半咸水循环水产养殖系统硝化生物滤器中氨氧化古菌（AOA）丰度研究及其对盐度骤变的耐受机制

本研究针对循环水产养殖系统（RAS）中硝化生物滤器在不同盐度条件下的微生物群落差异及盐度耐受性问题，通过16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组测序技术，揭示了半咸水生物滤器对盐度骤变具有较高耐受性（硝化能力仅下降16%-22%），并发现高盐度RAS中氨氧化古菌（AOA）相对丰度较高，而淡水系统中完全氨氧化菌（comammox Nitrospira）占主导。研究为RAS生物滤器的快速启动和盐度适应性调控提供了重要理论依据。

　　

在现代化循环水产养殖系统（RAS）中，维持高效稳定的硝化作用是实现水体氨氮净化的关键。然而，当养殖系统面临盐度波动时——无论是由于操作失误、水源自然变化还是养殖策略调整（如鲑鱼淡化过程或病害防控）——硝化微生物群落往往会受到渗透胁迫，导致生物滤器性能下降。更值得注意的是，尽管细菌群落的研究已较为深入，但对不同盐度商业生物滤器中硝化微生物群落差异的认识仍十分有限，尤其是对氨氧化古菌（AOA）和完全氨氧化硝化螺菌（comammox Nitrospira）的关注不足。

为此，来自挪威科技大学（NTNU）的Fernando Fernando等人开展了一项深入研究，旨在阐明商业RAS中硝化群落的组成与生物滤器盐度耐受性之间的关系。该研究近期发表于《Aquaculture》，为RAS的生物滤器设计和盐度管理提供了重要的理论与实践依据。

研究团队主要采用了三类技术方法：一是通过短期批量实验测定生物载体在不同盐度（0、15、31 ppt）下的铵态氮去除能力；二是利用16S rRNA基因扩增子测序（分别使用细菌和古菌特异性引物）分析生物膜微生物群落结构；三是结合宏基因组测序与功能基因（amoA）注释，量化氨氧化微生物的功能丰度。样本来自挪威三家商业RAS设施，涵盖淡水、半咸水和海水系统。

研究结果主要包括以下四个方面：

一、生物滤器对盐度变化的响应

批量实验表明，源自半咸水（15 ppt）的生物滤器在盐度骤变至淡水（0 ppt）和海水（31 ppt）时，硝化能力仅分别下降16%和22%，表现出较强的耐受性。而海水生物滤器在淡水条件下硝化能力下降达46%，说明半咸水环境更有利于微生物形成广盐适应性。

二、微生物群落的时序动态

在Havland RAS设施由鲑鱼养殖转为鳕鱼养殖的过程中，海水生物滤器的微生物群落结构随时间推移逐渐与接种来源（半咸水生物滤器）趋同，相似性从0.22上升至0.64（Bray-Curtis指数）。同时，α多样性分析显示群落丰富度增加但均匀度下降，其中硝化螺菌（Nitrospira）相对丰度从0.4%显著上升至14.6%。

三、不同盐度RAS中的群落组成与多样性

淡水RAS的生物滤器群落中硝化菌占比高达35.8%，显著高于半咸水/海水系统（10.5%），且以Nitrospira为绝对优势属。相比之下，较高盐度系统中氨氧化细菌（AOB）如Nitrosomonas占比更高。古菌群落则呈现低多样性特征，淡水以Nitrosarchaeum为主，海水以Nitrosopumilus为主。

四、关键氨氧化功能基因的分布

宏基因组分析显示，淡水系统中comammox Nitrospira的amoA基因相对丰度达25.2%，而在半咸水及海水系统中未检测到。相反，高盐度系统中AOA的amoA基因占比高达47–50%，表明其在氨氧化过程中可能发挥更重要作用。

论文的讨论部分强调，半咸水生物滤器所表现出的盐度耐受性可能与其微生物群落中AOA的高丰度有关。古菌由于其独特的渗透调节机制（如合成相容性溶质），在高盐或波动盐度环境下具有较强的适应性。此外，通过生物滤器接种可实现硝化菌群的定向驯化，这为RAS系统的快速启动提供了可行策略。

该研究不仅证实了AOA和comammox在RAS硝化过程中的重要地位，也揭示了它们在盐度适应性方面的生态位分异：淡水环境更利于comammox的生长，而高盐环境则倾向于选择AOA。这一发现对今后RAS的微生物管理、生物滤器优化设计以及环境适应性调控均具有重要指导意义。