基于生物絮团-附生生物复合系统提升白卡帕玛鲳养殖效率的综合研究

《Aquaculture International》：Enhancing production of white cachama (Piaractus orinoquensis) in biofloc systems through the integration of periphyton substrates and polyculture with bocachico (Prochilodus mariae)

本研究针对生物絮团技术(BFT)系统中固体积累和水质波动等问题，创新性地将附生生物养殖技术(PBAT)与白卡帕玛鲳和博卡奇科鱼混养相结合。研究通过60天的实验发现，BFT-PBAT复合系统能显著改善水质，降低亚硝酸盐和硝酸盐浓度，提高碱度稳定性，并将污泥-生物量比率从0.23降至0.15。白卡帕玛鲳在复合系统中的最终体重(28.66 g)和特定生长率(6.2%·天-1)显著提升，证明该集成策略能有效优化固体管理并促进鱼类生长，为可持续水产养殖提供了新方案。

　　

随着全球人口持续增长，到2050年粮食需求预计将增加50-60%，水产养殖作为重要的蛋白质供应部门面临着严峻的可持续发展挑战。传统养殖方式对水资源和土地资源的需求巨大，营养丰富的废水排放导致水体富营养化风险，同时水产饲料对海洋原料的持续依赖也制约着行业发展。在这一背景下，生物絮团技术(BFT)作为一种环境友好型养殖模式备受关注，但其在实际应用中仍面临固体积累和水质波动等技术瓶颈。

生物絮团技术基于高碳氮比条件下形成的悬浮微生物絮团，这些絮团由颗粒有机物、细菌、藻类、真菌和浮游动物组成，能够通过微生物同化作用将含氮废物转化为微生物蛋白质。然而，BFT系统中不断添加的碳水化合物、未食用饲料、粪便和微生物会导致固体积累，影响养殖动物发育。与此同时，附生生物养殖技术(PBAT)通过在水体中设置固定或漂浮基质，促进附着微生物复合体的生长，这些附生生物群落能够通过营养吸收维持水质，并为养殖物种提供额外的天然食物资源。

哥伦比亚洛斯亚诺斯大学水产养殖研究所的研究团队在《Aquaculture International》上发表了一项创新性研究，将BFT与PBAT技术相结合，同时引入白卡帕玛鲳(Piaractus orinoquensis)和博卡奇科鱼(Prochilodus mariae)的混养模式，探索这种综合养殖策略对水质、微生物群落和生产性能的影响。

研究团队采用完全随机设计，设置了三种处理方式，每种处理设三个重复：C处理为白卡帕玛鲳在BFT系统中的单养；CB处理为BFT系统中白卡帕玛鲳与博卡奇科鱼的混养；CBS处理为在BFT系统中同时进行两种鱼的混养并添加竹子基质(BFT-PBAT系统)。实验持续60天，监测了水质参数、固体动态、微藻群落和养殖性能等指标。

主要技术方法包括：在500升圆形塑料桶中进行养殖实验，维持15:1的碳氮比，使用商业浮性饲料(32%粗蛋白)作为氮源，甘蔗糖蜜(33.7%总有机碳)作为碳源；CBS处理中安装30根纵向切割的竹竿，增加约92%的微生物定殖表面积；定期监测水温、pH、溶解氧、电导率等水质参数，以及总氨氮(TAN)、亚硝酸盐(NO₂-N)、硝酸盐(NO₃-N)等氮化物浓度；通过沉积物测定和重量分析法分析固体动态；利用显微镜鉴定和计数微藻群落，并通过冗余分析(RDA)评估环境因子与微生物群落的关系。

水质改善效果显著

研究结果显示，CBS处理在水质指标上表现最优。与C和CB处理相比，CBS系统中的亚硝酸盐和硝酸盐浓度显著降低(p<0.001)，碱度更高且更稳定(p<0.001)。特别是碱度指标，CBS处理平均维持在180 mg CaCO₃·L^-1，无需外部添加即可保持稳定，这对于哥伦比亚奥里诺基亚地区典型的软酸性水体环境具有重要应用价值。研究人员认为，竹子基质的添加和分解可能创造了厌氧微环境，促进了反硝化细菌的活性，将硝酸盐转化为氮气，同时通过消耗质子或产生碳酸氢盐来提高碱度和缓冲能力。

磷酸盐(PO₄^3--P)浓度在CBS处理中显著高于其他处理(p<0.001)，特别是在实验的第一个月。这可能是由竹子基质分解、未食用饲料、粪便和附生生物等有机质降解释放磷所致。随着实验进行，附生生物生物量增加，磷的吸收和释放逐渐平衡，从第38天起各处理间的磷酸盐水平趋于一致。溶解态氮磷比(N:P)在CBS处理中显著低于其他处理(p<0.001)，通常低于7:1(质量比)，表明相对于有效磷，浮游植物生长可能受到氮限制。

固体管理效率提升

在悬浮固体动态方面，CBS处理表现出更好的固体管理效率。虽然总悬浮固体(TSS)浓度在所有处理中均保持在600 mg·L^-1以下，但CBS处理的污泥-生物量比率显著低于C处理(p=0.045)，分别为0.15和0.23。这一指标比单点TSS测量更能反映系统固体管理效率，因为它整合了相对于鱼类生物量增加和饲料投入的总废物产量。

研究还发现，CBS处理是最后一个需要使用沉降池来控制可沉降固体的处理组，最终表现出单位鱼类生物量的净污泥产量最低。在BFT系统中，定期通过沉降池去除固体会破坏微生物群落稳定性，影响硝化作用，而BFT-PBAT系统表现出更强的恢复力，能更好地缓冲潜在的不稳定因素。

微生物群落时序演替

微藻群落结构分析揭示了明显的时间驱动演替模式。多元方差分析(PERMANOVA)表明，时间是影响浮游植物群落结构的最显著因素(R²=48.9%, p=0.001)，而处理间差异不显著。在所有处理中均观察到清晰的生态演替：初始阶段(0-30天)以绿藻纲(Chlorophyceae)为主(相对丰度>87%)，后期阶段(60天)转变为以蓝藻纲(Cyanophyceae)为主(相对丰度>64%)。

冗余分析(RDA)显示，全球模型显著(p=0.001)，解释了群落中39.3%的调整后方差。第一典型轴(RDA1)是唯一显著轴(p=0.001)，占总方差的37.1%，反映了清晰的时间-环境梯度。初始阶段样本与较高的TAN浓度相关，而后期样本与较高的TSS、溶解氧和硝酸盐浓度相关。绿藻属如盘藻藻(Desmodesmus)和纤维藻(Ankistrodesmus)是初始阶段的代表性类群，而丝状蓝藻席藻(Phormidium)是养殖后期阶段的特征物种，与成熟系统的条件相关。

CBS处理中竹基质上的附生生物群落也呈现类似的演替模式，从绿藻主导(第0天99.4%)转变为蓝藻主导(第60天68.0%)。附生生物群落约占CBS处理中总自养生物量(叶绿素a)的17±13%，表明其在系统微生物组成中扮演重要角色。

养殖性能差异显著

在养殖性能方面，白卡帕玛鲳在CBS处理中表现最佳，最终体重(28.66 g)、日增重和特定生长率(6.2%·天^-1)显著高于CB处理(p=0.02)。虽然与C处理相比生长也有所提高，但差异未达统计学显著性。白卡帕玛鲳的最终总长度在各处理间无显著差异(p=0.06)，但在C和CBS处理中略有升高趋势。

对于博卡奇科鱼，CB和CBS处理间所有评估的养殖性能参数均无显著差异(p>0.05)。白卡帕玛鲳的存活率较高(>87%)，处理间无显著差异(p=0.56)，而博卡奇科鱼的存活率为100%。

饲料转化率(FCR)值在所有处理中均低于1(CBS为0.76，C为0.81，CB为0.90)，处理间无显著差异(p=0.06)。考虑混养时，情况类似，CBS值为0.73，CB值为0.87(p=0.05)。

研究结论与意义

本研究结果表明，将竹子基质引入白卡帕玛鲳和博卡奇科鱼的BFT混养系统，可显著改善水质并优化固体管理，特别是在软酸性水体地区是一种可行的技术。虽然单独引入博卡奇科鱼对生产力没有显著影响，但BFT-PBAT混养系统比无基质的BFT混养促进了白卡帕玛鲳更高的生长和饲料效率。

这一发现对可持续水产养殖发展具有重要意义：首先，BFT-PBAT系统通过促进反硝化和营养盐同化，有效降低了氮磷比，缓解了水体富营养化风险；其次，附生生物作为微生物储库，能够捕获部分悬浮生物絮团，减少固体积累，提高系统稳定性；最后，这种综合养殖模式充分利用了不同物种的生态位互补性，降低了饲料投入，提高了资源利用效率。

研究的创新点在于首次评估了P. mariae在BFT系统中的养殖性能，以及两种物种在BFT和混合BFT-PBAT系统中的表现。未来研究可探索BFT-PBAT系统在单养条件下的表现，以及优化集成混养系统的策略，以明确观察到的益处是来自混养的协同作用还是单纯引入基质的结果。

该研究为资源有限环境下水产养殖的可持续发展提供了重要技术路径，通过整合生物絮团技术、附生生物技术和混养策略，实现了水质管理、废物处理和生产力提升的多重目标，为应对全球粮食安全挑战提供了切实可行的解决方案。