生物絮团养殖技术的神秘面纱
发表时间:2019/10/04 19:06:54 来源:当代水产 浏览次数:2320
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一什么是生物絮团？此概念（此项技术）出现在什么时候？
生物絮团技术（BFT）是借鉴城市污水处理中的活性污泥技术，通过人为向养殖水体中添加有机碳物质( 如糖蜜、葡萄糖等)，调节水体中的碳氮比( C /N) ，提高水体中异养细菌的数量，利用微生物同化无机氮，将水体中的氨氮等含氮化合物转化成菌体蛋白，形成可被滤食性养殖对象直接摄食的生物絮凝体，能够解决养殖水体中腐屑和饲料滞留问题，实现饵料的再利用，起到净化水质、减少换水量、节省饲料、提高养殖对象存活率及增加产量等作用的一项技术。
以色列养殖专家 Avnimelech（1999）首次提出了＂生物絮团＂技术（Biofloc Technology,BFT）在水产养殖中的应用，并在世界各地推荐和倡导的生物絮团技术的应用。珠江水产研究所谢骏研究团队申请并获得国内首个发明专利“一种水产养殖用生物絮团的培养方法”（授权号为ZL 201110341362.3）。
二生物絮团的理论基础是什么？
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。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。
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（Ebeling & Timmons, 2007）。
理论方程式为：
NH4++ 1.83 O2 + 1.97 HCO3−→ 0.0244 C5H7O2N + 0.976 NO3−+ 2.90 H2O + 1.86 CO2
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。
三生物絮团的组成及其核心物质？
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。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。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。
四生物絮团具体在生产中是如何应用的？国外及国内各地都有哪些应用研究和实例？请介绍下。
（一）生物絮团具体应用关键控制技术
1、生物絮团控制
在生物絮团养殖系统，允许废物颗粒在水体中存在，甚至在充分曝气的条件下通过有机碳源来促进有机颗粒物和生物絮团的积累（Browdy et al., 2012）。在水体混合充分的状态下，生物絮团和有机颗粒会达到很高的水平。生物絮团养殖系统通常的悬浮有机颗粒物管控水平应低于1000mg/L或者更多时候低于500mg/L。悬浮颗粒物浓度在200～500mg/L范围内，足够以维持系统功能良好运转，并在水呼吸不过量耗氧下有效控制水体氨氮水平。
在跑道式生物絮团养殖系统中研究发现，当悬浮颗粒物浓度在100～300mg/L之间，养殖对虾的摄食活性最佳（Ray et al., 2011）英霍夫锥形管常用来简单监测反映生物絮团密度（生物絮团沉降体积BFV：一定时间内的沉降的悬浮颗粒物体积）（Ray et al., 2011）。
在铺膜的生物絮团养殖池中，生物絮团沉降体积在10～15mL/L范围内，对养殖对虾是比较合适的。随着生物絮团密度的增大，水体耗氧需求也相应的增大（Browdy et al., 2012）。
因而，生物絮团密度必须维持一个尽可能低的适宜范围，以保证系统功能的正常运转（水质调控尤其是控制氨氮浓度），这样才不需要额外增加充气强度和消耗更多的电力。另外，相对低的生物絮团密度也减少了水体中光照强度的遮蔽，从而使得微藻类光合作用得以正常进行，并为水体补充一定的溶解氧浓度。
因此，零水交换养殖系统中过量的生物絮团和悬浮颗粒物需要定期移除，依据养殖系统的构造，选择的方式有中央排污管道、沉降池以及泡沫分选器等（Browdy et al., 2012）。
2、投入C/N比平衡控制
在生物絮团系统构建过程中，投入的C/N比是控制氨氮浓度的主要因素（Ebeling et al., 2006, Hargreaves,2006）。一般地，含30%～35%粗蛋白的饲料含有较低的C/N比，约为9～10。提高比至12～15，将会有利于异养菌同化氨氮过程。
在养殖系统中提高C/N比的方法主要有两种：一是往养殖水体中添加有机碳源，一是使用低蛋白含量的配合饲料。补充有机碳源后，异养菌可以迅速地同化吸收氨氮，而且这一过程较微藻的光合吸收过程更稳定可靠。
用于添加的有机碳源主要考虑如下因素：一是可以被最快利用的，简单的碳水化合物，例如葡萄糖、蔗糖等。其优点是反应应答快，不足之处是，需要不断的添加，以保证基本需要和循环利用。二是复合的碳水化合物，例如淀粉、木薯粉、谷物粉等。它需要首先为微生物分解为小分子，才能被利用。优点是稳定、持久，不足之处是反应慢，需要的时间长。在生物絮团养殖系统构建之初，一般需要快速反应，因此最好使用简单的糖类。
必须注意的是，要想通过异养菌同化过程来实现氨氮的完全控制，必须持续不断地添加大量的外源有机碳源，尤其是在饲料蛋白越高的条件下，添加量越大。一般地，对于1kg的30%～38%蛋白饲料，对应的需要添加0.5～1.0kg的糖。当然，在有其它氨氮转化途径存在的条件下，可以适当减少有机碳源的添加量，因为持续地添加有机碳源也会带来一些弊端。有机碳源会极大地促进异养细菌的增殖，形成大量的细菌污泥，如果不加以控制，会影响养殖对虾的生长存活。而且，系统需要投入更多的溶解氧来满足大量微生物呼吸需求，以及额外的能量来保持生物絮团呈悬浮状态。
因此，必须及时从系统中移除和处理过多的絮团颗粒，以防系统的崩溃。一般地在系统中硝化类细菌发展成熟并达到稳定后，就可以停止有机碳源的添加，此时不会导致水质的不稳定和氨氮、亚硝酸盐氮的激增。
一旦有机碳源停止添加后，系统自然地会转变为以自养细菌为主导的氨氮转化过程。硝化细菌悬浮系统建立起来后，就不用考虑有机碳源的添加或投入C/N比问题。这种策略强调通过利用生物絮团中附着的硝化类细菌的硝化作用来控制氨氮。混合充分的养殖系统在没有有机碳源添加下自然地倾向于通过这一途径来控制氨氮，只是在这一过程中，会消耗大量的碱度（碳酸氢根离子）。
当然，生物絮团系统内氨氮转化的三种途径都会消耗碱度，而以硝化作用过程占据大部分。反过来讲，通过提高养殖水体的碱度，会适度地加速自养菌的生长增殖以及硝化过程。因而，间断地泼洒生石灰或碳酸钠对于维持硝化细菌悬浮系统是必须的。
3、水体碱度调节
水体碱度对维持生物絮团系统功能也很重要。碱度反映了水体的缓冲能力，表现在外源添加酸或碱时pH的波动幅度。生物絮团系统需要保持足够的碱度，一方面养殖动物和微生物呼吸产生大量的二氧化碳融入水体中会中和一部分碱度，另外一方面微生物过程尤其是硝化作用会消耗大量的碱度。一旦碱度降到很低，pH值会紧随着急剧下降，不但影响养殖鱼虾的生长存活，也会抑制细菌微生态功能的发挥。
微生物生态功能的失衡会导致氨氮、亚硝酸盐氮的积累，并引起水质的恶化，进而严重影响养殖鱼虾的摄食、生长和存活。碱度可以通过定期地添加碳酸氢钠来保持合适的水平范围100～150mg/L，其它的碱性化合物也可以使用，如碳酸钠、氢氧化钙。在集约化的自养菌主导的生物絮团养殖系统中，每投喂1kg的饲料大约需要添加0.25kg的碳酸氢钠。
当然，在实际养殖操作过程中，至少每周定期的进行碱度监测，并依据需要来确定添加量。
4、曝气和搅拌
水产养殖环境中，需要充分曝气和搅动，从而提供足够的水体混合强度。生物絮团中异养细菌的生长需要充足的氧气，所以需要不停的曝气。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; 而强烈的搅拌可能会导致湍流，增加了水体中的剪切力，这不仅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，需要根据养殖对象的需要确定生物絮凝体的大小，进而确定适宜的水体混合强度和搅拌速度。有研究表明养殖池内0.5-5mm 的有机悬浮物，可以使对虾增长提高53%，而大于5mm，仅增长36%，而少于0.5μm的有机颗粒，包括溶解态的有机物并不对对虾生长起作用(Avnimelech, 2012)。
生物絮团系统中主要的功能单位是生物絮团，生物絮团中大量的异养细菌需要消耗大量的氧气，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，絮团会很快沉积在池底，长时间的沉积最终导致絮团的死亡，导致水质的恶化，因此，持续的曝气是极其重要的，尽可能保证养殖水体有充足的氧气。
（二）应用实例
位于中美洲的比利兹水产养殖场（Belize Aquaculture Farm）可能是当时生物絮团技术商业化应用得最为成功的案例，其采用1.6公顷的铺膜池塘生产了大约11～26吨公顷茬的对虾产量（Browdy et al., 2001）。随后在全世界范围内，有规模的对虾池塘养殖所采用的生物絮团技术基本上都来自于比利兹水产养场的相关经验。
而在80年代的美国，Serfling等人实现了生物絮团技术的首次商业化应用，他在加利福尼亚州太阳养殖场设计了首个生物絮团养殖系统，并进行了罗非鱼的规模化养殖（Serfling, 2006）。此后，Avnimelech等人在以色列集中研究了生物絮团技术在罗非鱼封闭式集约化养殖中的应用，而美国的沃德尔海水养殖中心（Waddell Mariculture Center）也开展了生物絮团技术在凡纳滨对虾封闭式集约化养殖中的应用（Browdy et al., 2001;Avnimelech, 2007）。
进入21世纪，美国马里兰州、佛罗里达州、夏威夷州和德克萨斯州等地方的多个研究所又都相继开展了生物絮团技术在室内跑道式养殖池中的应用，采用的是超高密度养殖模式。其中，应用最成功的当属马里兰州的Marvesta养殖场，在～570m3的室内跑道池内产出了45吨的新鲜对虾（Emerenciano et al., 2013）。
五普通养殖户能否应用这项技术？该如何应用到它？
普通用户最好经过学习以后才应用该技术，否则容易出问题，因为生物絮团系统耗氧厉害，容易缺氧死亡。当然，也可以简单在水体中应用一些糖蜜、葡萄糖等物质来降低一些水中氨氮和亚硝酸盐。
六 生产中应用生物絮团能达到什么效果？
生物絮团技术( Biofloc Technology，BFT) 是当前比较先进的水产养殖技术之一（Crabet al., 2012），具有净化水质、减少换水量、提高饲料利用率的作用（Chamberlain et al., 2001；Hariet al., 2004），在以色列、美国、泰国、印度及巴西等国家的对虾及罗非鱼养殖上取得较大成功（Emrenciano et al., 2013）。此外，有研究进一步发现（Crab et al., 2010），BFT 具有生物防治作用，可明显增强养殖对象的抗病能力，并提高存活率。
七据了解，有反应说生物絮团在实际生产中的应用并不是很理想。其中的原因是什么？生物絮团是否只是一个概念？这些年的实际应用效果如何？
生物絮团技术目前无法有效推进的关键仍然是受限于成本太高，主要是电费成本，理论上维持生物絮团的正常生存需要24小时不间断增氧，这对于大多数模式而言均有难度；在这，用碳源平衡氮素，而且比例要求碳氮比12～15，碳源增加的成本也是一笔不菲的费用，这是最起码也是绕不过的一道障碍，再加上该技术相对以往的技术难以掌握，有反应说生物絮团在实际生产中的应用并不是很理想也是很可以理解的事情。
生物絮团是新概念，理解之后还要结合实际才能有价值，否则也只能仅仅是个概念。
整体来讲，这些年的实际应用效果不如想象的好，也是因为上面说的原因。
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