生物絮团的研究进展

文章编号：1006－3188（2014）－0043－06生物絮团的研究进展聂伟1刘立鹤1*刘军1黄峰1王哲2周哲2（1．武汉轻工大学动物科学与营养工程学院，湖北武汉430023；2．标优美生态工程股份有限公司，江苏南京210029）摘要：生物絮团是养殖水体中以好氧微生物为主体的有机体和无机物，经生物絮凝形成的团聚物，由细菌、浮游动植物、有机碎屑和一些无机物质相互絮凝组成。

通过对生物絮团研究的发展过程、絮团的结构特征、絮凝机理、影响絮团的形成因素以及生物絮团技术在水产养殖应用中存在的问题进行了综述，为生物絮团技术在水产领域中的进一步研究和应用具有一定的指导意义。

关键词：生物絮团；絮凝机理；影响因素；应用问题中图分类号：S953．9文献标识码：AThe research progress of biological flocNIE Wei1，LIU Li－he1*，LIU－Jun1，HUANG－Feng1，ZHOU Zhe2，WANG Zhe2（1，College of Animal Science and Nutritional Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan430023；2，BIOMAX Ecological Engineering Limited by Share Ltd，Nan jing210019）Abstract：Biological floc is farmed by aerobic microorganisms in water as the main organisms and inorganic agglomerates formed by biological flocculation，by bacteria，plankton and organic debris and some inorganic substances mutual flocculation com-ponents．Based on the development of bio－floc studies，the structural features of floc，the flocculation mechanism，the factors af-fecting the biological and floc technology applications in aquaculture exist were reviewed，which has some significance for floc tech-nology to further research and application in the aquaculture field．Keywords：Biological floc；Flocculation mechanism；Factors；Application problems微生物的絮凝现象最早发现于酿造工业中，早在1876年，法国的Louis Pasteur在研究酵母菌Levure casseeuse时，发现该菌在发酵的后期能产生絮凝作用。

1879年，Bordet在细菌培养的过程中，发现从血液中分离出的抗体对细菌细胞产生凝集作用。

在水处理领域和环境保护领域应用中，最早发现的具有絮凝能力的微生物是美国科学家Butterfield于1935年从活性污泥中筛选得到的。

1971年，Zajic和Knetting从煤油中分离出一株对泥水具有絮凝能力的棒状杆菌。

1976年，J．Naknmura等对能产生絮凝效果的微生物进行了研究，从研究的微生物中筛选出19种具有絮凝能力的微生物，其中霉菌8种、酵母菌1种、细菌5种、放线菌5种。

20世纪80年代，日本仓根隆一郎等人从旱田土壤中分离出红平红球菌S－1，该菌种在处理畜产废水、膨胀污泥和砖场生产废水等方江西水产科技2014年第4期收稿日期：2014－09－24作者简介：聂伟（1989－），男，硕士研究生，专业水生生物学。

通讯作者：刘立鹤，男，博士，副教授，邮箱：liulihe06@126．com面取得了很好的效果，被认为是目前发现的最好的微生物絮凝剂，将该菌种产生的微生物絮凝剂命名为NOC－1［1］。

20世纪70年代中期，以色列人将微生物絮凝引入水产养殖领域中，并将其命名为“生物絮团技术”。

生物絮团是养殖水体中以一样微生物为主，经生物絮凝作用结合水体中有机质、原生动物、藻类、丝状菌等形成的絮状物［2］。

该絮状物由以菌胶团、丝状细菌为核心，附着微生物胞外产物胞外聚合体，和包内产物聚－β－羟基丁酸酯，多聚磷酸盐，多糖类等，以及二价的阳离子，附聚的异养菌、消化菌、脱氮细菌、藻类、真菌、原生动物等生物形成的絮团［3］。

有研究表明生物絮团的干物质中，粗蛋白质的含量超过50%，粗脂肪含量为2．5%，纤维含量为4%，灰分为7%，是杂食性和滤食性鱼类较好的饵料［4］。

生物絮团中，细菌和浮游动植物普遍存在，解剖镜下分离絮团可见大量的原生动物、轮虫和寡毛类动物［5］。

一般情况下，生物絮团不具有规则的外形，含大量大小不一的颗粒，易压缩，具有高度渗透性，且随液体渗透而不固定，絮团直径在0．1－－1mm之间［6］。

研究表明，生物絮团中含2－20%的有机碎屑，微生物附着在有机碎屑上，总有机物占生物絮团的60－70%，总无机物占30－40%［7］。

絮团内活的生物体占10%－－90%，因此生物絮团具有自我繁殖能力。

1生物絮团的絮凝机理据已有的报道可知，生物絮团的结构组成相当复杂，其形成机理也尚不完全清楚，学术界普遍认为，絮团的形成主要是由于藻类或是细菌絮凝所引起的。

1．1藻类的絮凝机理有研究表明水体中藻类会分泌出一些高分子物质和大量粘多糖，这些物质有可能参与絮凝过程［8］。

在生物絮团的形成过程中，藻类可能起着双重作用：一方面，衰老或死亡的藻类为水体中的细菌提供生长所需的有机质；另一方面，藻类在进行光合作用过程中，利用水体中的二氧化碳产生氧气，为水体生物供氧。

所以，水体中的藻类和微生物之间关系密切，两者相互促进，二者共同作用促进生物絮团的形成。

1．2细菌的絮凝机理一些研究者认为细菌絮凝是物理作用引起的。

有研究证实许多细菌表面带负电荷，负电荷之间相互排斥，使得细菌分散在水体中，当这些负电荷由于某些原因被中和，细菌就产生絮凝。

也有部分研究者认为，导致细菌絮凝的原因还可能是高分子架桥造成的，架桥包括了盐桥、物理作用、直接化学键作用等。

除此之外，一些大分子物质如纤维素、粘多糖、蛋白质等也可能参与了这个过程［9］。

在水产养殖中，水体中存在大量的异养细菌，这些细菌参与了生物絮团的絮凝过程。

2生物絮团形成的理论方程式通过对生物絮团形成的不断深入研究，有研究者得出了生物絮团形成的理论方程式［6］，理论方程式为：NH4++1．18C6H12O6+HCO3－+ 2．06O2→C5H7O2N+6．06H2O+3．07CO2由理论方程式可知：氨氮、有机碳源、溶解氧和碱度是生物絮团形成过程中必需的。

生物絮团形成过程是水体中的异养微生物利用氨氮以及外源添加的有机碳源、消耗一定的溶氧和碱度，转化为异养微生物自身成分的过程。

在生物絮团体系中，水体中的氨氮转化成异养细菌的生物量，与硝化作用相比异养氨转化消耗更少的溶解氧，表现出异养氨转化较硝化作用的优势。

此外，异养细菌的生长速度约是硝化细菌等自养细菌的10倍。

生物絮团对氨氮的异养氨化明显高于硝化反应。

传统的水产养殖中，水体中的碳主要来源于光合作用和饲料，这些碳无法满足异养微生物生长所需，而且，水体中的氮经常会由于残饵和养殖动物排泄物处于较高水平，若此时添加额外碳源，异养微生物就会同化水体无机氮转化为自身蛋白，同时作为食物被水生动物摄食，并能够净化养殖水体。

3影响生物絮团形成的因素生物絮团的形成容易受许多因素的影响，比如水体搅拌强度、溶解氧、有机碳源、温度以及酸总第140期聂伟，刘立鹤，刘军，黄峰，王哲，周哲，生物絮团的研究进展碱度等因素，这些影响因素往往是通过影响细胞壁的相互作用而影响絮凝效果。

在水产养殖中，生物絮凝的影响因素主要有如下几种：3．1有机碳源和碳氮比有机碳源是异养微生物可以利用的物质，异养微生物利用水体中的氮源和提供的有机碳源，并将其转化成自身所需的营养物质，促进自身繁殖，同时消耗分解水体中的其它有害物质，从而使水体中各物质达到平衡状态。

在养殖水体中，一般到养殖后期，碳源较少，往往需要从外界添加，常用的碳源有葡萄糖、蔗糖、红糖、甘油和木薯粉等含碳物质，外源有机碳源可直接添加，也可以通过改变饲料成分来调节其有机碳所占比例。

有机碳源的选择很大程度上决定絮团的群落组成与稳定性。

碳水化合物可以促进水体中异养菌的生长，而且一些有机酸类能够抑制致病菌的侵染。

理论上说，通过添加足够的碳源，可以将水体中的无机氮转化为微生物饵料。

Goldman［10］发现养殖水体中，碳氮比大于10：1时是最佳的，可有效改善水质。

Burford［11］等发现，通过在饲料中添加谷物和糖浆做碳源，提高了对虾高密度养殖池中微生物种群的生长。

此外，有机碳源的添加方式也会影响生物絮团群落组成。

当底物水平较低时，丝状菌较非丝状菌更具优势，丝状菌可以延伸到絮团表面吸收营养，而非丝状菌则主要在絮团内部生长［12］。

较多研究报道了以丙三醇、米糠、木薯粉、蔗糖、淀粉、糖蜜和葡萄糖等作为碳源，能够很好形成生物絮团，并且促进养殖动物的生长，净化水质。

在养殖池塘中添加含碳量高的碳水化合物或者投入蛋白质含量较低的饲料可有效提升水中的碳氮比，当碳氮比值大于10以上时，池塘中原以自养细菌为主的养殖系统将转变为以异养细菌为主的生物絮团系统。

事实上池塘水体中碳氮比一般较低，因此需要向水体中添加额外碳源，从而提高碳氮的比例。

碳氮比是生物絮团技术的核心，很多研究报道了碳氮比为20和10的情况，一般来说，异养细菌需要从吸收外界氮元素同化为自身细胞成分，这取决于异养细菌本身的碳氮比，异养细菌本身的碳氮比值约为4，也就是当异养细菌同化一份氮，需要消耗约4份有机碳。

异养细菌对有机碳的同化率通常为40%，也就是需要10份有机碳，这就是所提的碳氮比为10，假定提供的有机碳源含有50%的碳，这时候大约要消耗利用20份有机碳源，也就是所提的碳氮比为20［13］。

碳氮比是目前生物絮团技术领域研究热点，在集约化养殖中投喂的饲料碳氮比一般为10左右，但是异养细菌同化一份氮需要20份碳。

在养殖中如果投入的饲料碳氮比过低，异养细菌生长所需营养物质受到碳的限制，最终导致异养细菌不能大量繁殖，这时需要通过添加额外碳源增加水体中的碳，促进异养细菌的大量繁殖，使养殖系统由自养型转变为异养型。