生物絮团–循环水养殖系统对对虾养殖水体净化效果的初步探究

Preliminary Study on the Purification Effect of Biofloc-Recirculating Aquaculture System on Shrimp Aquaculture Water

摘要: 为研究添加枯草芽孢杆菌形成的生物絮团加循环水养殖系统对凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)养殖水体的净化效果和短期内能否达到平衡状态，在凡纳滨对虾循环水养殖系统水槽中，以不加菌和红糖为对照(A组)、加菌(B组)、加红糖(C组)及加菌和红糖(D组)进行短期(72 h)生物絮团净化循环水养殖水体试验，24 h生物絮团和12 h循环净化水质。结果显示，试验结束时B、C、D组的生物絮团体积显著高于A组(P < 0.05)，D组生物絮团体积显著大于B、C组(P < 0.05)。总氨氮(TAN)下降率D > C > B > A，D组TAN下降率(35.9 ± 5%)显著高于A、B、C三组(14.2% ± 8%、11.3% ± 4%、30.2% ± 5%) (P < 0.05)。A组${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ 浓度升高10.1% ± 0.3%，D组的${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ 下降率为49% ± 10.4%，显著高于B、C组(11.3% ± 0.2%、6.4% ± 0.5%) (P < 0.05)。D组TAN和${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ 浓度在前24 h与生物絮团体积呈极显著负相关，后期基本趋于稳定。试验期间A、B、C组养殖水体中悬浮颗粒物数量均有升高，而D组悬浮颗粒物减少21.5 ± 3.9%，显著高于其他三组(P < 0.05)。试验后期各组水体中溶解氧浓度依次为A > B > C > D。试验期间各组pH均有所下降，结束时B、C、D组pH都显著低于A组(P < 0.05)。研究表明，枯草芽孢杆菌与红糖所形成的生物絮团和对虾循环水养殖系统结合模式可以在短期内达到平衡状态，并有效地净化养殖水体中TAN、${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ 和悬浮颗粒物。

Abstract: To investigate the purification effect of biofloc formed by Bacillus subtilis plus recirculating aquaculture system (RAS) on Litopenaeus vannamei aquaculture water and whether a balance can be achieved in the short term, a short-term (72-h) biofloc-recirculating aquaculture system was used to purify aquaculture water in tanks for L. vanname with no bacteria and brown sugar as a control (group A), bacteria added (group B), brown sugar added (group C) and bacteria and brown sugar added (group D), and the water was purified by 24 h biofloc and 12 h circulation. The results showed that at the end of the trial, the biofloc volume in groups B, C, and D was significantly higher than that in the group A (P < 0.05), with group D having a significantly greater biofloc volume than groups B and C (P < 0.05). The volume of biological flocs in group D was significantly higher than that in groups B and C (P < 0.05). The decrease rate of total ammonia nitrogen (TAN) is D > C > B > A, and the decrease rate of TAN in group D (35.9% ± 5%) was significantly higher than that in groups A, B and C (14.2% ± 8%, 11.3% ± 4% and 30.2% ± 5%) (P < 0.05). The concentration of ${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ increased by 10.1% ± 0.3% in group A, and the decrease rate of ${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ in group D was 49 ± 10.4%, which was significantly higher than that in groups B and C (11.3% ± 0.2%, 6.4% ± 0.5%) (P < 0.05). The concentrations of TAN and ${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ in group D were significantly negatively correlated with the volume of biological floc in the first 24 h, and tended to be stable in the later period. During the trial, the concentration of suspended particulate in groups A, B, and C increased slightly, while group D achieved a suspended particulate removal rate of (21.5 ± 3.9)%, significantly higher than the other three groups (P < 0.05). Dissolved oxygen concentration at the end of the trial followed the order of A > B > C > D. All groups experienced a decrease in pH during the trial, and the pH levels in groups B, C, and D were significantly lower than that in the group A at the end of the trial (P < 0.05). These findings suggest that the combination of biofloc formed by B. subtilis and brown sugar with shrimp circulating aquaculture system can achieve balance in the short term and effectively purify TAN, ${\text{NO}}_{\text{2}}^{-}\text{-N}$ , and suspended particulate in aquaculture water.

1. 引言

对虾养殖一直是我国水产养殖业的重要组成部分。随着凡纳滨对虾引进我国及高密度、集约化养殖模式的兴起，其产量与养殖面积一度占据了对虾产业的90%左右[1]。近几年，我国北方地区水产业受极端天气影响严重，2024年夏季洪涝和高温灾害给辽宁沿海养殖户造成了巨大损失，如今传统养殖方式自身大排大灌、尾水污染和浪费水资源等缺点越发明显，水产养殖行业由传统粗放型养殖向现代精准型养殖转变是我国实现渔业资源工业化发展的必经之路[2]-[5]。寻求更加高效、环保的养殖模式势在必行，由此循环水养殖凡纳滨对虾模式便应运而生。

悬浮颗粒物是指水产养殖水体中直径大于1 μm的不可沉降颗粒[6]，颗粒沉降状态受自身特性和流体扰动的影响而随时变化，在收集与分离固体颗粒前，对悬浮颗粒物的研究往往基于对系统内所有固体颗粒物的检测，包括可沉降颗粒和不可沉降颗粒。固体颗粒物的累积对水产养殖系统产生的不利影响有：(1) 微小固体颗粒可能引发鱼虾的鳃阻塞或损伤，致使鱼虾获取氧气的效率降低，影响生长与健康。(2) 固体颗粒为细菌和病原体提供了黏附表面，提高了养殖环境的致病风险[7]。(3) 固体颗粒的沉淀会破坏池塘养殖的池底土壤质量，引起水体富营养化[8] [9]。(4) 固体颗粒物的积累间接加重养殖系统其他设备的负担，如异养细菌利用细微颗粒物进行矿化作用，消耗溶解氧并产生氨，加重生物滤池的负担[10]；微粒附着在紫外消毒器表面，削弱杀菌效果[11]。悬浮颗粒物不仅影响养殖动物的健康生长，造成水产养殖效益的损失，也可能加重周围环境与其他养殖设备的负担，因此，颗粒物的及时有效去除是十分必要的[12]-[14]。

生物絮团技术具有减少饲料成本、降低养殖水体中氨氮等有毒物质浓度等特点，是当前很有发展前景的技术[15] [16]。单一的对虾循环水养殖模式虽然能实时调控水质，提高养殖效率，但同时也增加了养殖成本，在循环水养殖模式中，对虾往往只能利用20%~30%的饵料营养物质[17]，剩余残饵和代谢废物会产生大量的氨氮、亚硝酸氮和许多悬浮颗粒物，循环水养殖模式中的水处理方法往往不能有效地在短时间内降低氨氮和悬浮颗粒物等有害物质的浓度，因此，本试验将循环水养殖模式与生物絮团技术相结合，探究能否更有效地净化养殖水体，使养殖更加高效可控。

2. 材料和方法

2.1. 试验材料

凡纳滨对虾仔虾购自辽宁省凌海市海润水产有限公司，对虾的平均体质量为0.63 ± 0.2 g，体长2.3 ± 0.3 cm。枯草芽孢杆菌(Bacillas subtilis)为本实验室保存菌种枯草芽孢杆菌20140231102，使用前在台式震荡培养箱内28℃、180 r/min活化24 h。海水取自大连海洋大学黑石礁渔园沿岸，海水经沉淀和砂滤处理后，以漂白粉消毒，连续曝气、紫外杀菌处理后备用。

开启循环处理净化时养殖水体依次流经旋流分离器、转鼓式微滤机、蛋白分离器最后经过UVC灭菌后流回养殖水槽中。

2.2. 试验方法

2.2.1. 试验设计

试验于2024年12月2日~5日在大连海洋大学设施渔业重点实验室进行。试验前，先关闭循环水养殖系统并对养殖水槽中海水使用纳米管进行速率为24 ml/s的曝气充氧，再将暂养7 d后健康、活力良好的凡纳滨对虾放到12个体积400 L的养殖水槽中，每个养殖水槽中50尾。试验分为四组，不加菌和红糖(A组)；加菌(B组)；加红糖(C组)和加菌和红糖(D组)，每组三个平行。将挑出的对虾先投放入养殖水槽中养殖1周后再开始培养生物絮团，试验开始前水槽内各水质指标如表1。生物絮团净化养殖水体试验进行72 h，循环系统前24 h关闭，进行生物絮团培养，然后开启循环12 h，生物絮团净化水质24 h，再次开启循环12 h，试验期间水温保持在27℃~29℃。

2.2.2. 水质指标的测定方法

试验期间，每6 h以“五点取样法”采集每个水槽中上层水样，混匀后进行水质指标测定。具体水质指标及测定方法见表2 [18] [19]。

Table 1. Water quality indicators in the aquaculture tank before the test

表1. 试验前养殖水槽内水质指标

养殖水槽内水质指标	每L海水中浓度
温度	27℃ ± 1℃
总氨氮(TAN)	0.47 ± 0.01 mg/L
亚硝酸氮(${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ )	0.14 ± 0.01 mg/L
颗粒物浓度	266 ± 13 mg/L
溶解氧(DO)	7.29 ± 0.02 mg/L
pH	8.46 ± 0.02

Table 2. Methods for determining water quality

表2. 水质测定方法

水质指标	测定方法
絮团体积	英霍夫锥形管
TAN	纳氏试剂法[18]
${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$	重氮–偶氮光度法[18]
悬浮颗粒物浓度	重量法[19]
DO	便携式溶氧仪
pH	便携式pH计

根据以下公式计算水体中所水质的悬浮颗粒物浓度和下降率。

下降率$W_i=\left[(C_0-C_i)/C_0\right]\times 100\%$ (1)

式中，C₀为所测定水质指标的初始质量浓度，C_i为第ih时所测定水质指标的质量浓度。

使用重量法不定期测定悬浮颗粒物浓度，通过玻璃纤维滤膜抽滤水样，在103℃~104℃烘箱中烘干2 h后称重，使用精度为0.001 g的天平称量悬浮物重量，再除以水样采集体积，得到最终的悬浮颗粒物浓度。

悬浮颗粒物浓度$C_i=\left[\left(W_2-W_1\right)/V\right]\times 100\%$ (2)

式中，W₂是干燥后滤膜的质量，W₁是过滤前滤膜的质量，V是水样体积，所得C_i为第ih的悬浮颗粒物浓度。

2.3. 数据处理

试验数据以平均值 ± 标准差的形式表示。使用SPSS27.0.1软件对数据进行单因素方差(one-way ANOVA)分析，用Duncan多重比较法进行组间差异性检验，若P < 0.05，则认为存在显著性差异，用Orgin2014对养虾过程中的TAN和${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 浓度和生物絮团体积进行Pearson相关性分析和绘图。

3. 结果

3.1. 生物絮团–循环水养殖系统中生物絮团体积、TAN和$N{O}_2^{-}-N$ 含量变化

生物絮团–循环水养殖系统中养殖水槽内水体生物絮团体积变化如图1。试验期间，各组组生物絮团体积呈24 h升高12 h下降循环变化，D组生物絮团体积显著高于其他三组(P < 0.05)，第24 h和第60 h时B组生物絮团体积显著低于A组(P < 0.05)，而C组显著高于A组(P < 0.05)。第72 h时B、C组生物絮团体积显著高于A组(P < 0.05)。

凡纳滨对虾循环水养殖系统中各组养殖水槽内水体TAN变化如图2所示。试验期间，C组30 h内

Figure 1. Changes in the volume of biofloc

图1. 生物絮团体积变化

Figure 2. Changes in the concentration of TAN

图2. 总氨氮浓度变化

水体TAN显著高于A组(P < 0.05)，48~72 h两组差异不显著。B、D组TAN前6 h快速上升，然后快速下降至24 h，24~72 h在3.75~3.0范围波动。除了第54小时和60小时外，18~72 h B、D组差异显著(P < 0.05)。试验结束时B、C、D组TAN下降率分别为11.3% ± 4%、30.2% ± 5%和35.9% ± 5%。

凡纳滨对虾循环水系统中各组养殖水槽内水体${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 变化如图3。试验期间，A组水体${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 含量略有上升，B、C组无明显变化且没有显著性差异，但低于A组。D组则前24 h下降，后12 h略有升高，然后缓慢下降至54 h，54~72 h达到平稳，在18~72 h显著低于其他三组(P < 0.05)。试验结束时D组${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 下降率最高，为(49.6 ± 10.4)%。

表3可见，D组养殖水体的TAN和${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 与生物絮团的体积呈极显著负相关(P < 0.001)，因此，

Figure 3. Changes in the concentration of ${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$

图3. 亚硝酸氮浓度变化

Table 3. Correlation between TAN and ${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ concentrations and biofloc volume

表3. TAN和${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 浓度与生物絮团体积相关性

水质		相关性
A	TAN	R = −0.857	P < 0.001
A	${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$	R = −0.418	P = 0.176
B	TAN	R = −0.785	P = 0.002
B	${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$	R = −0.604	P = 0.037
C	TAN	R = −0.941	P < 0.001
C	${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$	R = −0.540	P = 0.070
D	TAN	R = −0.982	P < 0.001
D	${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$	R = 0.846	P < 0.001

在生物絮团循环水养殖模式中，同时投入红糖和枯草芽孢杆菌能有效的净化水质，为凡纳滨对虾建立一个适宜生长的环境。

3.2. 生物絮团–循环水养殖系统中悬浮颗粒物浓度、DO和pH变化

凡纳滨对虾循环水系统中各组养殖水槽内水体悬浮颗粒物浓度变化如图4。A、B、C组水体中悬浮颗粒物浓度在前期循环系统关闭时升高，循环系统开启后下降。试验结束时A、B、C三组的悬浮颗粒物浓度有所升高。D组悬浮颗粒物浓度在第6小时达到最高为(323 ± 9) mg/L，结束时D组悬浮颗粒物下降率为(21.5 ± 3.9)%。

Figure 4. Changes in the concentration of suspended particulate

图4. 悬浮颗粒物浓度变化

凡纳滨对虾循环水系统中各组养殖水槽内水体DO浓度变化如图5。试验期间，A组DO浓度无明显变化。随着试验时间的增加，B、C、D组水体DO浓度呈先下降后平缓趋势。第30小时B组DO浓度下降到最低点(6.50 ± 0.05) mg/L。C、D组DO浓度24 h内下降，30~48 h趋于平稳，第54小时后D组开始下降，与其他三组差异显著(P < 0.05)，第72小时最低(6.21 ± 0.01) mg/L。

凡纳滨对虾循环水系统中各组养殖水槽内水体pH变化如图6。A组pH呈缓慢下降，且试验期间与其他三个组差异显著(P < 0.05)。B、C、D组pH呈24 h下降12 h缓慢上升循环变化，36 h内B、D组显著低于C组(P < 0.05)，42~72 h B、C组无显著差异(P > 0.05)，48~72 h D组显著低于B、C组(P < 0.05)。

4. 讨论

4.1. 生物絮团–循环水养殖系统中生物絮团体积、TAN和$N{O}_2^{-}-N$ 含量变化

生物絮团作为水产养殖领域中一种常见的净化处理水体的方法，其基于微生物群落与水体有机物的互作作用，能够实现调控水质、提高饵料利用率[20]。海水中具有大量有机物和天然胶体，这些胶体、有机物和凡纳滨对虾的饲料残渣、排泄物等为形成生物絮团提供了良好条件，使得微生物更容易在水中

Figure 5. Changes in the concentration of DO

图5. 溶解氧浓度变化

Figure 6. pH change

图6. pH变化

生长繁殖，本试验中D组水体产生生物絮团量较多，据观察，这些生物絮团在曝气充氧设备的搅动下，一部分附着在养殖水槽四周的槽壁上，另一部分生物絮团被打散成为微小絮团悬浮在养殖水体中，这些微小絮团通过同化吸收，将水体中的无机氮转化为菌体蛋白，从而实现净化养殖水体的目的[21]-[23]。

在试验的第6小时，4组的生物絮团体积大小为D > C ≈ B > A；而第24小时，生物絮团体积变为D > C > A > B。同时加菌和碳源的D组由于有红糖能帮助微生物进行糖解作用和提供细胞生长的能量，故而D组的生物絮团体积最大。C组加的红糖为水体中原有的微生物提供了优质碳源，能帮助其快速繁殖从而形成生物絮团。B组只加枯草芽孢杆菌，水体中其繁殖所需的营养物质较少，导致营养物质被快速消耗，限制了生物絮团的产生。A组水体中原有的微生物和有机营养盐胶体结合，在试验前期也形成了一定量的生物絮团。第24小时循环系统开启后，水体中漂浮的微小絮团随水流进入循环，被微滤机和蛋白分离器等过滤系统筛出，所以在循环开启后，4组生物絮团体积均减少直至循环关闭。循环关闭后各组与之前同理，生物絮团体积又有所升高。由图1可知，第60小时各组生物絮团体积已达到峰值，不再升高，在第二次循环开启后，除D组生物絮团体积有所下降外，A、B、C组生物絮团-循环水养殖系统已趋于平衡生物絮团体积不再随循环而降低。

从图2可知，A、C组TAN含量整体呈缓慢下降趋势，而B、D组则是先升高后快速降低，然后趋于平稳。原因可能是A、C组生物絮团都是由水体内原有的微生物所形成，降低氨氮含量效果不如B、D组加枯草芽胞杆菌形成的生物絮团，B、D组开始加菌时由于细菌繁殖形成的生物絮团分解有机物产生氨氮，使TAN浓度上升，然后随着微生物群体的稳定和氮循环的进行，TAN浓度逐渐下降[24] [25]。在试验进行到第48小时，A、C组和B、D组水体中的TAN浓度达到一个稳定值，分别在0.4~0.45和0.3~0.35之间波动，此时生物絮团–循环水养殖系统已趋于平衡。本试验D组在凡纳滨对虾养殖过程中投入枯草芽孢杆菌和红糖(碳源)对降低TAN有明显效果，与单丽雯的研究结果相吻合[26]。根据图3可知，除D组对${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 降低效果较明显外，A、B、C组对${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 降低效果并不明显。A组${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 浓度还略有升高，推测其原因可能是凡纳滨对虾生长代谢的残饵粪便会使得水体${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 浓度升高，而A和B组缺少碳源，碳氮比值低导致硝化细菌活性受到抑制，${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 的转化效率降低，进而影响${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 的去除。C组只投入了红糖(碳源)，推测水体中可能缺少转化${\text{NO}}_2^{-}\text{-N}$ 的优势菌群。

4.2. 生物絮团–循环水养殖系统中悬浮颗粒物浓度、DO和pH变化

生物絮团其多孔的结构可吸附作用降低水体的浑浊度和悬浮颗粒物的浓度，已有研究表明，在密闭的罗非鱼养殖系统中，生物絮团对水中的悬浮颗粒物下降率为46.5% [27]。本试验中，除D组对悬浮颗粒物的下降率为22%，A、B、C组中的悬浮颗粒物均有所升高，推测其原因可能是，A、B、C组分别缺少促进絮团形成的优势菌种和碳源，导致微生物分泌的胞外聚合物减少，进而导致生物絮团结构紧密度和粘附颗粒效果降低，难以有效捕捉和沉降水体中的悬浮颗粒物[28] [29]。由图4可以看到，在关闭循环时D组悬浮颗粒物浓度前6 h较高，应是此时微生物团簇较小，无法被筛绢网筛除，计算悬浮颗粒物浓度时除了悬浮颗粒物还有微小絮团无法排除，故此时悬浮颗粒物浓度虚高。6 h过后随着生物絮团体积的增多悬浮颗粒物浓度开始波动式减少，24 h开启循环系统后，生物絮团和循环水养殖系统协作下悬浮颗粒物浓度进一步降低，试验结束时，悬浮颗粒物浓度一直在220~260 mg/L之间波动。

生物絮团在形成过程中会消耗一定量的DO并且降低水体的pH，所以图4、图5中除A组下降较缓慢外，另外3组都有明显下降。已有研究表明，凡纳滨对虾养殖过程中，DO适宜范围是4~7 mg/L，pH范围7.5~8.5 [30]。在本试验后期，生物絮团–循环系统DO浓度和pH达到平衡状态时A组的DO浓度变化范围为7.29~7.14 mg/L，pH变化范围7.40~7.45，B、C、D组的DO浓度变化范围则是7.28~6.21 mg/L，pH变化范围8.15~8.25。试验结果证明，在对虾循环水养殖系统中培养生物絮团可以保证在产生生物絮团的基础上，消耗的DO和降低的pH也不会影响凡纳滨对虾的正常生长[31] [32]。

5. 总结

综上所述，在为期72 h的生物絮团–循环系统养殖凡纳滨对虾的试验结束后，凡纳滨对虾全都活力良好，无一死亡。基本可以控制水质指标稳定在适合凡纳滨对虾生长的范围，该模式在凡纳滨对虾养殖中具有良好的应用潜力，今后将进一步对该系统进行研究，以期为凡纳滨对虾高效养殖提供技术支持。

NOTES

^*通讯作者。