一种合成的Glutamicibacter菌群能够高效去除水产养殖废水中的铵盐和亚硝酸盐

《Bioresource Technology》：A synthetic Glutamicibacter consortium efficiently removes ammonium and nitrite from aquaculture wastewater

氮去除合成菌群开发及海绵固定化应用研究。该研究首次利用Glutamicibacter合成菌群处理水产养殖废水，证实其可在pH6-9和C/N≥15条件下24小时内去除95%氨氮和97%亚硝氮，降解速率分别达0.95和1.06 mg-N/L·h，较单菌提升15%-25%。实验表明海绵固定化后，20分钟水力停留时间仍能实现76%氨氮和96%亚硝氮去除，工业试验中90天残留率仅23.91%，显著优于商用产品。该成果为高效稳定的水产氮处理提供了新方案。

　　本研究聚焦于水产养殖废水处理中氮元素的去除问题，通过构建一种合成的**Glutamicibacter**菌群，提供了一种高效、稳定且环保的微生物解决方案。随着水产养殖业的快速发展，水体环境的生态平衡受到显著影响，尤其是氮含量的积累对水生生物产生了毒害作用。氮污染主要以氨氮（NH??-N）和亚硝酸盐（NO??-N）的形式存在，这两种物质对养殖动物的健康构成直接威胁。因此，如何有效去除废水中的氮污染，成为当前水产养殖可持续发展的重要课题。

在传统的氮去除系统中，硝化和反硝化过程通常被分开进行，因为自养型和异养型微生物对氧气的耐受性存在差异。然而，近年来异养硝化-好氧反硝化（HN-AD）细菌的出现，使得在好氧条件下同时实现硝化和反硝化成为可能。这为污水处理技术带来了新的突破，尤其是在提高处理效率和系统稳定性方面。目前，HN-AD技术已被广泛应用于多个领域，包括废水处理设施和湿地生态系统等，其在氮去除方面的表现得到了充分验证。

本研究中，科学家从牛粪和水产养殖底泥中分离出两种高效的HN-AD菌株，分别鉴定为**Glutamicibacter arilaitensis** NFB2-4和**Glutamicibacter nicotianae** CYN-C5。这两种菌株被组合成一个合成菌群S11，以评估其协同作用下的氮去除效率。在实验条件下，S11菌群在pH值为6-9、碳氮比（C/N）≥15的情况下，24小时内能够去除95%的NH??-N和97%的NO??-N（初始浓度均为30 mg/L），去除速率分别为0.95 mg-N/L/h和1.06 mg-N/L/h。这一结果相比单一菌株培养提高了15%-25%，显示出显著的优势。

此外，为了提高菌群的稳定性和操作效率，研究团队采用亲水性海绵作为载体，对菌群进行固定化处理。实验结果显示，在仅需20分钟的水力停留时间下，固定化的S11菌群仍能实现76%的NH??-N和96%的NO??-N去除率。这一技术突破不仅提高了处理效率，还降低了对环境条件的依赖，使系统更加适用于实际应用。

在工业规模的循环水产养殖系统中，S11菌群表现出更强的适应能力。经过24天的运行，其能够将NO??-N的残留率降至23.91%；而在90天的运行中，这一数值进一步下降至24.31%。相比之下，市面上的商业产品去除效率不足，S11菌群的性能明显优于现有解决方案，展现出良好的商业化前景。这表明，基于**Glutamicibacter**菌群的处理技术不仅在实验室条件下表现优异，而且在实际应用中也具有广泛的潜力。

**Glutamicibacter**作为一种新型的HN-AD菌属，近年来的研究表明其在氮去除方面具有出色的表现。例如，**G. arilaitensis** EM-H8菌株在酶活性测试中表现出显著的硝酸盐还原酶和亚硝酸盐氧化还原酶活性，能够将初始氮含量的77.88%转化为氮气。同时，该菌株在好氧条件下表现出较强的异养硝化能力，其氮平衡结果显示，约26.86%的初始氮被去除为N?，4.6%则被转化为生物量。这些数据进一步验证了**Glutamicibacter**在氮去除过程中的高效性和可行性。

**G. arilaitensis** LJH19菌株的基因组预测也显示其含有硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶相关基因，这为菌株的氮去除机制提供了理论依据。结合这些研究成果，可以认为**Glutamicibacter**属是HN-AD技术中极具潜力的候选菌种。然而，目前尚无相关研究报道**Glutamicibacter**在水产养殖废水处理中的应用，尤其是在NH??-N和NO??-N的去除方面。

本研究通过分离并鉴定两种**Glutamicibacter**菌株，构建了合成菌群S11，并系统评估了其在不同环境条件下的氮去除能力。研究结果表明，合成菌群不仅在处理效率上优于单一菌株，而且在操作稳定性和环境适应性方面也表现出色。这种协同作用使得菌群能够在较短的时间内实现高效的氮去除，同时减少了对额外营养物质的依赖，提高了系统的自给自足能力。

在实际应用中，固定化技术的引入进一步增强了菌群的稳定性和耐受性。亲水性海绵作为新型的载体材料，具有独特的优点，能够提高微生物的负载效率和生物活性。这使得S11菌群在实际运行中能够保持较高的去除效率，即使在环境波动较大的情况下，也能维持良好的性能。这种技术优势对于水产养殖废水处理具有重要意义，因为它不仅提高了处理效率，还降低了运行成本，增强了系统的可持续性。

本研究还强调了微生物处理技术在环境保护和可持续发展中的重要性。与传统的化学处理方法相比，微生物处理具有无二次污染、成本低、操作简便等优点。此外，微生物处理技术能够适应复杂的水体环境，对pH值、温度等环境因素的变化具有较强的耐受性。这些特性使得微生物处理成为当前最理想的氮去除方式之一。

在实验设计方面，研究团队从不同来源的样本中分离出菌株，并通过多种方法进行鉴定。例如，牛粪样本（S1）来自广西南宁市的奶牛养殖场，该养殖场的牛舍采用甘蔗渣作为垫料，粪便直接落在其上，每年仅清除一次或两次，之后铺设新的甘蔗渣，使整个养殖场几乎全年无异味。而水产养殖底泥样本（S2）则来自广州市南沙区的罗非鱼养殖池，该池塘中同时存在氨氮和亚硝酸盐污染。通过这两种样本的分离和培养，研究团队成功获得了两种高效的HN-AD菌株，并构建了合成菌群S11。

在实验过程中，研究团队还评估了不同碳源、C/N比和pH值对菌群性能的影响。结果表明，当碳源充足、C/N比适中且pH值处于6-9范围内时，菌群的氮去除效率达到最佳。这种对环境条件的适应性使得菌群能够在多种应用场景中保持较高的处理能力。此外，研究团队还通过血溶性测试确认了菌群的生物安全性，结果显示其血溶率低于2%，表明该菌群对养殖动物和水体环境没有明显的毒害作用。

综上所述，本研究为水产养殖废水处理提供了一种高效、稳定且环保的微生物解决方案。通过构建合成菌群S11，并采用亲水性海绵作为载体进行固定化处理，研究团队成功克服了当前HN-AD技术在处理效率、系统稳定性等方面存在的瓶颈。这一成果不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中也展现出良好的前景，为水产养殖业的可持续发展提供了有力支持。