家庭水族箱生物滤器中全程氨氧化硝化螺菌(Comammox Nitrospira)的早期定植与微生物群落演替研究

《ISME Communications》：Microbial community succession of home aquarium biofilters associated with early establishment of comammox Nitrospira

本研究针对家庭水族箱生物滤器硝化微生物群落建立机制不明确的问题，通过监测三个独立水族箱12周内水体化学指标和生物滤器微生物动态，发现全程氨氧化硝化螺菌(CMX)在成熟滤器中占主导地位。研究证实CMX与氨氧化古菌(AOA)在低氨环境中具有竞争优势，为优化水族箱生物启动剂提供了理论依据，对水产养殖系统微生物管理具有重要意义。

　　

每当爱好者们设置新水族箱时，最关键的步骤就是建立能够有效转化有毒物质的硝化系统。氨(NH₃/NH₄⁺)作为鱼类排泄物分解产生的有毒物质，需要通过硝化作用转化为毒性较低的硝酸盐(NO₃^-)。传统认知中，这一过程由氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)分步完成，但近年来科学家相继发现了氨氧化古菌(AOA)和具有全程氨氧化能力的硝化螺菌(Comammox Nitrospira, CMX)，这彻底改变了人们对水族箱硝化过程的理解。

尽管研究表明CMX在成熟淡水水族箱生物滤器中占主导地位，但关于这些硝化微生物在家庭环境中的定植顺序和演替规律仍知之甚少。研究人员假设生长速率较快的AOB会在初期占据优势，随后逐渐被更适合低氨环境的CMX和AOA所替代。为了验证这一假说，加拿大滑铁卢大学的研究团队在《ISME Communications》上发表了关于家庭水族箱生物滤器微生物群落演替的最新研究。

研究团队设计了三个独立的家庭水族箱实验系统，参与者按照统一指南设置水族箱，但鱼类种类、饲料投喂和装饰物选择保留个人偏好。Aquarium 1和2配备了活体水草，而Aquarium 3则使用人造植物。在12周的实验期内，研究人员每周采集水样、陶瓷滤珠和海绵滤材样本，系统监测水体化学指标和微生物群落动态。

关键技术方法包括：通过定量PCR(qPCR)靶向检测氨单加氧酶(amoA)基因，定量分析三种氨氧化微生物(AOB、AOA和CMX)的丰度变化；利用16S rRNA基因测序解析微生物群落组成；对第12周的样本进行宏基因组测序，进一步验证硝化功能基因的存在和分类归属。

水族箱硝化活性时序特征

水体化学监测显示，Aquarium 1和2在加入鱼类后第2周氨浓度即降至检测限以下，同时亚硝酸盐浓度达到峰值(499-687 μg/L NO₂-N)，随后一周内被完全氧化为硝酸盐。而Aquarium 3的硝化活动延迟至第7-8周才开始，表明其微生物群落建立较慢。所有水族箱最终均建立了完整的硝化通路，氨和亚硝酸盐被完全去除。

生物滤器氨氧化微生物定量分析

qPCR结果显示，CMX在三个水族箱的生物滤器中均占据主导地位。Aquarium 1的滤珠和海绵样本在第1周即检测到CMX amoA基因(10⁵-10⁷拷贝/样本)，且在整个实验期间保持高丰度。AOA在滤珠中的丰度显著高于海绵，显示其对载体材料的偏好性。Aquarium 2中AOB曾在第2-3周短暂占据优势(>80%氨氧化微生物)，但随后被CMX和AOA替代。Aquarium 3的氨氧化微生物检测延迟至第6周，且以AOB为主。

微生物群落建立与多样性变化

16S rRNA基因测序共鉴定出10,645个ASVs(扩增子序列变体)。Alpha多样性分析显示，所有水族箱的微生物丰富度和均匀度在前几周逐渐增加，第7周后趋于稳定。主坐标分析表明，不同水族箱的微生物群落结构存在显著差异(PERMANOVA; R²=0.27, p=0.001)，且氨浓度与群落组成显著相关(R²=0.51, p=0.001)。

硝化微生物的相对丰度

16S rRNA基因谱图与qPCR结果一致，检测到Ca. Nitrosotenuis(AOA)和多种Nitrospira ASVs。值得注意的是，尽管Aquarium 3的qPCR显示CMX占优势，但其16S数据中Nitrosomonas ASV 128的相对丰度(0.8-3.5%)高于Nitrospira ASVs(0.4-1.6%)，可能是引物特异性差异所致。

宏基因组功能基因分析

第12周样本的宏基因组分析进一步证实了硝化功能基因的存在。amoA基因主要对应于CMX Nitrospira(2-14%，标准化至rpoB)，其中大部分读长归类于N. moscoviensis SBR1015。nxrB基因谱图以Nitrospira spp.为主，同时包含CMX和典型NOB Nitrospira lenta，表明两类微生物共同承担亚硝酸盐氧化功能。

研究结论表明，家庭水族箱生物滤器中可自然建立包含所有三类氨氧化微生物的硝化群落，且CMX在成熟期占据主导地位。微生物演替模式支持生态位分化的理论：AOB凭借较快生长速率在高氨初期短暂优势，随后被具有更高氨亲和力的CMX和AOA替代。活体水草可能作为有益微生物的接种源，促进硝化群落的快速建立。

该研究对水族箱管理实践具有重要指导意义。商业生物启动剂通常只含有AOB和NOB，而本研究证实CMX在淡水水族箱硝化过程中发挥核心作用，提示现有产品配方需要更新。同时，研究展示了家庭水族箱作为微生物生态学研究模型的实用价值，为理解复杂环境中微生物群落组装机制提供了新视角。未来的研究应关注长期稳定性、不同接种源的影响以及各硝化微生物的具体贡献率，进一步优化水族箱微生物管理策略。