商业大西洋鲑循环水养殖系统中高分辨率硫化物动态：代谢负荷、形态分布与分区来源的案例研究

《Aquacultural Engineering》：High-resolution sulfide dynamics in a commercial Atlantic salmon RAS: A case study of metabolic load, speciation, and compartmental sources

　　

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  在商业大西洋鲑循环水养殖系统（RAS）中多个位置进行连续亚$\mu$g/L级H₂S监测。
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  与投喂相关的H₂S响应随负载增加而升高，但未出现明显的阈值突变。
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  CO₂-pH动态变化调控了总硫化物库中的游离H₂S比例。
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  与生物滤器相关的事件从生物滤器传播至鱼箱。
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  与应激相关的事件揭示了鱼箱内存在表观硫化物来源。

引言

硫化氢（H₂S）被广泛认为是循环水养殖系统（RAS）中危害最大的溶解气体之一，在低浓度下即表现出急性毒性（Ciani等，2023；Sommerset等，2024；Bergstedt和Skov，2023）。在有机质积累且氧化性电子受体耗竭的区域，硫化物可被生成，包括生物膜、污泥沉积物、生物滤器以及混合不充分的区域（Letelier-Gordo等，2020；Rojas-Tirado等，2021；Nguyen-tiêt等，2025）。其实际操作意义还因水相硫化物的形态分布而进一步复杂化：以未解离H₂S形式存在的比例强烈依赖于pH、温度和盐度。因此，水化学条件的变化可在总溶解硫化物库不发生相应变化的情况下改变游离H₂S的浓度。

要在商业RAS中理解这些动态过程，需要进行能够解析短暂浓度变化的测量，而传统的瞬时采样可能无法捕捉到这些变化。连续亚$\mathrm{\mu }\mathrm{g}$/L级监测为获取此类动态信息提供了途径（Lien等，2022；Nicolaysen等，2023；Bergstedt等，2024）。AquaSENSE（AQS）监测技术专为连续测量RAS中的痕量H₂S而开发，并已证实其在长期生产周期中的适用性（Lien等，2022）。此后，Fernandes等（2024）在两个配备固定床和移动床生物滤器的商业鲑鱼豆鱼RAS的多个位置监测了H₂S。他们发现，背景H₂S分布取决于系统配置、水力停留时间、换水率、曝气和脱气等因素，而与投喂负载或鱼体生物量的增加通常关系不大。尽管其测量是连续的，但全周期趋势主要通过日均值来考察，而仅在明确定义的事件（如生物滤器反冲洗）中保留了较高的时间分辨率。因此，硫化物对常规投喂相关扰动的短时间尺度响应仍未得到充分表征。

投喂作为一种反复发生的扰动，可在较短的时间尺度上考察此类响应。投喂后代谢活动增加会影响CO₂产生量、氧耗量和pH，而pH则控制H₂S与其离子化形式之间的平衡。因此，与投喂相关的游离H₂S增加可能反映总溶解硫化物库的增加、硫化物形态之间的重新分配，或两者兼有。理论建模也表明，呼吸产生的CO₂积累可通过降低pH来提高游离H₂S（Meriac等，2026）。要区分这些贡献，需要在与投喂响应本身可比的时间分辨率下同步测量H₂S以及控制硫化物形态分布的物理化学变量。

本研究使用来自商业大西洋鲑RAS的分钟级AQS测量数据，以5分钟分辨率进行分析，以考察反复发生的投喂过程和运行中的短暂异常。据我们所知，这是首个在常规生产条件下，以事件尺度解析投喂、CO₂、pH、硫化物形态分布以及分室硫化物源项之间耦合关系的商业规模RAS研究。测量的游离H₂S与时间对齐的CO₂、pH、溶解O₂、温度、盐度和投喂数据一并分析。总溶解硫化物使用各分室特定的物理化学条件进行重建，并纳入瞬态控制体质量平衡中，以考察硫化物库存的变化以及净源项的表观位置。分析还包括商业运行期间出现的异常事件，为常规投喂响应与先前考察的故意诱发扰动（如生物滤器反冲洗）（Fernandes等，2024）提供对比。

因此，本商业规模案例研究的主要目标是表征大西洋鲑RAS中在常规和瞬态运行条件下的高分辨率硫化物动态。具体而言，我们的目标是：（i）记录投喂负载、CO₂、pH与测量到的H₂S动态之间的关系；（ii）评估连续多分室监测解析常规响应和异常瞬态事件的能力；（iii）利用硫化物形态分布和分室质量平衡来研究硫化物源项表观位置的变化。特别强调高分辨率监测在区分常规行为与异常事件以及提供具有操作相关性的早期预警方面的实际价值。瞬态事件背后的潜在机制在讨论部分作为假说进行探讨，而非作为直接证实的过程。

章节摘要

研究场地与系统描述

本研究在一座商业化循环水养殖系统（RAS）中进行，该系统养殖大西洋鲑（Salmo salar）。所分析的养殖单元总有效水量约为$4700{\mathrm{m}}^3$，其中鱼箱区约$3400{\mathrm{m}}^3$，生物滤器区约$1300{\mathrm{m}}^3$（表1）。

系统主要配置和监测位置如图1所示。鱼箱区的水经过一个顶置的气体剥离级

观测背景与常规H₂S变异性

在分析期内，温度在约9至12.5°C之间变化，盐度维持在25 ppt附近，鱼箱pH大多在7.25至7.45之间，鱼箱CO₂在约4至7 mg L^?1之间，自2月下旬起随生物量逐渐升高（图2；表1）。鱼箱溶氧良好（8–9.5 mg L^?1），生物滤器侧O₂因在生物滤器上游添加氧气而高出约1.5 mg L^?1。

测得的游离H₂S在整个期间均处于低位：生物滤器H

常规运行期间的形态分布与库存量

在常规运行条件下，游离H₂S的许多短期变异与投喂相关的CO₂和pH变化对既有总溶解硫化物库的可逆性调控相一致。在观测到的pH条件下，约五分之一的$S_T$以H₂S形式存在，因此pH的小幅变化即可在可见H₂S比例上产生比例上较大的变化。这与Meriac等（2026）基于模型的预测一致，他们表明呼吸驱动的CO₂积累可通过降低pH来增加H₂S

结论

本案例研究利用连续亚$\mathrm{\mu }\mathrm{g}$L^?1级多位置监测结合分室分辨、形态校正的溶解硫化物质量平衡，表征了商业大西洋鲑RAS中的H₂S动态。以下三项结果对RAS工程实践具有重要意义。

首先，游离H₂S虽处于低位，但在小时至天尺度上表现出结构化、持续性的变异性。短期变异性中的很大一部分与pH驱动的内部重新分配一致，即

CRediT作者贡献声明

Alexander Bylinkin：撰写—初稿，可视化，方法论，正式分析，概念构思。Sara Queralt：撰写—审阅与编辑，调查，数据管理。Morten Aga：撰写—审阅与编辑，资源，方法论。Eldar Lien：撰写—审阅与编辑，指导，方法论。Eivind Farestveit Larsen：撰写—审阅与编辑，指导，项目管理。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿期间，作者使用了一种生成式AI工具来改进部分段落的语言和可读性。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版内容承担全部责任。

资助

本研究由Searas AS资助。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Alexander Bylinkin报告与Searas AS的关系，包括：雇佣关系。Sara Queralt报告与Searas AS的关系，包括：雇佣关系。Morten Aga报告与Searas AS的关系，包括：雇佣关系。Eldar Lien报告与Searas AS的关系，包括：雇佣关系。Eivind Farestveit Larsen报告与Searas AS的关系

致谢

作者感谢宿主RAS设施运营团队在数据收集期间的合作，以及Searas AS同事提供的技术讨论。

Alexander Bylinkin|Sara Queralt|Morten Aga|Eldar Lien|Eivind Farestveit Larsen