生物修复技术在水产养殖业的应用综述_10篇英文期刊核心观点

《A Review of Ammonia-Oxidizing Archaea and Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria in the Aquaculture Pond Environment in China》

# 聚焦于氨氧化古菌（AOA）和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）的氮循环过程

传统/常规处理措施

传统的脱氮过程，依赖于硝化-反硝化（Nitrification-Denitrification）途径。

硝化过程要曝气增氧，成本高。反硝化需要有机物作为电子供体，增加成本和二次污染风险。

处理会产生大量污泥，硝化细菌（AOB）对pH、温度、溶解氧等较为敏感。

新兴生物处理措施

氨氧化古菌（AOA） 和 厌氧氨氧化细菌（AnAOB） ，实现高效、低耗脱氮的关键微生物。

氨氧化古菌和厌氧氨氧化细菌协同机制

在生物膜厌氧区（A），当硝酸盐浓度较高，而氨和亚硝酸盐匮乏，AnAOB可利用异养反硝化和硝酸盐异化还原过程产生的亚硝酸盐和氨。当亚硝酸盐氧化细菌被抑制时（B），AnAOB可直接利用AOA产生的亚硝酸盐和异养氨化作用产生的氨。 注：HB，异养反硝化细菌；DNRA，硝酸盐异化还原为铵过程

氨氧化古菌 (Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA)

AOA将氨氮（NH₄⁺）氧化为亚硝酸盐（NO₂⁻），与氨氧化细菌（AOB）相比，AOA在低氨氮浓度、低溶解氧、低pH等寡营养条件下，竞争力更强。

多项研究指出，在多种淡水养殖池塘（如草鱼、罗非鱼、虾、鳜鱼等）沉积物中AOA普遍存在，且分布具有垂直分层现象，与环境梯度（如氧含量、营养水平）有关。 AOA作为优势种群，可以构建在低氧、低碳条件下，仍能高效启动和运行的硝化系统，为后续脱氮提供稳定的亚硝酸盐底物。

厌氧氨氧化细菌 (Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria, AnAOB)

AnAOB可在无氧条件下，直接将氨氮（NH₄⁺）和亚硝酸盐（NO₂⁻）转化为氮气（N₂）

反硝化不依赖有机碳源，无需曝气，降低成本和污染风险

耗能比传统工艺节约60%

AnAOB生长缓慢，细胞产率低，产污泥量远少于传统工艺

能直接将两种主要的含氮污染物，转化为无害的氮气

协同应用案例

AnAOB在虾类养殖池塘沉积物中已被发现，并显示出高的生长潜力和氮去除性能。

利用“短程硝化-厌氧氨氧化”（PN/A）耦合工艺，通过控制条件（如DO、pH、温度），使AOA或AOB将氨氮转化为亚硝酸盐（短程硝化），然后AnAOB将剩余氨氮和生成的亚硝酸盐直接转化为氮气。

结合AOA节能硝化和AnAOB高效无碳脱氮，实现养殖尾水高效、低碳、低成本处理。

未来养殖水处理工艺示意图

粪便和残饵经过处理后，可成为农业有机肥料。

部分富含NH₄⁺和CO(NH₂)₂（尿素）的尾水可直接用于农业灌溉。

大部分NH₄⁺和CO(NH₂)₂由养殖动物直接产生，或由异养细菌经氨化作用产生，主要通过AOA和AnAOB的硝化作用和厌氧氨氧化作用去除。

# 未来的研究应聚焦于，如何调控环境因子（如溶解氧、有机质、温度），来富集和维持AOA和AnAOB的优势种群；

优化工艺运行参数，并将这些技术从实验室和小试规模推广到实际的工程应用中。

总结

以氨氧化古菌（AOA） 和 厌氧氨氧化细菌（AnAOB） 为核心的生物修复方法，特别是短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）耦合工艺，因其低能耗、无需有机碳源、污泥产量少和脱氮效率高等优势，是解决养殖尾水问题极具前景的技术方向。

《A Systematic Review of Aquaculture Wastewater Treatment Technologies: Contaminations, Effects and Treatment Techniques》

# 系统回顾了水产养殖尾水（AC-WW）的污染特性、影响及多种处理技术。

核心观点是，现有技术虽能去除部分污染物，但效率仍需提升。

水产养殖尾水

人工湿地 (Constructed Wetlands)

在循环水养殖系统（RAS）中集成人工湿地，利用植物、微生物和基质的协同作用处理尾水。

可行性与成本效益高：技术成熟，建设和运行成本相对较低。

能耗低： 能源消耗主要来自水泵，通常低于0.2 kWh/m³。

生态友好： 属于自然处理方法，对环境影响小。

氮去除效果好： 对含氮污染物（如氨氮、硝酸盐）有良好的去除效果。

人工湿地 (Constructed Wetlands)缺点：

需要土地面积大，处理速度慢、对硝酸盐和磷的去除效果不佳，需要较长的停留时间。

鱼菜共生 (Aquaponics)

结合水产养殖（AC）与无土栽培，形成共生系统。

养殖水被输送到水培系统，微生物将代谢废水（如氨）净化后，再循环回养殖系统。

资源循环利用、生态友好，但管理难度高。

微藻强化水产养殖 (Microalgae-Enhanced AC)

利用微藻光合作用，吸收尾水中的二氧化碳、氮、磷等营养物质，并可生产生物材料。

优点是微藻生长迅速，能有效去除氮、磷，增加溶解氧；且微藻本身可作为饲料、食品或生物燃料；

但依赖光照， 受天气和昼夜影响大。微藻个体微小，采收成本高。可能产生藻毒素；

生物絮团技术在水产养殖上的应用示意图

《A systematic review on aquaculture wastewater Pollutants, impacts, and treatment technology》

总结了水产养殖尾水中各类污染物的处理技术，涵盖了物理、化学、生物及组合工艺。

物理/化学方法

电化学氧化 (Electro-oxidation)；利用电化学过程产生强氧化剂（如羟基自由基）降解有机物和氨氮。

电凝-过滤 (Electrocoagulation-Filtration)；利用电解产生的金属离子作为絮凝剂，去除悬浮物、胶体和部分溶解性污染物。

生物絮凝，(Bacteria-based bioflocculant):利用微生物产生的胞外聚合物作为天然絮凝剂。

可行性与成本效益高：技术成熟，建设和运行成本相对较低。

物理/化学方法优点：

处理速度快，效率高，对特定污染物（如COD、NH₄⁺-N、PO₄³⁻）有较高的去除率。

设备紧凑，不占空间，降解特殊污染有效。

物理/化学方法缺点：

运行成本高，电凝产生金属氢氧化物，化学氧化可产有毒副产物。

持续投加药剂，操作复杂。

生物方法

生物絮团技术 (Biofloc Technology, BFT):通过调控C/N比，促进有益微生物（细菌、藻类、原生动物等）形成絮团，原位吸收利用氨氮等废物，同时作为补充饲料。反硝化木屑生物反应器 (Denitrifying woodchip bioreactors):利用木屑作为碳源和生物膜载体，促进反硝化菌将硝酸盐还原为氮气。微生物降解：利用特定菌株产生物絮凝剂，或直接降解污染物。

生物絮团技术实现零换水对虾养殖

生物方法优点：

成本低、能耗低： 主要依赖微生物的自然代谢过程。

环境友好： 不产生或产生少量二次污染。

可资源化： BFT技术可将废物转化为可被养殖生物利用的蛋白源。可持续性： 符合生态循环理念。

生物方法缺点：

启动时间长： 需要时间建立稳定的微生物群落。

受环境影响大： 温度、pH、溶解氧等变化会影响微生物活性。

处理效率相对较低：对高浓度或难降解污染物处理能力有限。

可能影响养殖系统： BFT需精确控制，否则可能导致水质恶化或病原体滋生。

综合/新兴技术

组合工艺： 如“短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）”、“电凝-过滤”等，结合多种技术优势。

但也会造成操作和管理难度增加，投资成本高。

无论是BFT、人工湿地，还是其他生物处理系统，其去除氮素污染物的核心都依赖于微生物的代谢活动。由氨氧化菌（AOB）或氨氧化古菌（AOA），将NH₄⁺氧化为NO₂⁻，再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）氧化为NO₃⁻。再由反硝化菌，利用有机物将NO₃⁻逐步还原为N₂O，最终为N₂气体释放到大气中。又或无氧条件下，由AnAOB直接将NH₄⁺和NO₂⁻转化为N₂。

《Aquaculture in the Ecosystem》

综述了微生态制剂在水产养殖尾水处理中的应用，重点介绍了其作用机制、种类、影响因素及应用前景。

筛选有益微生物，如，芽孢杆菌、光合细菌、硝化细菌等，经过工业化培养、富集、发酵后制成活菌制剂，作为“清道夫”分解水体中的残饵、粪便等有机废物，降解氨氮、亚硝酸盐等有害物质，改善水质和底质，增加溶解氧，平衡水体生态。

微生物制剂

微生态制剂种类

光合细菌

能利用光能，将水体中的硫化氢、氨氮、有机酸等有害物质转化为自身蛋白质，同时释放氧气，既能净化水质，又能作为鱼类的饵料补充。

芽孢杆菌

好氧型芽孢杆菌能分泌多种胞外酶（如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶），高效降解大分子有机物，将其转化为小分子物质，从而降低水体COD和BOD。

乳酸菌：

属于厌氧或兼性厌氧菌，能产生乳酸等有机酸，降低水体pH值，抑制有害菌繁殖，并促进有益菌生长。

硝化细菌：

由亚硝化细菌和硝化细菌组成，能将有毒的氨氮逐步氧化为毒性较低的亚硝酸盐，最终转化为无毒的硝酸盐，是生物脱氮的关键菌种。

复合微生态制剂：

将上述两种或多种有益菌，按比例复配而成。复合制剂能发挥协同效应，功能更全面，处理效果优于单一菌种。例如，芽孢杆菌分解大分子有机物产生的小分子物质可作为光合细菌和硝化细菌的营养源，形成良性循环。

微生态制剂应用效果影响因素

环境因子：水温、pH值、溶解氧、盐度等直接影响微生物的活性。例如，芽孢杆菌在30-40°C活性最高，而低温会使其进入休眠状态。

使用方法：包括使用时机（如定期使用、水质恶化时使用）、使用频率、使用剂量和使用方式（如全池泼洒、拌饵投喂）等，都对效果有显著影响。

与其他物质的相互作用：使用微生态制剂前后，应避免使用抗生素、消毒剂等杀菌药物，否则会杀死有益菌，导致制剂失效。

微生态制剂优点

安全无毒，无残留：微生态制剂中的微生物是自然界存在的有益菌，不产生有害残留物，不会对养殖生物、消费者和环境造成危害，符合绿色养殖理念。

改善水质效果显著：能有效降解有机物和有害氮化合物，增加溶解氧，全面改善水体环境。 增强养殖生物免疫力：部分有益菌（如乳酸菌）可作为益生菌被养殖生物摄食，定殖于肠道，调节肠道菌群平衡，增强其免疫能力和抗病力。

成本相对较低：与频繁换水、使用化学药品或建设大型处理设施相比，微生态制剂的使用成本较低，易于被广大养殖户接受。

操作简便：通常采用全池泼洒的方式，操作简单，易于推广。

微生态制剂缺点

见效较慢，不像化学消毒剂那样立竿见影，对于水质急剧恶化的紧急情况，可能需要配合其他方法使用；效果受环境影响大；产品质量参差不齐：活菌数量、菌种纯度和稳定性差异很大，劣质产品会严重影响使用效果。

需要使用者，了解不同菌种特性，科学使用才能达到最佳效果。

需要定期补充投加，以维持其优势地位。

《Aquaculture transformation – Innovation and investment for sustainable intensification and expansion of aquaculture in Asia and the Pacific region》

FAO和NACA发布的政策性白皮书，其核心是推动亚洲及太平洋地区水产养殖业转型。

文件中“生物修复”的概念，被提升到了生态系统服务的层面，其重点体现在多营养层次综合养殖（IMTA） 中利用海藻和贝类，作为“提取性”物种来吸收和转化养殖废物，实现污染控制和生态修复。同时，对循环水养殖系统（RAS） 和良好养殖规范认证的支持，也为生物修复技术创造了有利的政策和投资环境。最终目标是实现水产养殖的可持续集约化、负责任扩张和环境绩效的整体提升。

《Bio-ecological remediation of freshwater aquaculture environments: A systematic review and bibliometric analysis》

# 基于文献计量的，生物修复研究热点分析型综述

生物-生态修复（Bio-ecological Remediation）是利用生物（微生物、植物、动物）及其生态过程来净化水质、修复生态系统。

具体技术包括：生物絮团技术 (Biofloc Technology, BFT)、益生菌应用、人工湿地 (Constructed Wetlands)、稻渔共作 (Rice-fish co-culture)、藻类（微藻）培养、贝类滤食

优点：

环境友好： 利用自然过程，不产生或产生极少二次污染。

成本效益高： 相比物理化学方法，运行成本通常较低。

可持续性： 符合循环经济和生态农业理念。

多重效益： 除净化水质外，还能改善养殖健康、增加额外产出。

缺点：

受环境影响大： 效果易受温度、pH、光照等环境因子波动的影响。

启动和稳定周期长： 需要时间建立稳定的生物群落。

系统管理复杂： 需要专业知识来平衡生态系统。

空间需求： 如人工湿地、稻渔共作需要额外土地。

合作网络与研究现状：

文章通过文献计量分析揭示，1990-2014年， 热点偏向于“生物修复 (Bioremediation)”和“水生生态系统 (Aquatic ecosystems)”的基础理论研究。

2015-至今， 热点转向更具体的“生物絮团 (Bioflocs)”、“益生菌 (Probiotics)”、“循环水养殖系统 (Recirculating aquaculture systems, RAS)”等。

研究热点已从早期的宏观“生物修复”，转向当前的“生物絮团 (BFT)”和“益生菌 (Probiotics)”等具体技术，这些技术与循环水养殖系统 (RAS) 紧密结合，旨在实现集约化养殖下的环境可持续性。

BFT和益生菌被重点叙述为两种最前沿、最有效的生物修复方法，它们不仅能净化水质，还能直接改善养殖生物的健康和生产性能。总体而言，发展趋势是将多种生物修复技术，整合到高效、可持续的养殖模式中，以实现环境、经济和社会效益共赢。

《Effective treatment of aquaculture wastewater with mussel/microalgae/bacteria complex ecosystem: a pilot study》

核心是提出并验证基于多物种协同的，贻贝/微藻/细菌复合生态系统生物修复技术。

贻贝/微藻/细菌复合生态系统 (Mussel/Microalgae/Bacteria Complex Ecosystem)

由滤食性贝类（三角帆蚌 Hyriopsis cumingii）、微藻（小球藻 Chlorella vulgaris）和益生菌（Bacillus subtilis 和 Bacillus licheniformis）组成的复合系统。

工作流程

养殖尾水中的高浓度氮、磷等营养物质，首先被小球藻吸收利用，并快速生长；随后，微藻被三角帆蚌滤食；同时，芽孢杆菌改善蚌的消化酶活性，更高效地处理有机物。

《Research on the Construction of an Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA) Model in Seawater Ponds and Its Impact on the Aquatic Environment》

多营养层次综合养殖 (IMTA)：

在海水养殖池塘中，将不同营养级的生物进行整合养殖。通常包括投饵的鱼类或虾类（营养级高，产生大量含氮、磷的废物）、滤食性的贝类（如牡蛎、贻贝）和吸收性的大型海藻（如江蓠）。贝类滤食水中的浮游生物和有机颗粒物，海藻吸收溶解在水中的无机氮、磷等营养盐，从而净化水质。

多营养层次综合养殖 (IMTA)优点：

有效净化水质，资源循环利用，环境友好，系统稳定。

缺点/挑战：

系统设计与管理复杂；管理难度高；潜在次生污染；经济效益不确定；

《Organic Aquaculture Regulation, Production, and Marketing_ Current Status, Issues, and Future Prospects—A Systematic Review》

水质管理技术目标（如减少氨氮积累、降解有机物、改善水体环境）与尾水处理的核心目标一致。

1. 曝气（Aeration）

使用机械曝气设备（如桨轮式增氧机、螺旋桨-射流泵、扩散式曝气系统等）向养殖水体中补充氧气。

主要在夜间进行，以应对溶解氧（DO）水平降低的问题。

曝气（Aeration）优点：

提供氧气，维持鱼类生存。促进水体混合，减少水体分层。减少铵（氨氮）的积累，抑制厌氧区形成。支持微生物的氮转化过程（如硝化作用）和有机碳降解。

曝气（Aeration）缺点/限制：

在有机水产养殖中，连续曝气是被禁止的。

仅允许在溶解氧需求高的紧急情况下使用曝气或液氧添加。

白天曝气可能导致溶解氧过饱和，对鱼类有害。

在淡水系统中，可能导致亚硝酸盐（nitrite）暂时性升高，带来毒性风险。

BFT作为生物修复手段

机制：通过人工调控，富集有益微生物群落，将水体中的氨氮等有害物质转化为菌体蛋白或无害形式（如硝酸盐），并通过絮团形式沉淀或被鱼类利用。

修复效果：

显著降低水体中氮、磷含量。

抑制有害藻类和病原菌生长。

改善水体透明度和稳定性。

适用性：尤其适用于高密度养殖系统，可作为尾水预处理或循环水养殖的核心技术。

IMTA作为生态系统级生物修复

机制：模仿自然生态系统的物质循环，利用滤食性贝类（如牡蛎、贻贝）和大型藻类（如海带、龙须菜）吸收溶解性营养盐（氮、磷）和颗粒有机物。

修复效果：

有效去除养殖尾水中的富营养化物质。

提供可收获的经济产品（贝类、藻类），实现“变废为宝”。

恢复或增强水体的生态服务功能。

潜力：被视为未来可持续水产养殖和尾水生态治理的重要方向。

《Towards a low-carbon footprint_ Current status and prospects for aquaculture》

藻类是重要的低碳饲料替代品：Html 预览

《Water quality management in aquaculture》

尾水高效处理是，实现环境友好型和循环水养殖（RAS）的核心。

精准管理

通过物联网（IoT）、传感器、机器学习等技术，实现水质的实时监测和精准投喂，从源头上减少污染产生，提高整个系统效率。

资源回收与循环利用

不仅着眼于净化，更致力于回收资源（如藻类生物质、肥料），实现变废为宝。

参考文献

《A Review of Ammonia-Oxidizing Archaea and Anaerobic Ammonia-Oxidizing Bacteria in the Aquaculture Pond Environment in China》

《A Systematic Review of Aquaculture Wastewater Treatment Technologies: Contaminations, Effects and Treatment Techniques》

《A systematic review on aquaculture wastewater Pollutants, impacts, and treatment technology》

《Aquaculture in the Ecosystem》

《Aquaculture transformation – Innovation and investment for sustainable intensification and expansion of aquaculture in Asia and the Pacific region》

《Bio-ecological remediation of freshwater aquaculture environments: A systematic review and bibliometric analysis》

《Research on the Construction of an Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA) Model in Seawater Ponds and Its Impact on the Aquatic Environment》

《Organic Aquaculture Regulation, Production, and Marketing_ Current Status, Issues, and Future Prospects—A Systematic Review》

《Towards a low-carbon footprint_ Current status and prospects for aquaculture》

《Water quality management in aquaculture》

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更新日期：2025-09-28

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