水產養(yǎng)殖環(huán)境微生物研究進展

劉培敏，羅金萍，高權新

湖州師范學院，浙江湖州313000

近年來，我國水產養(yǎng)殖產業(yè)發(fā)展非常迅猛，已經(jīng)成為中國農業(yè)結構中發(fā)展最快的產業(yè)之一，養(yǎng)殖產量始終保持穩(wěn)定增長，2020年全國水產品養(yǎng)殖產量為6 549.02萬t，同比增長1.06%。然而，水產養(yǎng)殖活動對水環(huán)境的負面影響也日益增大。在養(yǎng)殖過程中，水產動物的殘餌和排泄物等會導致養(yǎng)殖水體沉積物中有機物含量不斷增加，其后果是水體富營養(yǎng)化、pH下降和底泥溶氧降低，氨氮、重金屬和硫化氫等有毒物質也會不斷積累［1-2］，這不僅對水環(huán)境造成嚴重污染，同時也會影響水體中微生物的組成結構。微生物作為生態(tài)結構中的重要成員，在維系生態(tài)平衡、促進元素良性循環(huán)過程中發(fā)揮著無可替代的巨大作用，其組成結構必然會隨著水質的改變而發(fā)生變化。

隨著水產養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴大，新型微生物體系出現(xiàn)并不斷發(fā)生著改變［3］，養(yǎng)殖水體沉積物中喜歡厭氧條件以及與碳、硫循環(huán)相關的微生物過度繁殖，使沉積物中的細菌多樣性下降［4-6］。養(yǎng)殖水體中細菌多樣性的改變與水產養(yǎng)殖規(guī)模有關，養(yǎng)殖規(guī)模的擴大使養(yǎng)殖水體底泥中的有機物不斷富集，由于微生物豐度與魚類數(shù)量和有機物沉積量呈正相關，所以隨著時間的推移，底泥中的微生物群落組成會發(fā)生顯著變化，這表明持續(xù)的水產養(yǎng)殖活動可能對菌落結構產生累加效應（主要是變形菌門和擬桿菌門）［7］。在養(yǎng)殖中后期，底泥中的硫化物會大幅提高，此時主要以脫硫桿菌科的發(fā)酵菌，如擬桿菌、厚壁菌和完全氧化硫酸鹽還原菌為主［8］。目前，新型微生物群系特征已成為評估人為干擾強弱的指標，亦是預測生態(tài)環(huán)境健康與否的依據(jù)，因此諸多專家學者開始探索水產養(yǎng)殖對微生物群落的影響。

1 水產養(yǎng)殖環(huán)境中微生物的作用

1.1 反映養(yǎng)殖環(huán)境水體系統(tǒng)的生態(tài)特征

水產養(yǎng)殖產業(yè)規(guī)模不斷擴大，必然會對其附近水域的微生物結構造成不可逆轉的影響。水體環(huán)境溫度較高時，有機氮（殘餌和糞便中的蛋白成分）會被快速分解成無機氮，同時水體的pH和溶氧量降低。野生水體底泥中的細菌大多是好氧或是兼性厭氧菌，而養(yǎng)殖水體中的細菌則大多是厭氧菌，所以溶氧量的降低必然導致水體中微生物結構的改變；同時水體中硝化細菌（nitrifying bacteria）、藍細菌（Cyanobacteria）等多種微生物豐度增加［9］。但弧菌（Vibrio）、氣單胞菌（Aeromonas）和雪瓦內氏菌（Shewanella）等微生物的大量繁殖會對魚類健康產生威脅［10］，影響周圍水域的生態(tài)平衡。

細菌作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要參與者和分解者，菌群的動態(tài)平衡必然會隨著水體的營養(yǎng)特點與水質參數(shù)朝著適應環(huán)境變化的方向移動，例如當水體受到污染時，傷寒沙門氏菌（Salmonella typhi）、腸炎沙門氏菌（Salmonella enteritidis）、鼠傷寒沙門氏菌（S.typhimurium）、志賀氏菌屬（Shigella Castellani）和變形桿菌屬（Proteus）等的比例增加。另外，一些可分解有害物質的微生物（如光合細菌、硝化細菌等）的豐度也會增加，通過分解轉化等來實現(xiàn)對水體的凈化作用［11］。此外，水體環(huán)境常見的糞便指示菌——大腸桿菌（Escherichia coli）、糞便鏈球菌（Enterococcus faecalis）、產氣莢膜桿菌（Clostridium perfringen）和克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等也可用于評估水體受糞便污染的程度［12］。

水體中細菌與養(yǎng)殖動物的健康息息相關，這些細菌一方面可保護水生動物免受病原體的侵害，另一方面則可能成為潛在的致病菌。水生動物的條件致病菌通常來自水體和底泥中的異養(yǎng)菌，并可能在水質惡化的情況下引發(fā)病害。水產養(yǎng)殖可能會帶入新的致病菌，打破菌群結構平衡，進而影響其他水生動物的健康。由于新入住的致病菌有可能是人類致病菌，所以微生物生態(tài)結構的改變也會對人類健康造成威脅。致病菌和益生菌的數(shù)量與比例可以作為水體生態(tài)結構健康與否的生物標記，所以評估養(yǎng)殖水域微生物的組成結構和變化規(guī)律不僅有助于提高對水體生態(tài)現(xiàn)狀的認識，也可為生態(tài)保護、健康養(yǎng)殖與人類安全提供參考依據(jù)。

1.2 緩解水產養(yǎng)殖活動引發(fā)的生態(tài)失衡

水生環(huán)境中微生物對于整個生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)代謝和能量循環(huán)至關重要。微生物群系為了維持生態(tài)的相對平衡，一般會加速分解水體中的有機物質和有毒物質，比如氨氮、硝酸鹽和硫化氫等，從而緩解因環(huán)境因素改變導致的水生動物機體損傷［13］。殘留的餌料和排放的糞便會被微生物降解，這有利于水質的凈化，并降低水體富營養(yǎng)化水平［14］。芽孢桿菌（Bacillus）和假單胞菌（Pseudomonas）是兩類分解有機物的細菌，可以降低底泥的化學耗氧量，有效緩解因有機物質的增多而造成的溶氧量降低，維持溶氧量的相對穩(wěn)定，從而保證水體中水生動物的存活［15］。

1.3 指示所在水域水生動物的健康水平

健康水體與污染水體中的菌落結構存在顯著差異，微生物結構特征可以成為衡量水質與水生動物健康的標尺，許多菌種也可以作為重要的指示菌。藍細菌、紅細菌（Rhodobacterales）、浮游菌（Planctomycetales）、立克次氏體（Rickettsiales）和疣微菌（Verrucomicrobiales）等可以作為水生動物存在患病危險的指示菌類；黃桿菌（Flavobacteriales）、硫滴菌（Thiotrichales）、伯克霍爾德菌（Burkholderiales）、纖維菌（Fibrobacterales）、芽孢桿菌（Bacillales）和丙酸桿菌（Propionibacteriales）可以作為水生動物健康的指示菌類［16］。蝦類出現(xiàn)病患時，紅細菌（Rhodobacterales）的數(shù)量會大幅增加，而在健康幼體階段，副球菌屬（Paracoccus）則會增多［17］。

環(huán)境因子、水體微生物和宿主微生物之間存在著互動關系。與自然水體相比，污染水體中微生物的多樣性會減少［18］。水質的惡化會造成微生物的結構失調，使得整個水體系統(tǒng)處于“病態(tài)”中，進而危及水生動物的存活。水生環(huán)境的污染會降低有益菌的豐度，促使條件致病菌趁機擴大規(guī)模，這為水生動物病害的發(fā)生創(chuàng)造了條件［19］。在缺氧或高溫條件影響下，水體中的條件性致病菌（弧菌、氣單胞菌等）有可能轉化為優(yōu)勢菌，這些致病菌可能不會直接導致水生動物的死亡，但可以改變共生微生物的組成結構，并協(xié)同污染水體的有毒物質一起損害水生動物的免疫系統(tǒng)，這使得生態(tài)系統(tǒng)的平衡性處于不利于水生動物生長的狀態(tài)，最終導致大量的水生動物死亡［20-21］。

1.4 微生物攜帶的抗性基因成為評估水體環(huán)境污染程度的重要指標

養(yǎng)殖產業(yè)不斷發(fā)展，各類水產動物疾病也逐漸增多，其中細菌性疾病占全部水生動物疾病種類的48.0%以上，致病菌所造成的經(jīng)濟損失超過全部病害損失的50.0%以上［22］?？股厥欠乐渭毦圆『ψ钣行У氖侄危梢杂行У臍绮≡?，緩解集約化養(yǎng)殖帶來的病害問題，減少暴發(fā)病害所造成的經(jīng)濟損失。但濫用抗生素的同時也催生了大量抗性基因，細菌在獲得抗性基因后便會對抗生素產生耐受力，這對人類的健康造成嚴重威脅。

水產養(yǎng)殖活動是水體中抗生素最主要的來源。有報道顯示黃?？股貪舛葹镹D～16.6 ng·L-1，而黃海周邊典型養(yǎng)殖水域卻在ND～995.02 ng·L-1之間［23-25］；北部灣沿?？股貪舛葹?.82～118 ng·L-1，而北部灣海水養(yǎng)殖區(qū)域高達43.2～885 ng·L-1［26］。在水產養(yǎng)殖場附近，抗生素耐藥細菌的檢出率很高，這表明水產養(yǎng)殖所釋放的抗生素對微生物的菌落組成具有顯著影響，可以加速抗性基因的傳播，甚至殃及周圍的生態(tài)環(huán)境［27］。在水生環(huán)境中，90%左右的水生細菌至少對一種抗生素具有耐藥性，約20%的細菌對多種抗生素具有耐藥性，這說明在水產養(yǎng)殖活動中同時使用多種抗生素時，可能會誘導產生多重耐藥菌，即便是新型抗生素也會促使耐藥基因的產生和傳播［28］。

水產養(yǎng)殖成了抗性基因的蓄積池［29］，攜帶不同耐藥基因的細菌可以根據(jù)環(huán)境特征選擇性生長，并持續(xù)釋放抗性基因［30］?？股啬退幮钥梢詭椭毦诟邼舛鹊目股叵麓婊睿瑥亩箶y帶耐藥性的細菌具備存活優(yōu)勢，促使耐藥菌株成為所在水體系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌?？剐曰虻漠a生及其傳播保證了大量微生物的存活，維持了環(huán)境細菌的多樣性，在一定程度上緩解了抗生素所帶來的負面效應。然而水生環(huán)境中的細菌有人類和動物的致病菌，這些致病菌能夠在水生和陸生細菌之間共享或傳播遺傳基因?；蚪M中有一組可移動基因元件稱為移動基因，可在水生細菌中傳播［31］。這些包含抗性基因的移動基因的傳播和流行必然使抗生素的作用減弱甚至消失，所以抗性基因成為了當今的新型污染源。

2 水產養(yǎng)殖水域微生物群系變化的影響因素

2.1 養(yǎng)殖品種

水生動物宿主攜帶的微生物是有差異的，并且這種差異很大程度上取決于宿主的遺傳基因，這說明不同的養(yǎng)殖品種對環(huán)境水域微生物群系的影響亦有差別。養(yǎng)殖動物的采食習性和腸道菌群不同，會對養(yǎng)殖水體與底泥產生不同的影響。由于宿主基因可以選擇微生物的入住并且調控菌落結構，使得宿主對微生物群系具有選擇性，因此宿主遺傳基因是整個生態(tài)系統(tǒng)微生物群系的影響因素之一［32］。此外，不同的養(yǎng)殖品種之間，也存在著微生物之間的傳播互動，一種宿主的微生物群系會通過水體與其他宿主微生物群系相聯(lián)系，不同的宿主之間可以通過水體介質而發(fā)生微生物的轉移［33-34］。所以，養(yǎng)殖動物的微生物群系與野生物種、水體環(huán)境交互影響，共同建立了一個新的平衡關系：養(yǎng)殖品種所攜帶的微生物參與水環(huán)境生態(tài)平衡，并且會持續(xù)甚至深入影響整個水域的生態(tài)結構，對水環(huán)境的健康與安全產生級聯(lián)影響。

2.2 養(yǎng)殖條件

不同的養(yǎng)殖模式對微生物組成結構的影響也具有顯著差異，甚至不同的飼料和投喂方式都會導致水體底泥中菌落結構存在差異［35］。水體環(huán)境與水生動物的微生物之間可以進行直接交叉?zhèn)鞑?，所以二者之間存在著顯著相關性。然而即便是相同的養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖品種和投喂飼料，不同的養(yǎng)殖水域之間，水體菌落結構特征也會因為地理條件差異而具有顯著的區(qū)別［36］。很多養(yǎng)殖戶為了追求經(jīng)濟效益，在養(yǎng)殖過程中投放過多餌料，魚類不能完全食用，未被攝取的餌料會沉在池塘底，經(jīng)過不斷的發(fā)酵會產生亞硝酸鹽，影響水中物質的化學平衡，造成水體環(huán)境污染［37］。水底中的氨氮磷含量不斷增加，水體富營養(yǎng)化，且浮游生物的增殖不斷加劇，導致整片水域中氧氣的溶解量減少，水生生物和植物系統(tǒng)出現(xiàn)退化現(xiàn)象。同時水環(huán)境富營養(yǎng)化現(xiàn)象也會促使水體中藻類植物瘋狂生長，或造成微生物生態(tài)結構的失衡，從而導致水環(huán)境污染［38］。

3 水產養(yǎng)殖環(huán)境的生物修復

為了使水產養(yǎng)殖產業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，改善水生生態(tài)環(huán)境勢在必行，因此如何改善水環(huán)境成為當今的研究熱點。通常改善水產養(yǎng)殖環(huán)境的方法有物理方法、化學方法和生物修復等。與其他修復方式相比，生物修復是一種較為綠色和安全的修復措施。生物修復通常是在水體中加入功能微生物或動植物，使其能夠在水體中進行生長繁殖和營養(yǎng)代謝，吸收和降解水體中的有害物質，從而達到水體凈化的目的［39］。

3.1 益生菌修復

目前，人類的生產活動會對河流湖泊等水體造成較大污染，例如油污染、化學污染等，有研究人員篩選出具有良好環(huán)境適應能力和環(huán)境修復潛力的菌株（如假單胞菌屬等），這些菌株可在實驗條件下，對不同種類油脂和化學藥物有較高的降解效率［40-41］。除上述污染外，抗生素污染也較為嚴重?？股仉m然可以殺滅病原菌，但會促使致病菌產生耐藥性，造成藥物殘留，所以我國已經(jīng)明文禁止多種抗生素在水產養(yǎng)殖中使用。益生菌具有安全環(huán)保、無藥物殘留、改善腸道健康、防治病害等優(yōu)點，同時也可降解抗生素和有機污染物［42-43］，所以益生菌已經(jīng)成為替代抗生素的最佳選擇［44-45］。益生菌不僅可以作為飼料添加劑來改善動物健康，還可以通過抑制水生致病菌，分解水體和底泥中的蛋白質、碳水化合物、脂肪等有機物來改善水質［46］?？茖W選擇和合理使用益生菌將成為未來水產養(yǎng)殖領域研究的熱點，益生菌作為“綠色健康”的水體凈化調節(jié)劑必將受到國內外的高度關注［47］。

枯草芽孢桿菌是目前應用較多的一類益生菌，它不僅可以消耗水體中大量的有機物，并將其分解成小的有機酸、氨基酸和氨，為單細胞藻類提供營養(yǎng)，降低氨濃度和凈化水質，還可高效去除水體中的氨態(tài)氮和硝態(tài)氮［48］。有研究表明將枯草芽孢桿菌制劑施用于池塘后，水中亞硝酸鹽、氨氮和硫化物的含量顯著下降［49］。此外，硝化細菌處理可修復池塘底質，包括減少沉積物中的有機物富集，加速底質沉積物氮、磷的分解以及水體與底質沉積物中氮、磷的物質交換。陳旭等［50］的研究結果表明，硝化細菌可用于改善加州鱸養(yǎng)殖水體的沉積物（全磷去除率可達到43.34%）。另外，光合細菌對水中多種有機物都有降解作用，能有效凈化水產品的排泄物，例如在不同的預處理條件下的光合細菌可有效地去除水體中的氨氮和磷酸鹽以及促進辛硫磷的降解［51-53］。雖然益生菌應用比較廣泛，但菌種單一，目前主要使用芽孢桿菌、光合細菌和乳酸桿菌等，因此新型功能性益生菌的研發(fā)已經(jīng)勢在必行［54］。

3.2 水生動植物修復

除了益生菌修復，一些水生動物和水生植物也經(jīng)常用于水產環(huán)境修復。水生植物可憑借自身根系菌膠團吸附懸浮物，其根部牢牢地固著底泥，可有效減少底泥的再懸浮，緩解水體中污染負荷［55］。目前，常用的一些凈化水質的水生植物有浮萍、鳳眼蓮、蘆葦、青萍、美人蕉和香蒲等；浮萍可在根際效應的驅動下，通過其攜帶的根際細菌加速水體中叔丁基苯酚的去除［56］。水生植物的不同種植模式對富營養(yǎng)化水體的凈化效果不同，總體趨勢為混種種植優(yōu)于單種種植［57］。此外，水生動物也具有修復水環(huán)境的作用，目前主要是利用濾食性食藻魚和植食性浮游動物來解決水產養(yǎng)殖中的污染問題。鰱、鳙魚等濾食性魚類具有特殊的攝食器官，具有很強的過濾浮游生物的能力，能將大量的氮、磷及其他營養(yǎng)元素轉移出水體，有效降低水體的富營養(yǎng)化程度［58］。

4 展望

我國是世界第一大水產養(yǎng)殖國，水產養(yǎng)殖產量逐年遞增，雖然滿足了消費者不斷增長的食物需求，但是水產養(yǎng)殖會產生大量廢水，對水環(huán)境造成嚴重破壞。目前，我國水產養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境管理體系尚不健全，與國外水產養(yǎng)殖發(fā)達國家相比，我國水產養(yǎng)殖部門在制度建設、公眾監(jiān)督和政府管理方面仍然存在不足。針對這一現(xiàn)狀，我國應加大對典型養(yǎng)殖水域細菌多樣性及抗性基因污染狀況的調研力度，著手建立一套控制廢水排放與抗性基因污染的管理辦法，圍繞生態(tài)健康環(huán)保的原則發(fā)展水產養(yǎng)殖業(yè)。首先提高池塘養(yǎng)殖的機械化水平，完善進排水以及水質檢測和處理系統(tǒng)，實現(xiàn)養(yǎng)殖過程的信息化管理，實時監(jiān)控養(yǎng)殖過程；二是可發(fā)展深遠海養(yǎng)殖，設計面向不同海域條件和不同養(yǎng)殖品種的新型養(yǎng)殖設備，控制養(yǎng)殖容量，完善遠程監(jiān)控設備；三是因地制宜，考慮經(jīng)濟養(yǎng)殖品種食性，做到“以水養(yǎng)魚，以魚養(yǎng)水”。

此外，我國水產養(yǎng)殖業(yè)在環(huán)保技術層面的研發(fā)較為落后，嚴重缺乏綠色漁藥、水體凈化制劑和環(huán)保型飼料等方面的產品，因此，我國有必要加大對水產養(yǎng)殖業(yè)的生態(tài)化研究力度，開辟水產生態(tài)化轉型的新路徑。生物修復作為一種新型綠色環(huán)保的治理方法，不僅可以保證水生動物的健康，而且可以穩(wěn)定甚至優(yōu)化水生環(huán)境的生態(tài)平衡，將成為我國水產養(yǎng)殖水體污染的有效治理辦法。未來可將吸附、機械過濾等物理修復手段與綠色環(huán)保的生物修復相結合，開發(fā)兼具兩者優(yōu)勢的數(shù)字裝備；另外可篩選與鑒定具有生物修復功能的益生菌和動植物，并利用二者的功能優(yōu)勢開發(fā)具有更高效率的水體凈化方法，從而實現(xiàn)經(jīng)濟和生態(tài)效益雙贏。