摘要 对生物絮团技术的发展进行概述，阐述生物絮团的主要影响因素，介绍生物絮团技术在对虾养殖中的应用，分析其存在的问题，以为生物絮团技术在生态高效养殖中的推广应用提供参考。
关键词 生物絮团技术；对虾养殖；发展现状；影响因素
中图分类号 S966.12 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）06-0248-03
中国是世界上最大的对虾生产国，近年来对虾疾病的发生程度有不断增强的趋势，对虾养殖业面临瓶颈。因此，寻找一种新型的健康生态养殖技术已迫在眉睫。近年来，国内外学者在零水交换的基础上，发展出一种以多种微生物共生平衡体，采用生物调控方式，解决水质问题，提高对虾养殖成功率，增加水产养殖效益，提升水产品安全问题。由此，诞生了新型水产养殖新技术——生物絮团技术（biofloc technology，BFT）。本文浅析了生物絮团技术的发展背景和发展史，同时概述生物絮团系统的形成和稳定的限制因素，探讨了该技术在对虾中的应用。最后，对该技术面临的问题作了分析并提出了需要发展的方向。
1 生物絮团技术的发展概述
1.1 传统水产养殖的瓶颈
我国是世界主要的养虾大国，近十几年来我国对虾养殖业迅猛发展，但是随着养殖规模的扩大和集约化程度的提高，受环境污染、水资源短缺、土地等限制因素的影响，养殖成本逐年上升，严重制约了对虾养殖的可持续发展。开放式的水系统中要得到高产，是以提高放养密度、增加配合饲料投喂量为前提的，在集约化养殖系统内，饲料中70%～80% 的营养物质以残饵及代谢产物的形式在水中积累，产生大量的氨氮、亚硝酸盐，导致水质恶化及环境的污染。而氮磷的富集可使水体富营养化，致使动物缺氧和产生有毒物质。近年来，对虾水产病害的暴发也给传统养虾业造成重创，如白斑综合征病毒（WSSV）、传染性皮下及造血组织坏死病毒（IVVNV）、早期死亡综合症（EMS）、桃拉综合症病毒（TSV）、肠胞虫等，但至今仍未找到有效防控措施。
1.2 零水交换养殖模式的诞生
针对当前对虾养殖所存在的问题，高效、清洁、健康对虾养殖需要从由粗放式向集约化、开放式向封闭式、大排放向循环水的模式发展，提出了零水交换养殖。零水交换是指在养殖过程中，不与系统外界进行水交换，养殖系统内的水体进行循环使用，以切断流行病原的传播，并为未被利用的饲料中营养物质的循环再利用提供条件。零水交换系统中，有益微生物和单细胞藻类可为对虾提供必要的营养要素和代谢所需氧气，也可以降解养殖系统内的残饵和有害生物代谢物，对虾、有益微生物和外源饵料三者相物互作用，形成和谐共生的生态体系[1-4]。
1.3 生物絮团的结构
研究报道表明，生物絮团是以菌胶团细菌、丝状细菌为核心，依靠其分泌的产物，将水体中悬浮的细菌、微藻和残饵、粪便等颗粒有机物絮凝在一起自然形成絮团状聚合物，生物絮团养殖系统也因此而得名。因不同的饲料、养殖品种、充气方式、管理模式以及环境因子，生物絮团的生化组成和物理特性也常有较大差异。生物絮团形状不均一，其比表面积通常可以达到20～100 cm2/mL，这极大地促进了絮团颗粒的物质和能量的交换，生物絮团本身就是一个微生态系统，是水体中嵌入的许多个富营养的微环境。这种结构会吸引大量的原生动物、轮虫、线虫等水生动物来摄食，生物絮团独特的微生物群落结构给对虾养殖产生积极的影响。生物絮团中能观察到各种类型的微藻，呈包裹在生物絮团中或者单个独立存在，可供对虾摄食。硅藻还有相对高水平的必需氨基酸二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），这些硅藻可以显著地促进对虾的生长，而絮团颗粒大于5 μm对对虾生长促进作用更显著。
1.4 生物絮团技术的发展
生物絮团技术的提出和发展为零水交换对虾养殖系统的全面实践应用提供了技术支撑和解决方案，是今后我国对虾养殖业的重要发展方向。生物絮团技术的原型是由法国太平洋中心海洋开发研究所在20世纪70年代提出的，并之后将该技术实施于斑节对虾（Penaeus monodon）、墨吉对虾（Fenneropenaeus merguiensis）、南美白对虾（Litopenaeus vannamei）等对虾的养殖研究。Steve Serfling开发活性微生物悬浮系统（简称“微生物汤”）用来养殖罗非鱼（Tilapia nilotica），年产量达到1 500 t，每天仅换1%的水。法国及以色列的科学家提出了“异养性食物网”的概念，这些都是生物絮团系统理念的雏形。20世纪90年代后，由于受水资源限制、环境问题和土地成本等因素的限制，以色列和美国分别在罗非鱼和南美白对虾封闭式养殖中集中地开展了生物絮团技术的应用研究，这些研究工作为以后生物絮团技术的发展奠定了基础。近年的研究显示，生物絮团技术在对虾养殖中起到显著的水质净化和提升免疫防御的作用，生物絮团可被对虾摄食利用并转化自身的营养物质，提升了饲料的蛋白利用率。Kuhn等利用罗非鱼的养殖废水和红糖培养出生物絮团，并制成饲料投喂南美白对虾，实验组生长优于对照组。这些研究成果和实践经验极大地推动了生物絮团技术的发展。
1.5 生物絮团技术的应用原理
生物絮团技术表明上是一种反常的做法——发展并提倡有机物和微生物群落在水体中积累。但这些微生物大多是有益微生物，在水体中发挥着重要的生态功能，一方面通过吸收转化水体中的氮磷代谢物，保持水质平衡；另一方面生物絮团自身可为对虾提供生物饵料，实现营养物质的循环利用。水产养殖中可应用的益生菌有数十种，其中芽孢杆菌是最为典型的益生菌，对环境适应力极强，代谢产物无毒，可降低水体中的亚硝酸盐和氨氮含量；并可将水体中的有机物转化为自身营养，降低水体中的COD；这些益生菌进入对虾肠道后，可提升对虾的免疫防御；由其产生消化酶能促进对虾的消化能力，提高饲料利用率。在集约化养殖系统中，大量人工饲料的持续投入为微生物的生长繁殖提供了丰富的营养基质，微生物群落得以大量增殖，而保持水体中所有有机颗粒和生物絮团呈悬浮活性状态，是生物絮团养殖系统得以良好运行的关键。
2 生物絮团的主要影响因素
2.1 水温
生物絮团受温度影响很大，温度直接影响水生动物机体的代谢、生长和存活，对毒害物质的敏感性及耐受性，寄生虫和疾病的感染均受温度影响[1-4]。温度还可通过影响盐度、溶氧等其他环境因子对水生动物间接产生影响。生物絮团由微生物等组成，其日常代谢活动也须在适宜温度范围内进行[1-4]。Krishna等发现，当水温处于30～35 ℃时，絮团中的细菌产生过多的多糖，导致絮团膨胀裂解；Wilen等发现在温度较低（4 ℃）的情况下，生物絮团的解絮凝作用比较高的温度（18～20℃）更易发生。田相利等发现，中国对虾（Fennero-penaeus chinensiss）在18～31 ℃时摄食量随温度升高迅速增加，而超过31 ℃后其摄食量明显下降，生长速率也受到抑制；杨章武等发现，31 ℃下，南美白对虾幼体活力最佳，生理行为最稳定。因此，25～31 ℃时，不仅有助于生物絮团的形成和稳定，也有利于对虾的摄食和生长[1-4]。Krishna 等发现，在较高温度（30～35 ℃）下，活性污泥的体积指数较大，且会产生大量胞外多糖。此外，Diego等发现，在零水交换系统中，水温对对虾本身的免疫和抗氧化作用有一定的影响。因此，适宜的养殖水温是形成良好生物絮团的一个必要条件。
2.2 pH值
水体pH值对维持生物絮团系统功能也很重要，不管是对虾所处的养殖水体，还是生物絮团内部的微环境水体，均需要一个适宜的pH值范围。一般情况下，对虾在pH值为7.8～9.2的水环境中生长较为适宜[1-4]。集约化养殖通常会产生大量的异养细菌，加上对虾本身的呼吸代谢产物可引起pH值急剧下降，不但影响养殖对虾的生长存活，还会抑制细菌微生态功能的发挥。微生物生态功能的失衡会导致氨氮、亚硝酸盐的积累，并引起水质的恶化，最终严重影响养殖对虾的摄食、生长和存活。因此，在生物絮团养殖对虾过程中，应该结合对虾的适应pH值范围，将养殖水体的pH值控制在弱碱性是比较理想的。
2.3 溶氧
溶氧是影响水产养殖最重要的因素之一，养殖水体中溶氧含量的高低，直接影响生物絮团中生物群落的组成结构。生物絮团中的异养细菌属于好氧菌，其生长繁殖需要充足的氧气供应，任何厌氧状态的出现不但会对其正常生长繁殖产生重要的影响，而且还会促进厌氧菌的繁殖[1-4]。另外，在较高的溶氧条件下，生物絮团结构趋向更加紧凑和稳定，其作用活性更加强大，但并没有证据证明溶氧高低与絮团粒径大小之间存在直接的相关性。另外，水产养殖动物的生长特性及其耐药性，很大程度上也取决于水体中溶氧的高低。因此，在养殖系统中需要设置充分的增氧设备，适当的增氧可满足生物呼吸需求；还能促使生物絮团悬浮和二氧化碳挥发[1-4]。除此之外，曝气也是增加溶氧的手段，曝气可以促进底层水体和表层水体间的充分混合，达到养殖水体各层面溶氧的均一性，合理的曝气装置还可以达到控制絮团老化的目的[1-4]。溶氧的多少不仅影响生物体的新陈代谢，还影响生物絮团的结构，因此，控制水体中的溶氧对健康养虾至关重要。
2.4 碳源
异养细菌在生物絮团中发挥关键性的作用，其生长、繁殖需要充分的碳源供给。生产实践中，碳源有若干类：第一类为单糖或较易被分解的含糖化合物，如葡萄糖、果糖、蔗糖、糖蜜等含糖化合物；第二类的碳源难以或者不能直接被异养菌利用，但会随着时间推移而被异养菌缓慢降解和吸收，如木薯粉、小麦粉、玉米粉、稻壳、竹子等。第三类碳源称为发酵碳源，把小麦秸秆、麦麸、花生粕、豆粕、稻壳等按照一定的比例投加到发酵罐中，接上特定菌种经发酵后，将发酵液用作碳源，投放到水体用于生物絮团的培养。
有机碳源的选择在很大程度上决定生物絮团的组成，这决定聚合物的数量和类型，另外还有就是有机碳源的成本也是实践中选取的决定性因素。因此，在选取有机碳源的时候，往往选取其他产业的副产物。Ekasari等用糖蜜、木薯淀粉、木薯淀粉—副产物和米糠4种碳源研究生物絮团中南美白对虾的存活和生长特性，发现木薯淀粉—副产物具有最高的存活率，而生长速率和蛋白转化率为木薯淀粉为碳源的生物絮团系统中最高。除了选择合适的碳源之外，最佳碳源量的添加量也尤为重要。高磊发现，以蔗糖为碳源时，碳源添加量为日饲料投喂量的75%时，南美白对虾（养殖密度150 尾/m2，体长1.3±0.1 cm）生长的最佳。邓应能也得到了类似的结果：南美白对虾封在闭养殖试验中，蔗糖添加量为日饲料投喂量的77%为最好，生物絮团稳定性最佳。Hari等则表明，碳源添加量与饲料投喂量以及饲料中蛋白含氮量相关，以公式形式表现为：碳源添加量=饲料投喂量×饲料蛋白含氮量×50%/0.05。因此，最适碳源以及最佳碳源添加量需要根据具体的生产条件而做出最佳的组合。
2.5 C/N比
C/N比是指在养殖水体内，总有机碳与总溶解氮的比值。Bakar等指出C/N比在15左右时，能很好地稳定生物絮团系统。C/N比<10时，异养微生物主要利用水体中的有机氮源，氮的氨化作用会使水体中氨氮量增加；C/N比>10时，养殖系统中的无机氮被异养微生物利用，氨可以被消耗。Avrimelech认为，可用C/N比来调控异养微生物生长，C/N比达到10以上，异养微生物可以稳定生长与繁殖[1-4]。在生物絮团构建过程中，合理的 C/N比是控制有毒氮类浓度的有效途径，提高C/N比到12～15，将会有利于异养菌同化氨氮过程。提高C/N比的方法主要有2种：一是往养殖水体中添加有机碳源，另一种是降低配合饲料中蛋白含量。一般情况下，要使C/N比达到10以上，配合饲料中碳源是远远不够的，需要人为添加碳源。
3 生物絮团技术在对虾养殖中的应用
3.1 调控水质
生物絮团对养殖水环境的有害物质的清洁作用，主要是通过吸收、利用和转化养殖水环境中的氮元素，可以说是对氮元素的循环利用过程，通过自养微生物硝化作用、异养微生物的氨化等过程迅速吸收养殖水体中的氨氮、亚硝酸盐等物质，合成细菌自身蛋白物质，从而达到少换水或者说零换水的目的。这样，大大减少了传统养殖的大排放水，极大减少了水资源的浪费和交叉污染。当通过人工合理添加碳源使养殖水体中的C/N比≈10时，可使水体中异养微生物大量生长繁殖形成生物絮团，可明显降低水体中的亚硝酸盐、氨氮、COD。Zhou等在研究益生菌在南美白对虾幼虾养殖过程中的水质调控作用时取得了良好效果[1-4]。Crab等通过生物絮团技术清理养殖水体中的氮素，获得良好水产产量。Wang等研究发现，当生物絮团中的C/N比达到15时，能显著降低养殖水体中的氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的浓度。Avnimelech研究表明，微生物改善了水质，提高了控制无机氮功能的预知性、有效性和可靠性。
3.2 生物防治，减少病害
生物絮团养殖系统是一个独立的小型微环境，减少了池塘和外界水体的交换，最大程度上降低了外界病原菌通过排换水交叉感染的可能性。在生物絮团系统中，异养细菌数目通常可达到107～108个/mL，甚至可高达1012个/mL 。这些高密度的有益菌不仅可以有效抑制有害病原菌的生长繁殖，而且可以分泌一些抑菌因子（如细菌素、铁载体、蛋白酶等）抑制致病微生物的生长。Defoirdt等发现可以通过信号分子来控制有益菌表达、分泌毒力因子，从而降低了对虾被致病菌感染的几率[1-4]。Zhao等研究表明，接种芽孢杆菌的生物絮团能显著地降低对虾养殖水体中的弧菌数量。同时，生物絮团中微生物特殊成分PHB也激起了学者们的研究兴趣。Thanardkit等研究发现，给南美白对虾投喂多糖可以显著的增加对虾血细胞数目和血浆的溶菌酶活力，生物絮团和它附带的微生物群落对南美白对虾消化酶活力有促进作用。Ferreira从生物絮团中分离细菌，发现革兰氏阳性的芽孢杆菌对南美白对虾健康生长和维护是非常重要的，可以作为益生菌或是在集约化养殖系统中用于生物防治。
3.3 促生长
投放到水体中的饲料蛋白物质，小部分被对虾利用，大部分沉积池底，既浪费饲料蛋白，又增加养殖成本。研究人员分别利用N15及C13标记絮团物，发现这些微生物絮团物的确可以被对虾摄食利用，并且蛋白利用率高达65%，远远超过传统非集约化对虾养殖池塘的25%[1-4]。因此，在集约化对虾养殖系统来说，投喂低蛋白含量饲料，同时投加适宜比例的碳源，与投喂高蛋白饲料有同样的养殖效果，且污染小。生物絮团形成后，可被对虾摄食利用并转化自身蛋白质，饵料反复被利用，使饲料粗蛋白降低24%～31%，降低了生产成本，饵料系数从2.2降为2.0。生物絮团还含有多种生物活性成分，包括PHB、类胡萝卜素、多糖类、叶绿素、植物甾醇等，能促进对虾的生长。其中的PHB，生物絮团干物质中含量接近16%，可以促进对虾的存活和生长。另一方面，生物絮团作为生态饵料，可以进入养殖动物的食物链，促进投入饲料营养物质的循环利用，从而提高饲料利用率。Xu and Pan研究认为，生物絮团可能会以某种方式增强对虾消化酶活性或者促进消化酶的分。Verschuere等发现，絮团中的有益菌能促使对虾肠道菌群平衡，从而提高了饲料利用率。Cardona通过在普通水中投饵、生物絮团系统中投饵以及生物絮团中不投饵3种养殖模式研究了蓝对虾（Litopenaeus stylirostris）的生长情况，结果发现生物絮团系统中对虾的生物量是普通水中的4.4倍，生物絮团技术明显促进了对虾生长。
3.4 增强免疫力
在生物絮团形成过程中，其中的益生菌可增强对虾免疫力，这是生物絮团系统的又一个重要特性，学者Crab等发现对虾摄食絮团中的细菌后，能增强对虾的免疫力，推测絮团中的细菌分泌了某种胞外免疫刺激物，被对虾摄食后，促进了免疫防御能力。研究表明，生物絮团中的益生菌促进对虾免疫能力的作用机理，可能是这类细菌进入对虾肠道后通过代谢物或表面抗原刺激对虾的免疫系统，同时其与有害菌竞争营养和附着位点，保护对虾免受病原菌的侵染，进而增强非特异性免疫[1-4]。Zhou等研究也发现将益生菌应用到南美白对虾养殖能显著改善对虾的存活率。Kim等发现生物絮团对对虾的免疫调节还受到絮团浓度的影响，合适的浓度能促进对虾免疫调节基因的表达，同时增强溶菌酶活性，提高细胞抗氧化性能。Ekasari等研究表明，生物絮团系统中添加适当的碳源能改善对虾提高酚氧化酶和呼吸爆发的活性，提高对虾的免疫能力，当对虾感染传染性肌肉坏死病毒（IMNV）时，死亡率明显低于对照组。
4 面临的问题展望
生物絮团技术以其独特的原位微生物水处理技术理念，在水质调控、生态营养、生物防控等方面显示出了巨大的发展前景。尤其是生物絮团技术的应用，不仅减轻了对水资源的消耗，而且提高了对虾养殖的经济效益和食品安全性，为新的生态健康对虾养殖注入了新的血液。
生物絮团技术发展迅速，不断得到大家的认可，但是要进入广泛的生产应用仍有一段距离，而且也存在一定的局限性。如，Esparza-Leal将南美白对虾虾苗饲养42 d，结果显示对虾在清水中的最终平均体重和特定生长率（SGR）均高于生物絮团中，一些基础研究需要继续探索。
首先，生物絮团微生物群落结构以及活性的调控还不完全明确。生物絮团结构复杂，其中微生物多样性和组成需深入研究，微生物群落的动态变化和活性稳定等方面的研究有待完善。其次，该新兴的水产技术缺乏完整的操作性技术指导。不同的水质和环境以及不同的养殖品种，对生物絮团的形成和维护是有不同的要求的，所需技术含量较高，在实践生产中难以得到推广，因此需要细化成册。第三，生物
絮团养殖系统养殖生物的局限性。目前该项技术只在对虾、罗非鱼、鲫鱼、鲶鱼等适应较高浑浊度的水体的物种中得到应用，能否推广其他水生动物的养殖，是有待开发的课题。第四，生物絮团的控制和维护繁琐。生物絮团中的微生物也面临老化问题，老化絮团会沉积并促使厌氧菌生长，如何方便移除老化细菌以及防止生物絮团老化也有待深入研究。
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