合成微生物群落同步脱氮与病原菌防控：益生菌筛选、效能评估及复合菌群构建应用研究

【编辑推荐】针对单一异养硝化-好氧反硝化(HN-AD)菌环境适应性差的问题，研究人员从对虾养殖环境筛选出5株高效益生菌（含2株HN-AD菌、2株乳酸菌和1株酵母），构建了3组兼具脱氮（>97.51%）、广谱抑菌和环境适应性的合成微生物群落(SMCs)，在真实养殖废水中实现总氮去除率>90%，为水生态修复提供了创新解决方案。

　　

随着集约化水产养殖的快速发展，养殖水体中氨氮(NH₄⁺-N)和亚硝酸盐氮(NO₂^--N)的积累已成为引发水生生物疾病爆发的重要诱因。传统单一菌株处理技术存在环境适应性差（如仅能在特定温度、盐度或碳氮比条件下工作）、功能单一等瓶颈问题。例如前期研究发现，当盐度从30 ppt波动至20或60 ppt时，某些菌株的脱氮效率会从85-100%骤降至20-80%。这些局限性严重制约了微生物技术在污染治理中的应用。

中国海洋大学的研究团队创新性地从对虾养殖池分离出5株功能互补的益生菌：两株具有广谱环境适应性的异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification, HN-AD)菌Pseudomonas stutzeri GMSN161和Bacillus subtilis HHEB2，两株产乳酸/乙酸的乳酸菌(Lactic Acid Bacteria, LAB)Lactiplantibacillus plantarum SDEX1/SDWX2，以及一株分泌胞外多糖的酵母Pichia kudriavzevii HHWY1。通过菌株兼容性实验构建的三组合成微生物群落(Synthetic Microbial Communities, SMCs)在《Journal of Water Process Engineering》发表的研究中展现出突破性性能：最优组合NMY-3在10-40°C、pH 4.5-9.5、盐度0-50 ppt、碳氮比0-20的极端条件下仍保持90%以上脱氮率，同时对5种水产病原菌表现出显著抑制效果。

关键技术包括：采用五点采样法从广东、海南、山东三地对虾养殖池获取环境样本；通过选择性培养基分离目标菌株并进行16S rRNA基因鉴定；利用氮平衡分析和功能基因扩增（如硝酸盐还原酶基因narG）验证代谢通路；通过抑菌圈实验评估LAB代谢产物对病原菌的抑制效果；基于生长曲线兼容性筛选构建SMCs。

研究结果显示：

1. 菌株特性：HN-AD菌GMSN161和HHEB2对多种氮源（NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N）的去除率达91.15%以上，且携带完整的氮代谢基因簇；LAB菌株产生的有机酸对哈维氏弧菌等5种病原菌抑制率超过70%；酵母HHWY1分泌的胞外多糖有效缓解了碳源限制。

2. SMCs构建：最优组合NMY-3（GMSN161+HHEB2+SDEX1+HHWY1）在模拟废水中总氮去除率高达97.51%，显著优于单一菌株体系。其广谱适应性表现为：在pH 4.5时仍保持92.3%活性，40°C高温下效率仅下降6.8%。

3. 实际应用：处理真实养殖废水时，三组SMCs的总氮去除率均超过90%，其中NMY-3对病原菌的抑制直径达到18.7±0.5 mm，且菌群稳定性持续28天以上。

该研究开创性地将HN-AD菌、LAB和酵母进行功能整合，突破传统菌剂环境敏感性高的限制。通过酵母代谢产物搭建"营养桥梁"，解决了合成菌群常见的营养竞争问题。研究成果为水产养殖污染治理提供了可工业化应用的微生物制剂设计方案，对实现"双碳"目标下的绿色水产养殖具有重要实践意义。论文通讯作者Luqing Pan指出，这种跨功能菌群的构建策略可拓展至其他环境修复领域，为合成微生物生态学研究提供了新范式。