李志斐，王金林，郁二蒙，王廣軍，謝 駿

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部熱帶亞熱帶水產(chǎn)資源利用與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510380）

生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)處理水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的研究進(jìn)展

李志斐，王金林，郁二蒙，王廣軍，謝 駿

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部熱帶亞熱帶水產(chǎn)資源利用與養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510380）

生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)是利用附著生長(zhǎng)于某些基質(zhì)表面的微生物進(jìn)行水質(zhì)修復(fù)的一種方法。介紹了生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用情況，闡述了生物膜的形成過(guò)程以及影響生物膜形成的因素，包括基質(zhì)類型、放置密度及水體C/N等，并探討了生物膜處理養(yǎng)殖廢水對(duì)池塘生態(tài)環(huán)境和水產(chǎn)產(chǎn)量的影響。最后，展望了生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的應(yīng)用前景和未來(lái)研究趨勢(shì)，并指出生物膜技術(shù)是一種提高水產(chǎn)產(chǎn)量、凈化水體、減少養(yǎng)殖廢水排放的有效方法。

生物膜；水產(chǎn)養(yǎng)殖；水質(zhì)修復(fù)；密度；綜述

水產(chǎn)集約化養(yǎng)殖過(guò)程中，由于養(yǎng)殖密度大、餌料投入量高等易引發(fā)水質(zhì)惡化、病害頻發(fā)等問(wèn)題，目前主要的處理方法是大量換水，由此產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖廢水。這些廢水直接排放到臨近水域，導(dǎo)致污染擴(kuò)散、水環(huán)境惡化、水域富營(yíng)養(yǎng)化等一系列問(wèn)題[1]。為了降低水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)的環(huán)境污染，確保水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，迫切需要尋求一種處理養(yǎng)殖廢水的技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，在集約化養(yǎng)殖過(guò)程中引入生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，能較好地凈化養(yǎng)殖廢水[2-4]，為水產(chǎn)生態(tài)友好養(yǎng)殖提供了一條新途徑。

研究表明，生物膜可以改善養(yǎng)殖水質(zhì)，通過(guò)聚集養(yǎng)殖水體中的固體懸浮物、有機(jī)質(zhì)、細(xì)菌、藻類和原生動(dòng)物等，吸收、同化水體中的游離態(tài)氮，轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖動(dòng)物可以重新吸收利用的蛋白來(lái)源，有效降低養(yǎng)殖水體中的氨氮含量[5]。Huang等[6]在南美白對(duì)蝦集約化養(yǎng)殖池塘中應(yīng)用生物膜的原位水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生物膜的使用能顯著降低養(yǎng)殖水體中的氨氮含量。其次，生物膜還能為養(yǎng)殖動(dòng)物提供額外的天然餌料，降低飼料系數(shù)，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量[7-8]。Haque等[9]在羅氏沼蝦的集約化養(yǎng)殖中應(yīng)用生物膜的原位水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)由于生物膜為對(duì)蝦的生長(zhǎng)提供了額外的天然食物，獲得了比傳統(tǒng)高密度養(yǎng)殖更好的養(yǎng)殖效果。夏耘等[10]在草魚(yú)高密度養(yǎng)殖池塘中，使用生物膜原位水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生物膜的應(yīng)用有效促進(jìn)了草魚(yú)的生長(zhǎng)，降低了飼料系數(shù)。筆者就近幾年生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用效果作簡(jiǎn)要綜述，以期為生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 生物膜的概念

總體來(lái)講，生物膜是一種復(fù)雜的微生物聚集體，除了水和細(xì)菌以外，還含有細(xì)菌分泌的胞外聚合物、吸附的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物及細(xì)菌裂解產(chǎn)物等[11]。環(huán)境中的細(xì)菌首先在基質(zhì)載體上附著，隨后細(xì)菌會(huì)分泌大量粘性胞外聚合物，胞外聚合物促使細(xì)菌大量生長(zhǎng)繁殖，不斷吸收環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，又不斷產(chǎn)生新的代謝產(chǎn)物，其中死亡的細(xì)菌裂解之后也會(huì)產(chǎn)生一些物質(zhì)，以上這些物質(zhì)和細(xì)菌一起逐漸形成一類聚集體，即生物膜，廣泛存在于自然界中[12]。

2 生物膜的形成

單一菌種可以形成生物膜，多菌種也可以形成生物膜。單一菌種形成的生物膜為均質(zhì)生物膜，多菌種形成的生物膜（自然界大部分都是的）為蘑菇云形態(tài)的生物膜。在“蘑菇云”生物膜中，不同時(shí)間空間條件下細(xì)菌間經(jīng)常交替演變。Houdt等[13]觀察發(fā)現(xiàn)，生物膜的形成過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，過(guò)程大體包括細(xì)菌起始粘附、生物膜粘附期、生長(zhǎng)期、成熟和脫落期等階段，而附著細(xì)菌在生物膜形成過(guò)程中的生理生化特性也是動(dòng)態(tài)變化的。

（1）粘附期。George等[14]在研究細(xì)菌生物膜形成的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)粘附是細(xì)菌形成生物膜的第一步，浮游細(xì)菌首先粘附到基質(zhì)表面，基質(zhì)表面生物膜開(kāi)始形成，這個(gè)階段很多菌體還可以重新進(jìn)入浮游生活狀態(tài)，也就是說(shuō)粘附這一過(guò)程是可逆的。

（2）生長(zhǎng)期。細(xì)菌在基質(zhì)載體上附著后，開(kāi)始大量生長(zhǎng)繁殖并分泌大量胞外多聚物，此時(shí)細(xì)菌對(duì)基質(zhì)載體表面的粘附是穩(wěn)定的、不可逆的。胞外多聚物可粘結(jié)單個(gè)細(xì)菌而形成細(xì)菌團(tuán)塊，即大量微菌落的不斷堆積使生物膜加厚。

（3）成熟期。Sauer等[15]在分析銅綠假單胞菌生物膜形成過(guò)程中的多個(gè)表型時(shí)發(fā)現(xiàn)，成熟的生物膜具有復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)。在激光共聚焦顯微鏡下，自然形成的成熟生物膜是非均勻的，它由堆狀或類似蘑菇云狀的細(xì)菌群落組成，在這些細(xì)菌群落之間存在大量的“通道”，可以把代謝產(chǎn)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和排出的廢物等運(yùn)送到生物膜的各處。

（4）脫落期。Stoodley等[16]在論證成熟生物膜中細(xì)胞簇的生長(zhǎng)和脫落時(shí)認(rèn)為，成熟生物膜會(huì)通過(guò)部分脫落或者釋放浮游細(xì)菌等方式進(jìn)行擴(kuò)展，細(xì)菌重新以脫落或釋放的方式進(jìn)入水體環(huán)境中，并形成新的浮游細(xì)菌，進(jìn)而再次在基質(zhì)載體上附著形成新的生物膜。

3 影響生物膜形成的因素

3.1 基質(zhì)類型

在水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中，不同類型的基質(zhì)都可當(dāng)作生物膜的載體使用，用于改善養(yǎng)殖水質(zhì)，提高養(yǎng)殖品種的產(chǎn)量，如竹子、尼龍網(wǎng)、聚氯乙烯（PVC）管、塑料、阿科蔓生態(tài)基和人工聚合物等，不同基質(zhì)對(duì)養(yǎng)殖品種的增產(chǎn)效果見(jiàn)表1。Keshavanath等[17]在研究人工基質(zhì)對(duì)淡水草食性魚(yú)類養(yǎng)殖池塘產(chǎn)量影響時(shí)，分別利用竹子、聚氯乙烯管和甘蔗渣作為生物膜形成的基質(zhì)載體，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)類型對(duì)藻類的初級(jí)生產(chǎn)力及組成有極其顯著的影響，其中以竹子為基質(zhì)的養(yǎng)殖池塘，魚(yú)類的生長(zhǎng)最好，凈產(chǎn)量和藻類生物量最高。Azim等[18]在鯪魚(yú)混養(yǎng)系統(tǒng)中，比較了竹子、黃麻等人工基質(zhì)對(duì)孟加拉國(guó)淡水池塘漁業(yè)的增產(chǎn)效果，發(fā)現(xiàn)使用黃麻作為基質(zhì)的養(yǎng)殖池塘，養(yǎng)殖效益顯著高于其他處理。Khatoon等[19]在半咸水對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘中分別使用竹子、塑料片、PVC管、纖維刷和瓷磚作為生物膜形成的基質(zhì)載體，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)類型對(duì)細(xì)菌生物膜的定植生長(zhǎng)有明顯的影響，其中以竹子為基質(zhì)，其表面附著生物量最多，PVC管次之。由此可見(jiàn)，不同環(huán)境下，基質(zhì)類型對(duì)生物膜形成的影響不同，要為微生物的定植生長(zhǎng)找到一個(gè)合適的基質(zhì)，才能提高養(yǎng)殖池塘的產(chǎn)量。

3.2 基質(zhì)掛設(shè)密度

基質(zhì)懸掛密度是根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖情況而定的。Azim等[29]在放養(yǎng)了適宜密度南亞野鯪的土塘中，以竹子作為基質(zhì)載體，按基質(zhì)表面積與池塘水體表面比值將試驗(yàn)分為4個(gè)處理組，分別為無(wú)基質(zhì)（對(duì)照組）以及基質(zhì)表面積分別占池塘水體表面積50%、75%和100%的3個(gè)處理組，結(jié)果表明，總凈產(chǎn)量與基質(zhì)密度呈線性相關(guān)（R2=0.93），基質(zhì)表面積分別占池塘水體表面積為50%、75%和100%的處理組相對(duì)于對(duì)照組分別增產(chǎn)114%、168%和209%。然而由于基質(zhì)本身的遮光效果，容易引發(fā)附著生物膜的脫落，尤其是非藻類的懸浮固體，導(dǎo)致水體渾濁，影響水體透明度，最終研究得出的結(jié)論：池塘產(chǎn)量隨著基質(zhì)表面積的增加而呈線性增加，基質(zhì)掛設(shè)量為覆蓋池塘水面面積100%的池塘增產(chǎn)最好。Pinho等[30]將基質(zhì)掛設(shè)密度與養(yǎng)殖密度關(guān)聯(lián)在一起，研究基質(zhì)掛設(shè)密度和放養(yǎng)密度對(duì)小鋸蓋魚(yú)生長(zhǎng)和健康狀況的影響，發(fā)現(xiàn)在不同放養(yǎng)密度下，掛設(shè)基質(zhì)沒(méi)有影響小鋸蓋魚(yú)的生長(zhǎng)。

表1 不同基質(zhì)類型對(duì)養(yǎng)殖品種產(chǎn)量的影響

3.3 水環(huán)境C/N比

在養(yǎng)殖系統(tǒng)中，細(xì)菌及藻類是氨氮化合物的主要吸收與轉(zhuǎn)化者[31]。但是，細(xì)菌將養(yǎng)殖水體中的氨氮化合物轉(zhuǎn)化為菌體成分這一過(guò)程只發(fā)生在C/N大于10的環(huán)境中[32-33]。養(yǎng)殖過(guò)程中使用蛋白含量為30%的商品飼料，其C/N約為10︰1，而隨著飼料中蛋白質(zhì)含量的增加，C/N將逐漸降低。因此，外源碳源添加量將大大限制生物膜中細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，從而制約細(xì)菌對(duì)氨氮化合物的吸收降解，導(dǎo)致氨氮化合物濃度升高，影響生物膜對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)的修復(fù)。Asaduzzaman等[21]在生物膜系統(tǒng)中混養(yǎng)羅非魚(yú)和羅氏沼蝦，將木薯粉作為碳源添加到養(yǎng)殖池塘中調(diào)節(jié)碳氮比，以不添加碳源的生物膜系統(tǒng)作為對(duì)照，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，碳源處理組的總異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量顯著增加，水體中氨氮濃度顯著低于對(duì)照組。Haque等[10]將玉米粉當(dāng)作碳源，在生物膜系統(tǒng)中混養(yǎng)羅氏沼蝦和尼羅羅非魚(yú)，研究添加碳源對(duì)混養(yǎng)系統(tǒng)池塘的生態(tài)環(huán)境和產(chǎn)能的影響，發(fā)現(xiàn)使用玉米粉提高C/N比（20︰1）可顯著提高混養(yǎng)系統(tǒng)中養(yǎng)殖水體的總異養(yǎng)細(xì)菌量和淡水蝦產(chǎn)量。

3.4 其他影響因素

生物膜的形成過(guò)程與其所在的水體環(huán)境密切相關(guān)。Bryers等[34]認(rèn)為，生物膜形成過(guò)程中，溫度、pH值、離子強(qiáng)度等環(huán)境條件以及微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)條件等都會(huì)影響細(xì)菌細(xì)胞表面的組成及胞外特性，從而影響細(xì)菌與細(xì)菌以及細(xì)菌與載體的粘附，對(duì)生物膜的形成產(chǎn)生影響。此外，戚韓英等[35]在研究生物膜形成機(jī)理及影響因素時(shí)認(rèn)為，影響水體中生物形成的因素包括基質(zhì)材料性質(zhì)和細(xì)菌細(xì)胞表面物化性質(zhì)2個(gè)方面。

4 生物膜的應(yīng)用研究

4.1 生物膜對(duì)池塘生態(tài)環(huán)境的影響

生物膜原位修復(fù)技術(shù)，去污能力強(qiáng)、維護(hù)成本低，已被廣泛應(yīng)用于養(yǎng)殖水體的修復(fù)領(lǐng)域[20-25]。生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)能夠有效地降低污染水體中的氨氮濃度，使水體中的氨氮保持在較低水平。這是因?yàn)樯锬ど细街L(zhǎng)的藻類和細(xì)菌是養(yǎng)殖水體中氨氮化合物的主要吸收者和轉(zhuǎn)化者[31]；其中，藻類通過(guò)光合作用，吸收氨氮轉(zhuǎn)化為藻類自身組成成分，或者將其轉(zhuǎn)化為氨基酸釋放到周圍環(huán)境中[36]；氮循環(huán)細(xì)菌（如亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌）通過(guò)一系列協(xié)同作用將氨氮以氮?dú)獾男问脚懦鲳B(yǎng)殖系統(tǒng)；異養(yǎng)細(xì)菌通過(guò)同化作用，吸收氨氮轉(zhuǎn)化為細(xì)菌的菌體組成成分[37]。通過(guò)這3種途徑，達(dá)到共同降低養(yǎng)殖水體中氨氮水平的目的。Carlos等[38]以阿科蔓為生物膜附著基質(zhì)，研究了生物膜對(duì)凡納濱對(duì)蝦幼體生長(zhǎng)及水質(zhì)的影響，他認(rèn)為在養(yǎng)殖水體的生物修復(fù)過(guò)程中，不同的微生物群落可能共同作用于養(yǎng)殖系統(tǒng)，促進(jìn)養(yǎng)殖水體中的氮轉(zhuǎn)化，如浮游植物的自養(yǎng)作用（藻類為主）、自養(yǎng)和異養(yǎng)細(xì)菌的同化作用等共同影響水質(zhì)參數(shù)（包括氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽含量）。

其次，生物膜有助于降低養(yǎng)殖系統(tǒng)中的含磷化合物含量。在水環(huán)境生物膜系統(tǒng)中，可通過(guò)2條途徑去除水體中的磷。一方面，游離的細(xì)菌、藻類和水生植物可吸收磷。Mccormick等[39]研究表明，無(wú)論是附著在基質(zhì)中還是游離在水體中，生物藻類對(duì)磷的吸收均有天然的親和力。細(xì)菌和藻類被底棲動(dòng)物或魚(yú)類所攝食后，最終被固定在魚(yú)體內(nèi)，將磷從水中去除。另一方面，生物膜上附著的細(xì)菌（例如聚磷菌）也可高效吸收水體中的磷，并將其同化為自身結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的礦化組織[40]，伴隨著生物膜的自然剝落沉積在底泥中。生物膜較大的表面積，對(duì)水體中有機(jī)物也具有一定的吸附作用。隨著生物膜的生長(zhǎng)，微生物量逐漸增大，大量消耗水體中的有機(jī)質(zhì)，降低水中的COD含量[41]。

4.2 生物膜對(duì)池塘產(chǎn)量的影響

在利用生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行魚(yú)類養(yǎng)殖的過(guò)程中，魚(yú)類產(chǎn)量因基質(zhì)類型、養(yǎng)殖模式、環(huán)境因素等影響而變化[23]。研究顯示，生物膜上的微生物群體能有效去除魚(yú)類及蝦類養(yǎng)殖池塘廢水中的氨氮[9]。應(yīng)用生物膜凈化之后得到的低污染水體，能在低成本及低能量消耗的情況下提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量，促進(jìn)養(yǎng)殖品種的生長(zhǎng)、提高飼料轉(zhuǎn)化率及成活率[42]。Bratvold等[43]以阿科蔓生態(tài)基為基質(zhì)材料，在凡納濱對(duì)蝦集約化養(yǎng)殖池塘中，研究了生物膜對(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)、產(chǎn)量及微生物群落的影響，發(fā)現(xiàn)生物膜可顯著提高對(duì)蝦的個(gè)體均重、存活率及養(yǎng)殖產(chǎn)量。Asaduzzaman等[21]以竹子為生物膜載體，研究了生物膜對(duì)羅氏沼蝦養(yǎng)殖池塘生態(tài)及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)生物膜的使用可顯著減少無(wú)機(jī)氮化合物在水體中的累積，平衡浮游生物的數(shù)量，最大限度地提高對(duì)蝦的成活率及產(chǎn)量。Tidwell等[26]以塑料為生物膜載體，研究了生物膜對(duì)羅氏沼蝦養(yǎng)殖池塘產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)有生物膜的池塘比沒(méi)有生物膜的池塘產(chǎn)量提高了29%。然而，Weerasooriya等[44]以阿科蔓生態(tài)基為生物膜載體，并將其應(yīng)用于尼羅羅非魚(yú)幼苗養(yǎng)殖時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物膜的使用并沒(méi)有促進(jìn)尼羅羅非魚(yú)幼苗的生長(zhǎng)，也沒(méi)能提高其產(chǎn)量，且在投喂餌料的情況下生物膜的應(yīng)用還降低了尼羅羅非魚(yú)幼苗的產(chǎn)量和成活率。Arndt等[45]在虹鱒養(yǎng)殖試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物膜沒(méi)有促進(jìn)虹鱒個(gè)體生長(zhǎng)和虹鱒鰭條的生長(zhǎng)，只有在養(yǎng)殖中期才對(duì)虹鱒鰭條的生長(zhǎng)有短暫的促進(jìn)作用。由此可見(jiàn)，利用不同基質(zhì)作為生物膜的載體，對(duì)養(yǎng)殖系統(tǒng)產(chǎn)生的影響不同，但總體上看生物膜技術(shù)對(duì)魚(yú)類養(yǎng)殖產(chǎn)量有一定的提高作用。

5 展 望

集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境是一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，由于不斷地外源輸入投餌、施肥等，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體氨氮急劇增加，超出了水體的自我凈化能力，而采用換水的方法又極易對(duì)周圍環(huán)境造成污染。生物膜水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，由于其良好且穩(wěn)定的水質(zhì)改良效果，在將來(lái)水質(zhì)凈化再利用方面，具有很好的推廣應(yīng)用前景。然而，目前雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物膜的機(jī)理和作用做了大量研究，但許多機(jī)制方面的研究還不成熟，生物膜內(nèi)物質(zhì)循環(huán)、生物膜的群落結(jié)構(gòu)和功能以及影響生物群落的物理化學(xué)和生物學(xué)因素等方面的研究有待繼續(xù)深入探索。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Research Progress of Biofilms Bioremediation Technology in Aquaculture

LI Zhi-fei，WANG Jin-lin，YU Er-meng，WANG Guang-jun，XIE Jun
（Key Laboratory of Tropical & Subtropical Fishery Resource Application & Cultivation, Ministry of Agriculture, Pearl River Fishery Research Institute, Chinese Academy of Fisheries Sciences, Guangzhou 510380, PRC）

The bioflms bioremediation technology has been applied to protect ecological environment and decrease water pollution. The application of bioflms bioremediation technology in aquaculture has been introduced, including the effects of bioflms on the production and water quality. And the main infuencing factors of bioflm formation, including the type and density of substrates and C/N ratio, have been analyzed. Finally, the applying prospects of bioflms bioremediation technology in the aquaculture are summarized, and the bioflm technology probably can be considered as an effective method for increasing production of aquatic animals, improving water quality, reducing the emissions of pollutants in aquaculture.

bioflm; aquaculture; bioremediation; density; review

X524

：A

：1006-060X（2017）06-0111-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.006.032

2017-04-18

廣東省自然科學(xué)基金（2015A030313699）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃（2016A020210023）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）專項(xiàng)（201203083）

李志斐（1983-），男，河南內(nèi)黃縣人，助理研究員，主要從事池塘養(yǎng)殖環(huán)境修復(fù)研究。

謝 駿