生物絮团养殖中水质调控的碳源策略初探

姜艳霞 ，杨俊 ，管桂萍 ，李波 ，刘伯承 ，王慧 ，王红兵 *

（1.湖南省畜牧兽医研究所，湖南 长沙 410131；2.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128）

集约化高密度水产养殖水体中，大量饲料残渣及粪便不断积累，导致水体中的氨氮、亚硝酸盐等有害物质含量超标，不及时处理将会导致养殖对象中毒甚至死亡[1]。生产实践中常常采取频繁换水的解决方式，而养殖废水未经处理直接排放，会对自然环境造成极大的破坏，我国有72.72%的河段存在水体污染问题，因此解决水产养殖水体的循环利用问题迫在眉睫[2]。

生物絮团养殖（Bio-floc aquaculture, BFA）指通过向养殖水体中添加碳源物质，使异养细菌将养殖水体中富余的氮、磷等转化为菌体蛋白，与胞外产物、浮游生物以及各种有机碎屑形成絮团，供鱼虾采食。该技术可以达到少换水甚至不换水的目的，极大减少了水产养殖废水的产生，又可减少饲料的投入，降低饲养成本。同时异养微生物作为优势菌在水中繁殖，可抑制病原微生物的生长，减少鱼虾疾病的发生[3]。文献[4-6]分析了生物絮团养殖技术对水体中ρ（氨氮）和ρ（亚硝酸盐氮）等的影响，认为碳氮（C/N）比值在10~15 效果较好，可以促进微生物合成菌体蛋白，并有效去降低养殖水体ρ（氨氮）和ρ（亚硝酸盐氮）。当前针对C/N 比值和碳源种类选择的研究多停留在经验层面，对碳源供给策略的系统性研究不多，缺乏在不同碳源种类及梯度条件下，水体中各重要指标的变化趋势及污染物无害转化特性的研究。

目前，生物絮团养殖技术在罗非鱼、南美白对虾的养殖应用上已较为成熟[7]。在我国经济类水产中，鳙深受消费者的欢迎，年消费量超过200 万t[8]。鳙是一种滤食性经济鱼类，李朝兵[9]用生物絮团作为鳙的饲养饵料，发现絮团组的增长率和风味物质的含量均优于配合饲料组。因此将生物絮团养殖技术用于鳙养殖，具有较好的前景。

现在微生物絮团鳙养殖的水体中添加葡萄糖、蔗糖、糊精、红糖、糖蜜、乙酸钠6 种可溶性碳源，对比分析它们对水体 pH 值、ρ（溶氧）、ρ（氨氮）、ρ（亚硝酸盐氮）四项指标的影响，以探讨不同碳源对生物絮团鳙鱼养殖水体的影响及内在规律。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

ZHWY-200B 恒温培养振荡器（上海智城分析仪器制造有限公司），TGW16 高速离心机（长沙英泰仪器有限公司），LC30010066 pH 测试笔（上海力辰邦西仪器科技有限公司），JPB-607 A 便携式溶解氧分析仪（杭州齐威仪器有限公司），722 型可见分光光度计（上海恒平科学仪器有限公司）。

1.2 微生物的培养

微生物菌种为该研究组分离保存的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌，培养基均为LB 培养基：胰蛋白胨10 g、酵母提取物5 g 和氯化钠10 g。蒸馏水975 mL，pH 值为 7.4，121 ℃灭菌 20 min。将 200 mL培养基装入500 mL 锥形瓶，接种后置于37 ℃的恒温培养振荡器，200 r/min 震荡培养18 h，备用。

1.3 生物絮团的培养

取7 个同等规格的玻璃鱼缸，分别为6 个试验缸和1 个对照缸。分别装入50 kg 自来水，用恒温加热棒保持恒温28 ℃，用45 W 通气泵向每个鱼缸等量通气，每缸均加入50 mL 培养所得的菌液，再放入平均体质量2 g 的鳙25 条。每缸每天上、下午各投喂蛋白含量30%的鱼饲料1 g，4 d 后水体生物絮团开始形成。

1.4 试验

絮团形成3 d 后，养殖水体中积累了一定量的氨氮和亚硝酸盐氮。向6 个试验缸分别添加5 g 市售葡萄糖、蔗糖、糊精、红糖、糖蜜、乙酸钠，另外1个对照缸不做碳源添加处理。

1.5 采集水样与处理

每隔1 h 从试验缸中层取水样20 mL，用高速离心机12 000 r/min 离心2 min，去除水体中的生物絮团等大颗粒不溶性杂质。

1.6 检测方法

每隔1 h 检测1 次离心后的上清液里氨氮、亚硝酸盐氮含量，直至数值趋于稳定。每隔10 min 测1 次试验缸中pH 值与溶解氧。氨氮的测定参照《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535—2009），亚硝酸盐氮的测定参照《水质亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》（GB/T 7493—1987）。

1.7 数据处理

数据统计使用Excel，作图与方差分析使用GraphPad Prism8.0 软件，采用P<0.05 作为差异性显著的标准。

2 结果与分析

2.1 不同碳源对水体pH 值的影响

不同碳源对pH 值影响见图1，由图1 可见，生物絮团鳙养殖水体中分别添加葡萄糖、蔗糖、麦芽糊精、红糖4 种碳源后与对照缸相比差异明显（P<0.05），各鱼缸中pH 值基本都有下降的变化趋势，但添加糖蜜组与对照缸差异不具统计学意义，对pH 值的影响最小。在添加葡萄糖、蔗糖、麦芽糊精、红糖后70 min 内，pH 值下降较快，其中葡萄糖作为一种速效碳源，pH 值从 7.68 下降至7.25，下降趋势尤其明显。蔗糖和麦芽糊精引起的pH 值下降作用相对缓和，应该与葡萄糖可以被絮团中的微生物直接快速代谢为碳酸、乙酸和乳酸等小分子有机酸，从而引起pH 值下降有关，故添加葡萄糖的试验缸也是最早下降至pH 值最低点的。而蔗糖、红糖、麦芽糊精等还需进一步被降解为葡萄糖、果糖等单糖方能进一步参与代谢，故其对pH值的影响相对而言要平缓一些，这与各试验缸的pH 值下降幅度基本上一致。乙酸钠的使用总体而言会使pH 值上升，这是因为乙酸钠属于弱酸强碱盐，在水中水解产生氢氧根离子和乙酸根离子，作为碳源被异养微生物消耗掉乙酸根之后，碱性更强，致使水体的整体pH 值上升。

图1 不同碳源对pH 值的影响

2.2 不同碳源对水体溶氧量的影响

不同碳源对水体溶氧量的影响如图2 所示。葡萄糖、蔗糖、糊精、红糖、糖蜜、乙酸钠6 种碳源添加后，与对照缸相比具有明显差异（P<0.05），表明6种碳源添加后都会导致水体溶氧量的下降，其中葡萄糖、蔗糖、糊精、乙酸钠都会使水体的ρ（溶解氧）降至3.0 mg/L 以下，下降幅度超过25%。红糖和糖蜜添加后整体水体ρ（溶解氧）能够保持在3.0 mg/L 以上，所有试验碳源在添加后的40 min内，ρ（溶解氧）下降迅速，此后下降趋势趋于平缓，直到反弹回归正常值。葡萄糖30 min 内引起的ρ（溶解氧）从3.9 mg/L 快速下降至2.8 mg/L，趋势尤其明显。葡萄糖在氧气的参与下可以被微生物直接快速代谢利用，同时导致pH 值和ρ（溶解氧）快速降低。乙酸钠最低可将ρ（溶解氧）降至2.3 mg/L，在6 种碳源中其ρ（溶解氧）下降幅度最大，乙酸钠作为小分子有机质容易被微生物利用，对水体ρ（溶解氧）的影响机理与葡萄糖类似。

图2 不同碳源对ρ（溶解氧）的影响

2.3 不同碳源对水体氨氮含量的影响

方差分析表明，葡萄糖、蔗糖对水体ρ（氨氮）的影响较对照缸而言，具有统计学差异（P<0.05），如图3 所示。麦芽糊精、红糖、乙酸钠虽也能使水体中ρ（氨氮）下降，但与对照缸相比，不具有统计学差异（P>0.05）；糖蜜的作用与对照缸差异极不具统计学意义（P>0.05），对水体中的ρ（氨氮）转化没有什么效果。其中蔗糖、葡萄糖、糊精和乙酸钠可以降氨氮浓度，投加碳源5 h 后，水体ρ（氨氮）从 1.8 mg/L 左右下降至 0.1 mg/L，蔗糖转化氨氮的效率最高，葡萄糖次之，3 h 即可消除90%左右的氨氮；乙酸钠3 h 内降低氨氮的速度不及葡萄糖与蔗糖，而红糖转化氨氮的速度也相对较慢。糖蜜在降低ρ（氨氮）方面，与其对水体pH 值和ρ（溶解氧）的影响基本一致，没有表现出明显的效果，这可能与糖蜜组成复杂，含碳量相对较低有关。

图3 不同碳源对ρ（氨氮）的影响

2.4 不同碳源对水体亚硝酸盐氮含量的影响

方差分析表明，6 种碳源对ρ（亚硝酸盐氮）的影响与对照缸相比都不具有统计学差异（P>0.05）。不同碳源对ρ（亚硝酸盐）的影响见图4。由图4 可见，6 种碳源的添加都能起到降低水体ρ（亚硝酸盐氮）的作用，其中蔗糖对其转化效果最好，5 h 内，ρ（亚硝酸盐氮）从2.7 mg/L 下降至0.4 mg/L，亚硝酸盐氮去除率达到了85%；红糖次之，亚硝酸盐氮去除率可达50%以上，这应该与红糖中蔗糖占比高（88%以上）有一定关系，推测蔗糖分子结构或者代谢产物有利于亚硝酸盐氮被转化为菌体蛋白。由于养殖水体系建立才1 周，推测其硝化和反硝化路径应该还未建立。

图4 不同碳源对ρ（亚硝酸盐）的影响

3 讨论

整体来看，碳源的添加具有降低水体中的ρ（氨氮）、ρ（亚硝酸盐氮）的作用，这是因为添加碳源，能提高水体中C/N，有利于异养细菌生长，同化作用显著增强，水体中构成絮团的各种微生物可以有效利用碳、磷、氮合成自身的菌体蛋白，减少氨氮与亚硝酸盐氮的积累[10]。

可溶性碳源的定量添加会导致溶氧量的降低，这是因为异养菌在快速代谢过程中需要消耗大量氧气，导致水体的溶氧量下降。同时碳源参与代谢产生的小分子有机酸加上氨氮的快速消耗会导致水体pH 值下降。相比较来看，蔗糖在该研究中转化氨氮和亚硝酸盐氮的效果最佳，乙酸钠次之，葡萄糖和糊精转化氨氮的效果也较显著，但转化亚硝酸盐氮的效果却明显差于蔗糖，糖蜜转化氨氮和亚硝酸盐氮效果较差，对水体的pH 值和ρ（溶解氧）影响也较小，而葡萄糖、蔗糖和糊精降低水体的pH 值和ρ（溶解氧）的效果明显，乙酸钠对于氨氮和亚硝酸盐的转换有明显的效果，且能够提升养殖水体的总碱度，但其对于ρ（溶解氧）的影响太大。然而，当今水产领域广泛应用的糖蜜并不是最好的选择，刘克明等[11]发现在南美白对虾养殖水体中，红糖对氨氮和亚硝酸盐氮的转化效率高于糖蜜，与该研究的结果一致。

综上所述，在6 种不同碳源调控碳氮比的生物絮团鳙鱼养殖试验中，蔗糖用作碳源是最佳选择，考虑成本因素，葡萄糖也有较好的性价比。乙酸钠对氨氮和亚硝酸盐氮的调控能力也较好，但由于乙酸钠可能会引起ρ（溶解氧）剧烈变化，产生不良影响，故其不太适合用于生物絮团养殖。