力发展绿色生态制剂、环保型养殖饲料和高效科学的养殖模式，将我国的水产养殖业打造成绿色无污染、科学高效的产业，从而带来生态与经济效益的双赢。

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