生物絮团的研究进展

江西水产科技

文章编号：1006－3188（2014）－0043－06

2014年第4期

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

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、影响絮团植物、

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：A

The research progress of biological floc

NIE Wei 1，LIU Li －he 1*，LIU －Jun 1，HUANG －Feng 1，ZHOU Zhe 2，WANG Zhe 2

（1，College of Animal Science and Nutritional Engineering ，Wuhan Polytechnic University ，Wuhan 430023；

2，BIOMAX Ecological Engineering Limited by Share Ltd ，Nan jing 210019）

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Bordet 在细菌培养的过程生絮凝作用。1879年，

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

Zajic 和Knetting 从煤油中分离出一的。1971年，

J．株对泥水具有絮凝能力的棒状杆菌。1976年，Naknmura 等对能产生絮凝效果的微生物进行了研从研究的微生物中筛选出19种具有絮凝能力究，

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，该菌种膨胀污泥和砖场生产废水等方在处理畜产废水、

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

·43·

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

氧气，为水体生物供氧。所以，水体中的藻类和微两者相互促进，二者共同作用生物之间关系密切，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，负电荷使得细菌分散在水体中，当这些负之间相互排斥，

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2

［4］

［9］

面取得了很好的效果，被认为是目前发现的最好将该菌种产生的微生物絮凝剂的微生物絮凝剂，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。生物絮团是养殖水体中以一样微生物为主，术”

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

。生物絮团中，细菌和浮

［5］

［3］

。有研究表明生物絮团的干物质。在水产养殖中，水体中存在大量的异养

中，粗蛋白质的含量超过50%，粗脂肪含量为2．细菌，这些细菌参与了生物絮团的絮凝过程。

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2．06O 2→C 5H 7O 2N +6．06H 2O +3．07CO 2

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。在生物絮团体系水体中的氨氮转化成异养细菌的生物量，与硝中，

化作用相比异养氨转化消耗更少的溶解氧，表现异养细出异养氨转化较硝化作用的优势。此外，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若此时添加额外碳源，异养排泄物处于较高水平，

微生物就会同化水体无机氮转化为自身蛋白，同并能够净化养殖水时作为食物被水生动物摄食，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

［6］

，理论

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

。一般情况下，

生物絮团不具有规则的外形，含大量大小不一的易压缩，具有高度渗透性，且随液体渗透而颗粒，

［6］

不固定，絮团直径在0．1－－1mm 之间。研究

+－

方程式为：NH 4+1．18C 6H 12O 6+HCO 3+

表明，生物絮团中含2－20%的有机碎屑，微生物总有机物占生物絮团的60－附着在有机碎屑上，

［7］70%，总无机物占30－40%。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其形成机理也尚不完全清楚，学术界普遍当复杂，

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·44·

生物絮团的研究进展，聂伟，刘立鹤，刘军，黄峰，王哲，周哲碱度等因素，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 善水质。Burford

［11］

［10］

2014年第4期

养细菌本身的碳氮比值约为4，也就是当异养细菌需要消耗约4份有机碳。异养细菌同化一份氮，

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

在集约化比是目前生物絮团技术领域研究热点，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。在养殖中如果异养细菌生长所需营养投入的饲料碳氮比过低，

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促进异养细菌的大量繁殖，使养殖系统由自养碳，

型转变为异养型。异养细菌群体利用氨氮以及水体残留的有机氮合成自身细胞成分（微生物蛋白），可作为鲤鱼、罗非鱼、海水虾类、淡水虾的日常饵料而被利用3．2

［14］

。

发现养殖曝气和搅拌

水产养殖环境中，需要充分曝气和搅动，从而

水体中，碳氮比大于10：1时是最佳的，可有效改

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］

提供足够的水体混合强度。生物絮团中异养细菌所以需要不停的曝气。的生长需要充足的氧气，

缓慢的搅拌，可以增加水体当中细菌团块相互碰撞的频率，从而促进了细菌的絮凝；而强烈的搅拌增加了水体中的剪切力，这不仅可能会导致湍流，

会导致絮体尺寸变小，而且也会使己经形成的絮体再次分散到水体中。因此，需要根据养殖对象进而确定适宜的的需要确定生物絮凝体的大小，水体混合强度和搅拌速度。有研究表明

［15］

。

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因此需要向水体中添加额外碳源，从而提般较低，

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

养殖池

内0．5 5mm 的有机悬浮物，可以使对虾增长提而大于5mm ，仅增长36%，而少于0．5μm 高53%，

的有机颗粒，包括溶解态的有机物并不对对虾生长起作用。生物絮团系统中主要的功能单位是生生物絮团中大量的异养细菌需要消耗大物絮团，

量的氧气，此外养殖动物也需要消耗一定氧气，所以在应用生物絮团技术的过程中需要有充足的氧气。生物絮团是由大量的异养细菌聚合而成的，充分的曝气有利于异养细菌的聚集，加速生物絮团的形成，而持续的曝气使絮团悬浮于水体中，这样有利于减缓絮团的堕化，一旦曝气停止，絮团会

·45·

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

pH 的上限值应却无负面影响。对养殖动物而言，一般为10左右。一般情况下

［25］

很快沉积在池底，长时间的沉积最终导致絮团的导致水质的恶化，因此，持续的曝气是极其死亡，

重要的，尽可能保证养殖水体有充足的氧气3．3

温度

温度对生物絮团的形成影响较为复杂。有研究已证明，在活性污泥样品中找到了温度与絮团

［17］

絮凝强度和絮团形态之间的关系。Wilen etal

［16］

，pH 是很难控制

。pH 的一个参数，为避免养殖动物死亡和功能紊乱，最佳范围的改变是有限的。因此就酸碱度而言，以此来调节絮团稳定性，比较困难，但是，每种养殖动物都有自己生长的最适pH 范围，需尽量使之符合。细胞的絮凝在很大程度上依赖于pH 值。不同的pH 条件下，菌体往往带不同电性；如果调整改变pH 值，也就改变了菌体的带电性能，从而将会导致形成絮体能力以及不同菌体发生絮凝的pH 值不同。在生物絮团系统中，养殖的种类也限制了pH 的变化范围。3．5

细胞的生长

生物絮团在很大程度上依赖于细胞的生理年

［26］

龄。Kwok 和Prince 认为细胞的絮凝受细胞生

曾发现在较低温度（4ħ ）相比更高的温度下（18 20ħ ），絮团更难形成，原因可能是低温降低了絮团中微生物的活动量。Krishnaand VanLoos-drecht ［18］曾观察到，在高温条件下，异养微生物可大量产生胞外多糖，容易使淤泥发生膨胀。由前水温在2025ħ 范围，是获人的研究数据可以估计，取稳定絮团的最佳温度

［19］

。温度是微生物代谢的

一个重要条件，也是絮状物的产生条件。有研究结果显示，处于高温条件（35ħ ）与低温条件（15ħ ）之间，可导致大于75%的聚－β－羟丁酸的形成，有利于絮团的产生。温度还与水体中的溶氧量密切相关，不同的温度下，水体的溶解氧也会有所不同

［20］

长速率的控制，并指出细胞在指数生长期，会呈现出分散的状态；在稳定生长期，开始出现絮凝，之后，生物絮团会一直增加，增加到一定的程度后，降低或保持平衡。水体中生物絮团不断地生成和滞留时间大概是8小时，每天可以形成三降解，次

［27］

。利用生物絮团技术养殖的池塘，

水温很难人为进行改变，尤其是在室外池塘，大多数情况下，气候条件决定着水体温度的变化，从而影响生物絮团的形成。因此，在考虑温度对絮团应该要因地制宜，选择合适的的结构功能的同时，

温度，培育出最适宜的生物絮团。Wilen 等

［21］

。

总固体悬浮量和水体中的生物量

3．6

水环境中总固体悬浮物是影响絮团形成的重总悬浮固体量在200mg /L要因素。有研究表明，

－500mg /L时，水体中细菌可以较好的絮凝。水体中总固体悬浮物增加，有利于絮凝，但总固体悬因此取决浮物过高可能会对养殖动物产生影响，于养殖鱼类的耐受限度。在很多情况下，絮凝随离子等）浓度的增加，着化学物质（高分子聚合物、

絮凝效果也随之达到一个峰值，随后保持不变或开始下降。水体中的生物量对微生物絮凝的影响也较为明显。Strauss 等4

［28］

在

4ħ 和18ħ 20ħ 分别进行了絮体培养试验，研究发现在低温4ħ 时不易形成絮体。而对于酵母而言，絮凝只在低温时发生3．4

酸碱度

生物絮团形成过程对养殖水体pH 变化起到较大的影响

［23］

［22］

。

，在选择不同养殖动物进行生物絮

团养殖过程中，需要结合该水产动物对pH 的适应pH 值已被证明是一个程度。在一些鱼类试验中，

导致不同品种的养殖动物产生异常生理反应的水质环境因素

［24］

的研究发现：当液体中

絮体的体积下降了25%。菌体浓度降低50%时，

生物絮团技术在应用中存在的问题

生物絮团技术虽然在理论上基本较为成熟，但在水产养殖实践中并未得到广泛的应用，主要原因有多个方面

［29］

。对于不同品种的大马哈鱼，近致

死或亚致死pH 是4．2 5．0，在该值时，容易导致细胞渗透压降低，增加红细胞压积、血浆蛋白浓度以及血粘度。然而，有些情况下，对pH 的影响可pH 为4．0水体对其生理反以忽略，比如罗非鱼，·46·

。首先，生物絮团形成的一个

必须条件是要添加有机碳源，而目前实验中使用效果较好的有机碳源多为蔗糖、淀粉、葡萄糖等，

生物絮团的研究进展，聂伟，刘立鹤，刘军，黄峰，王哲，周哲在大水域养殖过程中，这些碳源的成本相对较高，会大幅度提高养殖成本，所以难以推广。因此，若要大范围使用，必须找到廉价的碳源或者碳源替代物质，以降低该技术的养殖成本。其次，生物絮团技术的操作和管理过程相对较为复杂，在大规模养殖生产中很难控制，因此必须要简化该技术以便更简约化，可操作性更的操作和管理程序，

强。最后，生物絮团沉降物质的最终出路，还未很好地解决。倘若不能很好地得到处理，所形成的生物絮团沉降物质同样会影响到养殖动物的生长。目前认为有效的出路主要有三条

［30］

2014年第4期

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，第一条

途径是：将所形成的生物絮团沉淀物直接从水体但这种方法会消耗大量的人力物力，中分离出来，

同时在大水域中操作的难度较大，较难实现；第二条途径是：通过调节产絮凝菌的结构或添加额外的物质，使得微生物所形成的絮团中蛋白质等营养物质的含量更高，成为水产动物的饵料，被水产动物食用；第三条途径是：利用养殖水域自身的微生物，将所形成的絮团沉淀物分解成为水体中的动植物可以利用的物质。

生物絮团技术是利用絮凝微生物的作用而形成絮团，所以应用过程中，特别要注意用量问题。用量过少，可能达不到絮凝的目的，或者说产生絮效果较差。当用量过大时，很容易团的时间较长，

引起养殖水域的水质变化，不利于养殖动物的生长，甚至对其有毒害作用，造成养殖动物的死亡。因此，在应用生物絮团技术的过程中，应该注意观测所产生的絮团的量，以及絮团物的沉降情况，要若絮团在水体中大量避免絮团物质的大量沉降，

沉降将会到导致絮团中的活性物质消耗水体中氧气，造成水体缺氧，从而影响到养殖动物的生长。5

小结

因此，在对生物絮团技术的相关研究过程中，应该根据生物絮团形成的条件，进行对比分析，试验验证各因素的影响机理及调控方法，并应针对不同养殖品种，摸索出一套系统完善的生物絮团制备及应用方法，最终使得生物絮团技术能在水产养殖领域得到广泛应用。

·47·

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