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關(guān)于生物絮團技術(shù)研究進(jìn)展及其對水產(chǎn)養(yǎng)殖的作用解析
高密度精養(yǎng)是目前我國最主要的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，其高產(chǎn)量的獲得以提高放養(yǎng)密度和增加配合餌料投喂為前提［1 －3］，水產(chǎn)動物對飼料蛋白質(zhì)的利用率很低，僅為 20% ～25%，多余的有機物質(zhì)不斷積累，產(chǎn)生氨態(tài)氮、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)，污染水體［4 －5］。研究顯示，養(yǎng)殖對蝦每增長 1kg，消耗的清潔水源約為 20t，養(yǎng)殖魚類每增長 1kg，消耗的清潔水源約為 2 ～10t［6 －7］，為此，探索一種新的養(yǎng)殖方式，以期解決水質(zhì)污染，餌料利用率低等問題具有重要意義。當(dāng) 前，生 物 絮 團 技 術(shù) ( Biofloc Technology，BFT) 被認(rèn)為是一種較為有效的水處理技術(shù)，不但可以解決養(yǎng)殖過程中出現(xiàn)的水質(zhì)問題，大大減少換水，還能夠提高餌料蛋白的利用率，降低養(yǎng)殖成本，此外，生物絮團技術(shù)還具有生物防控作用，可以提高養(yǎng)殖成活率［8 －9］，為養(yǎng)殖業(yè)向著高效、安全、清潔、健康發(fā)展提供了新的技術(shù)支撐。本文將從生物絮團技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究背景、概述、影響因素和對水產(chǎn)養(yǎng)殖的作用幾方面進(jìn)行綜述。
1、生物絮團技術(shù)的研究背景
20世紀(jì)70年代，由法國太平洋中心海洋開發(fā)研究所最早提出生物絮團技術(shù)的原型，并實施于斑節(jié)對蝦( Penaeus monodon) 、凡納濱對蝦( Litope-naeus vannamei) 和南美藍(lán)對蝦( Litopenaeus styliros-tris) 的養(yǎng)殖當(dāng)中［10 －11］; 1982 年，Steve Serfling 設(shè)計的生物絮團養(yǎng)殖系統(tǒng)使得羅非魚 ( Oreochromisniloticus) 的養(yǎng)殖年產(chǎn)量達(dá)到 1500t，每 d 僅換水1%［12］; 1999 年，以色列學(xué)者 Avnimelech 在羅非魚養(yǎng)殖過程中，通過向水體中添加碳源控制碳氮比( C/N) ，促進(jìn)生物絮團形成，顯著提高了羅非魚的成活率，并有效清潔養(yǎng)殖水體，正式系統(tǒng)地提出了生物絮團技術(shù)的反應(yīng)機制理論，極大推動了生物絮團技術(shù)的快速發(fā)展［13］。
2、生物絮團技術(shù)概述
生物絮團技術(shù)是通過向養(yǎng)殖水體中添加碳源提高碳氮比( C/N) ，促進(jìn)異氧微生物大量繁殖，結(jié)合水體中的細(xì)菌群落、浮游動植物、有機碎屑等形成絮團，絮團中的微生物群落同化吸收水體中的無機氮和有機碳等，轉(zhuǎn)化而來的菌體蛋白又可作為水產(chǎn)動物的餌料，從而達(dá)到凈化水質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)再利用的雙重目的［14 －17］。
3、影響生物絮團形成的因素
Avnimelech 等認(rèn)為，生物絮團技術(shù)需要不停地補充碳源、曝氣和攪動水體，消耗氧氣以促進(jìn)微生物的生長并使得絮團懸浮于水體中，同時需要投入適合的 C/N，以調(diào)節(jié)水質(zhì)［13，18 －19］。因此，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，主要的影響因素有以下幾種:
3．1、碳氮比( C / N)
碳氮比( C/N) 指水體中總有機碳與總?cè)芙鈶B(tài)氮的比值，對生物絮團的形成至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng) C/N 低于 10 時，水體中水體中自養(yǎng)微生物和異氧微生物共同作用，異氧微生物主要利用有機氮源，使氨氮增加; C/N 大于 10 時，異氧微生物發(fā)揮主要作用，利用水體中的無機氮，消耗氨。所以理論上，碳氮比越高，殘留的氮越少，然而，浮游植物的生長也需要無機氮，因此需要研究最適合的碳氮比，既能降低氨態(tài)氮又不影響浮游植物的生長繁殖［20 －22］。一般，異氧微生物自身元素組成碳氮比約為 4 ～5，當(dāng)同化一份氮需要消耗 4 ～5 份有機碳，而微生物利用有機碳的同化效率約為 50%，假設(shè)碳水化合物中碳含量為 50%，那么根據(jù)公式:
微生物需要碳 = 碳水化合物 × 碳水化合物含碳量( %) × 轉(zhuǎn)化率得出異氧微生物每同化水體中 1 份氮，需要消耗的碳水化合物約為 16 ～ 20 份［16，20 －21］。只有提供足夠的碳源，才能實現(xiàn)自養(yǎng)微生物系統(tǒng)向異氧微生物系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，才有可能形成生物絮團。
3．2、有機碳源
異氧微生物利用水體中的有機碳源和氮，實現(xiàn)自身繁殖，研究表明，1g 碳水化合物約能產(chǎn)生 0． 4g細(xì)菌干細(xì)胞［21］。養(yǎng)殖水體一般有機碳源不多，需要額外添加。常用碳源有簡單碳水化合物: 葡萄糖、蔗糖、果糖、糖蜜等; 復(fù)合碳水化合物: 米糠、淀粉、木薯粉、麥麩等谷物。碳源的選擇需結(jié)合實際需要，且不同的碳源類型不但影響水體微生物的種類，也會導(dǎo)致污泥出現(xiàn)不同的底物代謝特性［23 －24］。
3．3、曝氣和攪拌
通過曝氣和攪拌來提供充足的溶解氧是異氧微生物生長繁殖所必需的，且對絮團的形成至關(guān)重要，其次，曝氣和攪拌可以使生物絮團懸浮，不沉積，不形成死角。Wilen ＆ Balme 發(fā)現(xiàn)高溶氧條件下，生物絮團結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，作用活性更加強大［25］。另有研究顯示，對蝦養(yǎng)殖池塘需要配備 15KW/hm2功率的充氧裝置，而在集約化羅非魚養(yǎng)殖池塘需要配備75KW / hm2功率的充氧裝置［26］。
4、生物絮團技術(shù)對水產(chǎn)養(yǎng)殖的作用
4．1、生物絮團技術(shù)實現(xiàn)養(yǎng)殖水體自主清潔
生物絮團技術(shù)實現(xiàn)養(yǎng)殖水體自主清潔的關(guān)鍵在于絮團對氮元素的循環(huán)利用。養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖生物新陳代謝，殘餌和糞便不斷積累，氨氮、亞硝酸氮等物質(zhì)不斷積累，導(dǎo)致水質(zhì)不斷惡化。生物絮團能夠?qū)崿F(xiàn)三種途徑同時作用處理氨氮: 藻類的光合吸收作用; 自養(yǎng)微生物的硝化作用; 異氧微生物的同化作用。在有充足有機碳源和適合C / N 比條件下，異氧微生物最先利用氨氮，2006年，Hargreaves 等發(fā)現(xiàn)異氧微生物形成的生物絮團對氨氮的轉(zhuǎn)化速率高于水體中硝化細(xì)菌作用速率，可以快速降低水體中的氨氮濃度［18］。
4．2、生物絮團技術(shù)實現(xiàn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)再利用
飼料中約 10 ～20% 的氮未被養(yǎng)殖動物攝食直接溶解到養(yǎng)殖水體中，約 75 ～80%的氮以糞便和代謝物的方式排入水體，僅有約 20 ～25%的氮被養(yǎng)殖動物吸收，用于生長［17］。1995 年，Moss ＆ Pruder 研究發(fā)現(xiàn)，生物絮團可以被養(yǎng)殖生物食用，減少了飼料投喂量［27］。2007 年，Avnimelech 用 15N 標(biāo)記證實生物絮團技術(shù)節(jié)約羅非魚生長過程近 50＆ 的飼料蛋白［28］。Burford 等用15N 標(biāo)記，研究發(fā)現(xiàn)，凡納濱對蝦日常攝食的 18 ～ 29% 的 N 來源于生物絮團［29］。絮團的干物質(zhì)中，粗蛋白質(zhì)的含量超過50% ，粗脂肪含量為 2． 5% ，纖維含量為 4% ，灰分為7% ，是雜食性和濾食性魚類較好的餌料［16］，且生物絮團包括多種生物活性物質(zhì)，如葉綠素、胡蘿卜素、氨基糖等，均能增強養(yǎng)殖動物的生理健康水平。
4．3、生物絮團技術(shù)實現(xiàn)對養(yǎng)殖生物的生物防治
研究顯示，應(yīng)用生物絮團技術(shù)可以提高養(yǎng)殖生物的成活率，具有生物防治的作用。Crab 等用甘油作碳源，形成的生物絮團可以抑制哈維氏菌［30］。Defoirdt 等( 2005) 研究發(fā)現(xiàn)，生物絮團可以降低發(fā)光弧菌對鹵蟲的感染率，提高鹵蟲成活率從而減少其對養(yǎng)殖動物的危害，減少疾病的發(fā)生［31］。生物絮團中微生物與病原菌競爭生存空間、營養(yǎng)物質(zhì)，從而抑制病原菌的生長和繁殖。
5、需要注意的問題
任何技術(shù)都不能完美，生物絮團技術(shù)也有一定的弊端。添加有機碳源會極大地促進(jìn)異氧微生物增殖，形成大量細(xì)菌污泥，如果不能很好控制，將會影響?zhàn)B殖生物的正常生長。養(yǎng)殖系統(tǒng)中大量的微生物呼吸需要充足的溶解氧，以及外力保持絮團的懸浮，絮團越多需要的溶解氧越多，研究顯示，懸浮顆粒物濃度控制在200 ～500mg/L，足以維持系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，當(dāng)懸浮顆粒物濃度在100 ～300mg/L 范圍內(nèi)，養(yǎng)殖動物攝食活性最佳［32 －33］，所以在應(yīng)用生物絮團技術(shù)時，需要及時移除過多的絮團顆粒，以防超出系統(tǒng)負(fù)荷。在系統(tǒng)中硝化類細(xì)菌發(fā)展成熟并穩(wěn)定后，可以停住有機碳源的添加，系統(tǒng)自然轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)微生物為主的養(yǎng)殖模式，且氨氮、亞硝酸氮不會激增。
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