曝气强度对生物絮团技术养殖南美白对虾的水质、养分循环及微生物群落的影响研究。
南美白对虾（Litopenaeus vannamei）作为全球水产养殖的核心品种，养殖集约化程度的持续提升虽实现了养殖密度的大幅增加，却也带来了养殖水体废弃物累积、铵态氮与亚硝酸盐浓度超标等突出问题，不仅会削弱对虾免疫系统、诱发病害，更易造成严重的经济损失。在此背景下，生物絮团技术（Biofloc Technology, BFT）凭借微生物群落介导的水质改善、养分循环再利用优势，成为南美白对虾可持续养殖的重要解决方案。曝气作为BFT系统的核心调控环节，直接影响水体溶解氧水平，进而决定微生物群落的结构、功能与代谢活性，但其对BFT系统微生物动态的具体作用机制，尤其是曝气强度与生物絮团特性、养分循环及对虾营养供给的关联，尚未得到充分阐明。
为明确不同曝气强度对BFT南美白对虾养殖系统的影响，本研究设置三种梯度曝气强度，系统探究其对养殖水质、生物絮团形态与组成、微生物群落功能及养分循环的作用规律，旨在为BFT系统曝气策略的优化提供科学依据，推动南美白对虾养殖的精细化、高效化发展。
一、材料与方法
1、实验设计与养殖系统：
本实验周期为2个月，设置3个曝气强度梯度，分别为V75（75升/分钟）、V35（35升/分钟）和V10（10升/分钟），每个处理设置4次重复，共构建12个独立养殖单元。养殖单元采用40升海水养殖罐，均接入中央空气泵系统，通过气泡石、调节阀及独立商用流量计控制并校准曝气流量，全程持续充气。
从商业孵化场选取健康一致的南美白对虾幼虾120尾，随机均分到12个养殖罐中，模拟实际养殖条件开展实验。实验全程不换水，每周补充清洁水以补偿蒸发损耗，所有养殖单元均采取标准化养护措施。
2、生物絮团培养与营养调控：
为促进微生物生物量形成与生物絮团发育，向各养殖罐中添加相当于对虾体重3%的葡萄糖与复合饲料，作为微生物生长的碳、氮来源，实验全程保持碳氮比（C/N）为20:1，为生物絮团的稳定形成提供营养基础。
3、测定指标与方法：
实验期间监测并记录各养殖单元的水质关键参数，包括铵态氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度等；测定生物絮团颗粒体积（FV），反映生物絮团颗粒密度与聚集程度；采用二维分形维度表征生物絮团的结构复杂度；检测生物絮团中粗蛋白、脂质、多不饱和脂肪酸（PUFAs）及二十碳六烯酸（DHA）等营养成分含量；分析微生物群落的代谢活性与功能特征，探究曝气强度对微生物群落的调控作用。
二、结果与分析
1、曝气强度对养殖水质的影响：
实验结果表明，三种曝气强度下，养殖水体的各项水质参数均处于南美白对虾养殖的安全阈值范围内，未出现超标现象。其中，高曝气强度（V75）对水体氮素化合物的调控效果更优，能有效降低硝酸盐、亚硝酸盐浓度，并将其维持在对虾养殖的最佳阈值，为对虾生长营造了稳定的水质环境；中、低曝气强度下，水体氮素浓度略高于V75组，但仍处于安全水平，表明生物絮团技术在不同曝气强度下均具备良好的水质净化能力。
图1：不同曝气强度对水质参数的影响。
2、曝气强度对生物絮团形态特征的影响：
生物絮团颗粒体积（FV）与曝气强度呈显著正相关，V75组的FV值显著高于V35与V10组，表明高曝气强度能促进生物絮团颗粒的积累，形成密度更高的生物絮团，这与已有研究结果一致，高FV值通常意味着系统形成了成熟的微生物群落，能高效利用和循环水体中的养分，提升养殖系统的稳定性。
曝气强度对生物絮团的结构复杂度与颗粒大小具有显著调控作用：高曝气强度（V75）下，生物絮团的二维分形维度保持稳定，结构复杂度较高，但因曝气带来的机械力作用，易造成生物絮团破裂，形成大量小粒径絮团颗粒；中、低曝气强度（V35、V10）下，二维分形维度呈下降趋势，生物絮团结构复杂度降低，且水体湍流水平较低，减少了颗粒间的碰撞与碎片化过程，形成的絮团颗粒数量较少但粒径更大，其中V10组形成了体积最大、结构最简单且强度更高的生物絮团簇。
此外，曝气强度直接影响絮团颗粒的分布与浮力，低曝气速率下絮团颗粒体积大、浮力相对稳定，高曝气强度下因水体流动速度增加，形成的小粒径絮团颗粒分布更均匀，二者均会对水体氧气转移效率与生物絮团的形成过程产生直接影响。
3、曝气强度对生物絮团营养成分的影响：
三种曝气强度下，生物絮团中粗蛋白、脂质及多不饱和脂肪酸（PUFAs）的含量无显著差异，表明曝气强度对这些基础营养成分的合成与积累无明显调控作用；但DHA含量存在显著差异，V75组的DHA含量显著高于V35与V10组，呈现出曝气强度越高，DHA积累量越高的规律，表明高曝气强度是促进生物絮团中DHA合成的关键因素。
4、曝气强度对微生物群落功能的影响：
对微生物组遗传功能的分析结果显示，三种曝气强度下，微生物群落的代谢活动无明显差异，有氧呼吸、能量产生等核心代谢过程均稳定进行，表明微生物群落结构对不同曝气强度具有良好的适应性，核心功能保持稳定，确保了生物絮团对水体有机物的分解能力与养分循环效率。其中，高曝气强度（V75）显著提升了水体溶解氧水平，促进了好氧异养菌的生长与活性，这类细菌作为有机物分解的主导菌群，其活性提升进一步推动了生物絮团的形成与稳定，增强了系统的养分分解与循环能力。
三、讨论
1、曝气强度调控生物絮团形态的机制：
曝气强度对生物絮团形态的调控主要通过溶解氧供给与机械力作用两个途径实现：高曝气强度为微生物提供了充足的溶解氧，促进好氧异养菌等功能菌群的繁殖，提升微生物生物量，进而增加生物絮团颗粒体积；但同时，高曝气带来的高湍流水平与机械力，会对已形成的生物絮团产生剪切作用，导致絮团破裂，形成小粒径颗粒。而低曝气强度下，溶解氧供给相对有限，微生物繁殖速率较慢，生物絮团颗粒数量较少，但水体湍流水平低、机械力弱，减少了絮团的破碎过程，使得颗粒不断聚集，形成更大、结构更简单的生物絮团簇，这一结果揭示了曝气强度与生物絮团形态之间的权衡关系。
图2：不同曝气强度组微生物种群的组成和密度。（A） 系统发育层级;（B） 年级层级;（C） 属级;（D） 物种层级;（E） 物种层面细菌物种密度热图。
2、高曝气强度促进DHA积累的原因：
DHA作为对虾生长的必需脂肪酸，其在生物絮团中的积累与溶解氧水平密切相关。本研究发现，高曝气强度通过提升水体溶解氧含量，为微生物的DHA生物合成过程提供了充足的氧气基础，进而促进了DHA的合成与积累；而曝气强度对其他脂肪酸无明显影响，推测这类脂肪酸的生物合成途径对氧气波动的敏感度较低，其合成调控可能受其他环境因子或微生物代谢通路的主导，这一机制仍需后续进一步深入研究。
3、生物絮团技术的系统稳定性与曝气策略的关联性：
本研究中，不同曝气强度下微生物群落的核心代谢功能均保持稳定，且生物絮团技术在所有处理中均有效降低了养殖水体中的氨氮与亚硝酸盐浓度，表明BFT系统具有良好的稳定性与抗干扰能力，其水质净化与养分循环的核心功能不会因曝气强度的合理梯度变化而受显著影响。而高曝气强度下形成的高FV值生物絮团与高DHA含量，以及低曝气强度下形成的大粒径稳定生物絮团，为养殖系统的优化提供了不同方向：若以提升生物絮团的营养价值、为对虾提供更高质量的天然饵料为目标，可适当提高曝气强度；若以减少生物絮团的破碎、维持絮团结构稳定为目标，可采用中低曝气强度。
4、微生物毒性测试的应用价值：
微生物毒性测试作为探究氮代谢循环的关键工具，能为解析硝化、反硝化及抗氧化过程提供重要信息，明确有毒化合物或环境压力对BFT系统氮代谢的影响。将微生物毒性测试纳入后续研究，可进一步揭示曝气强度对微生物氮代谢功能的调控机制，为优化微生物活性、提升养殖系统氮管理效率提供更精准的科学依据。