在生物絮团系统中，通气强度不仅决定了水体的供氧能力，还调控着絮团体结构、微生物群落动态及养分循环效率，进而直接影响养殖水质与南美白对虾的健康状况。
在高密度南美白对虾养殖模式下，养殖废物排放量增加，环境风险随之上升，而生物絮团技术被认为是解决这一问题的可持续方案。然而，通气强度对生物絮团系统中微生物群落结构及系统运行效率的具体作用机制仍不明确。Han及其同事于2025年开展的研究，为阐明曝气在南美白对虾养殖生物絮团系统操作中的关键作用提供了重要的科学依据。
一、研究方法与实验设计
本实验持续2个月，设置三个通气强度梯度，分别为V75（75升/分钟）、V35（35升/分钟）和V10（10升/分钟），每个处理组设置4个重复，共12个40升海水养殖水箱，用于微生物生物质的培养。为模拟实际养殖条件并促进微生物区系的正常发育，从商业孵化场选取120尾南美白对虾幼虾，均匀分配至12个水箱中。实验通过每日补充葡萄糖（作为碳源）和相当于对虾体重3%的混合饲料（作为氮源）启动微生物量形成过程，全程维持稳定的碳氮比（C/N）为20:1。
实验期间不进行换水，仅每周补充干净水以弥补蒸发损失的水量。曝气系统由中央气泵提供动力，结合泡腾石与可调节阀门，实现各处理组曝气强度的精确控制；每个水箱的进气口均连接独立商用流量计，用于量化气体流量并将其调节至预设水平。在整个2个月的实验周期内，所有处理组均保持持续通气，并采用统一的标准饲养管理方案。
图1：不同曝气强度对养殖水质参数的影响
二、结果与讨论
研究结果显示，各实验组的水质参数波动均处于南美白对虾适宜养殖范围内。絮团体体积（FV）作为反映水体中絮团体总体积的指标，是评价系统内生物量密度与聚集程度的核心参数，可用于监测微生物生物量与可用营养物质之间的平衡关系，进而保障微生物生长与代谢的有利条件。本研究中，絮团体体积（FV）与通气强度呈正相关关系，其中V75处理组的FV值最高，这与以往相关研究的结果一致。较高的FV值通常表明微生物群落生长旺盛，能够高效利用和回收水体中的养分，从而助力水质改善，增强养殖系统的整体稳定性。
在生物絮团系统（BFT）中，好氧异养细菌在有机物分解和颗粒聚集过程中发挥着关键作用，直接参与生物絮团的形成与稳定。研究发现，高通气强度（V75）为好氧异养细菌的生长和活性提升创造了有利条件，与低通气强度处理组相比，更易形成大量生物量簇。这一现象的主要原因可能是：强通气显著提高了水体溶解氧量，促进了好氧异养细菌的新陈代谢，提升了其氧化还原反应效率与酶活性，进而刺激细菌的生长繁殖。但同时，高曝气强度（V75和V35组）产生的较大机械力也会导致生物量簇破碎，使絮团尺寸减小。
生物絮团的微生物生物量结构不仅取决于絮团大小，还与其复杂性密切相关，而这种复杂性直接影响水体中絮团的沉积速率，以及水生生物将其作为食物来源的利用效率。二维（2D）分形维数作为反映絮团形态复杂程度的统计指标，是评价生物絮团结构的重要参数。结果表明，通气强度对二维分形维数具有显著影响，进而改变系统对微生物生物量的捕获能力。
具体而言，V75处理组的二维分形维数始终保持稳定，而V35和V10处理组的二维分形维数则呈逐渐下降趋势，表明随着通气强度降低，生物量簇的结构变得更加简单。这一现象可能与低通气处理组水体湍流水平较低有关——湍流不足会减少颗粒之间的碰撞与相互作用频率，进而限制大絮团破碎为更小的颗粒，最终导致絮团结构复杂性降低。
图2：不同通气强度组中微生物群落的组成和密度。（A）门水平；（B）纲水平；（C）属水平；（D）种水平；（E）种水平细菌密度热图。
此外，通气强度的差异还会显著影响气泡的大小、分布及漂浮速度：低通气强度下产生的气泡数量少但尺寸较大，而强通气则因流速增加形成大量小气泡。这些差异直接影响水体的氧传输效率、生物絮团形成过程以及养殖系统的整体水环境条件。未来，深入研究通气强度、气泡尺寸与生物量结构之间的内在关联，对于优化生物絮团系统以适配不同水生生物及不同发育阶段的生理需求具有重要意义。
同时，高强度曝气有助于有效降低水体中亚硝酸盐和硝酸盐的浓度，使这些水质指标维持在南美白对虾可持续养殖的最佳范围内。研究结果还强调了玫瑰杆菌科细菌在维持海洋养殖生态系统平衡与生态健康中的重要作用。值得关注的是，该研究指出，开展微生物毒性测试对于深入理解硝化、反硝化及厌氧氨氧化过程至关重要，这类测试可提供有毒化合物或环境压力源对生物絮团系统氮代谢影响的关键信息。将微生物毒性测试整合到未来的研究中，将有助于优化微生物群落性能，提升水产养殖中的氮管理效率。
生物絮团还可作为南美白对虾的补充营养来源，为其提供必需营养物质（尤其是脂肪酸），进而改善对虾生长性能、增强免疫功能、提升整体健康水平。
本研究中，三种通气强度处理组的生物絮团中，粗蛋白、脂质及多不饱和脂肪酸（PUFA）的含量无显著差异，但二十二碳六烯酸（DHA）含量波动明显，其中V75处理组的DHA含量最高。这是因为通气量的增加为DHA生物合成提供了充足的氧源，从而促进了微生物量中DHA的形成与积累。
值得注意的是，通气强度并未对生物絮团中其他脂肪酸的含量产生显著影响，这一现象的潜在机制仍有待进一步阐明。一个合理的假设是，这些脂肪酸的生物合成途径对水体溶解氧浓度的变化不敏感。
对各处理组微生物群落基因功能的分析显示，不同通气强度下微生物的代谢活动几乎一致，反映出微生物区系在适应不同通气条件时的稳定性。这一结果表明，有氧呼吸与能量生产在生物絮团生态系统中持续进行，为系统稳定运行提供了保障。
三、结论：
综上，通过合理调整生物絮团系统的通气强度这一工艺因素，既能实现水体的有效净化，又能为养殖动物提供额外营养，从而同时实现生态效益与经济效益的双赢。通气强度主要影响生物絮团（微生物生物量）的特征：低通气强度会形成更大但结构更简单的微生物菌落，而高通气强度则更有利于生物絮团中DHA的积累。无论曝气水平高低，生物絮团技术均能有效降低水体中氨氮和亚硝酸盐的浓度，且与氮代谢、蛋白质合成相关的微生物功能在所有曝气条件下均保持稳定，确保了生物絮团系统的稳定运行性能。
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