微生物菌群调控生物絮团技术系统中碳氮动态与尼罗罗非鱼产量

《Nitrogen》：Microbial Consortia Modulate Carbon–Nitrogen Dynamics and Nile Tilapia Production in Biofloc Technology Systems

　　

生物絮团技术（BFT）通过微生物介导的碳氮转化促进养分循环。然而，异养细菌和硝化细菌在生物絮团系统中的作用仍未完全阐明。本研究考察了微生物接种对尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）养殖系统中碳氮动态、生物絮团发育、水质及生产性能的影响。研究评估了4个处理组：自然微生物群落（BFT1）、芽孢杆菌菌群（BFT2）、硝化菌群（BFT3）以及复合菌群（BFT4）。在为期10天的生物絮团成熟期后，对鱼进行35天的饲养。各处理组在碳氮动态和生产性能方面表现出不同的模式。BFT2的絮团体积最大（28 mL/L），生长率最高（GR = 0.696 g/天/尾），饲料转化率最低（FCR = 1.10）。BFT3的氮同化估算值最高（N_ass = 385.05 mg/L），存活率最高（SR = 91.67%），收获生物量最大（H_f = 646.37 g）。BFT4的表观碳消耗最高（C_con = 624.32 mg/L），残余碳浓度最低（C_yield = 167.01 mg/L），计算得出的C/N比最低（4.42）。与BFT1相比，添加细菌菌群还与较低的NH₄⁺和NO₂^?浓度相关。总体而言，不同的微生物接种处理与不同的碳氮动态及生产结果相关。

**研究背景与问题**

全球水产养殖产量持续快速增长，其份额预计将从2018年的46%上升至2030年的53%。在印度尼西亚，水产养殖在粮食安全和经济发展中发挥关键作用，尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）等高价值淡水品种尤为重要。然而，养殖集约化程度提高和配合饲料依赖度增加导致养分排放加剧，引发水体富营养化、淡水生态毒性和酸化等环境问题。在集约化尼罗罗非鱼养殖中，鱼类仅保留饲料输入氮的约34%–53%，其余以代谢废物形式释放到养殖环境中。其中氨氮（NH₃/NH₄⁺）是最关键的有毒化合物之一，其积累会恶化水质、扰乱生理功能、抑制鱼类生长并增加死亡率。因此，改善氮转化和养分循环对维持水产养殖可持续性至关重要。

微生物过程主导养殖系统中的氮转化。硝化作用由自养细菌介导，如Nitrosomonas sp.将氨氧化为亚硝酸盐（NO₂^?），Nitrobacter sp.将NO₂^?转化为硝酸盐（NO₃^?）。与此同时，异养细菌通过同化途径去除无机氮，在细胞生长过程中将溶解态氮纳入微生物生物量。微生物群落组成强烈影响养殖环境中的氮动态、养分保留和系统稳定性。

生物絮团技术（BFT）已成为改善集约化养殖系统养分循环和减少氮积累的重要策略。BFT通过添加外源碳源（如糖蜜）提高碳氮比（C/N），刺激微生物生长，从而调控微生物群落。在高C/N条件下，异养细菌快速将无机氮同化为微生物生物量，而硝化细菌通过硝化作用解毒氨。形成的微生物聚集体即生物絮团，由细菌、微藻、真菌、原生动物和悬浮有机颗粒组成，可作为养殖生物天然补充饲料，提高养分利用效率。

尽管BFT的益处已被认可，但异养同化与硝化途径之间的相互作用仍知之甚少。硝化细菌利用无机碳并通过氧化氮获取能量，而异养细菌依赖有机碳并快速将溶解态氮转化为生物量。此外，硝化细菌生长较慢，世代时间为13至26小时，而异养细菌不到20分钟。这些生理差异表明，不同的微生物接种策略可能对氮转化效率、碳利用、絮团发育和系统稳定性产生不同影响。以往关于BFT中微生物接种剂效果的研究结果不一致，多数研究单独考察异养同化或硝化作用，对这两条途径在富碳条件下如何相互作用调控养分转化和生物絮团生产力的认识有限。因此，本研究比较单一和复合微生物菌群，以阐明其在碳利用、氮转化、养分循环、生物絮团发育和尼罗罗非鱼生产效率中的作用。研究假设：整合异养和硝化细菌菌群将比单一途径接种系统更有效地增强碳利用和氮转化，从而改善生物絮团生产力、水质和鱼类效率。

**关键技术方法**

研究人员采用完全随机设计（CRD），设4个处理组、每组3个重复，在印度尼西亚Brawijaya大学渔业与海洋科学学院水产养殖实验室开展为期35天的养殖实验（另含10天生物絮团成熟期）。实验用尼罗罗非鱼幼鱼（9 cm，10.73 ± 0.14 g）来自东爪哇Malang Regency的Sumberpasir实验室，以20尾/50 L的密度放养。4个处理组分别为：自然微生物群落（BFT1，不接种）、芽孢杆菌菌群（BFT2，含Bacillus cereus、B. megaterium、B. polymyxa、B. pumilus和B. subtilis）、硝化菌群（BFT3，含Nitrosomonas europaea和Nitrobacter winogradskyi）及复合菌群（BFT4）。菌剂为Minatama公司（印尼Karanganyar）生产的商业产品Paraqua Nitro和Paraqua Bacillus，接种密度约1 × 10⁴ CFU/mL。以糖蜜为外源碳源（0.25 mL/L；OC = 113 mg/L），每周补充碳113 mg/L。主要技术方法包括：水质参数（温度、pH、溶解氧、总溶解固体、絮团体积）监测，NH₄⁺、NO₂^?、NO₃^?分光光度法测定，有机碳紫外吸收法（254 nm）测定，总平板计数法（TPC）进行细菌定量，革兰氏染色和生化特征进行细菌形态学表征，以及碳氮转化参数（TN_yield、C/N、TC_con、TN_ass、CCR_B、CCR_F、NCR_F、CRR_N）计算。

**研究结果**

**水质**：各处理组水温在24.70–28.20 °C之间保持相对稳定，平均26.4 °C，低于尼罗罗非鱼生长的常见最适温度（28–32 °C）。溶解氧在4.22–5.42 mg/L之间波动，培养中期（第10–24天）因微生物呼吸和生物絮团活动耗氧增加而下降，随后逐渐恢复。pH在6.01–7.94之间，初期较高后稳定在6.3–6.7，有利于铵态氮（NH₄⁺）而非毒性非离子氨（NH₃）占优势。总溶解固体随养殖进程逐渐升高（873.67–2515.33 mg/L），可能与饲料输入、微生物代谢、糖蜜补充和溶解态养分积累有关，但仍处于尼罗罗非鱼可耐受范围。

**鱼类生产性能**：各处理组鱼体重（W_t）在35天养殖期内稳步增加，初始体重10.36 ± 0.14 g至10.82 ± 0.15 g，第15天约翻倍至22.49 ± 0.05–23.09 ± 0.12 g，终末体重（W₃₅）为34.29 ± 0.16–35.49 ± 0.07 g。BFT4的W₃₅最高，BFT2和BFT3次之，BFT1始终最低。收获生物量（H_f）为560.09–646.37 g，BFT3最高。鱼体长（L_t）呈相似趋势，初始均为9.00 cm，终末体长（L₃₅）为13.76 ± 0.07–14.14 ± 0.05 cm，BFT4最高。饲料消耗（F_c）为455.27–481.37 g，BFT3最高。平均投饲率（FR）为13.01–13.75 g/天，BFT3最高、BFT1最低。生长率（GR）为0.685–0.697 g/天/尾，BFT2最高。存活率（SR）随养殖进程逐渐下降，第35天（SR₃₅）为81.67 ± 5.77%–91.67 ± 2.89%，BFT3最高。饲料转化率（FCR）为1.10–1.30，BFT2最低。总体而言，微生物接种处理较对照组改善了鱼类存活和饲料利用效率。

**氮动态**：NH₄⁺从第0天至第21天逐渐升高，峰值达13.35 ± 4.29–18.64 ± 3.20 mg/L，随后在第35天降至8.07 ± 1.42–9.89 ± 0.65 mg/L，BFT2–BFT4的残余NH₄⁺浓度较低，表明氮转化和微生物同化改善。NO₂^?在生物絮团成熟早期升高，第14天达峰（0.160 ± 0.007–0.167 ± 0.010 mg/L），随后逐渐降至第35天的0.027 ± 0.001–0.031 ± 0.001 mg/L，表明成熟生物絮团系统中亚硝酸盐氧化高效、硝化活性稳定。NO₃^?浓度在整个实验期间持续升高，第21–28天达峰（23.88 ± 5.73–35.63 ± 3.58 mg/L），BFT3和BFT4积累较高，表明微生物富集处理中硝化效率增强；第35天NO₃^?略降或稳定在22.13 ± 2.96–28.71 ± 6.88 mg/L。总氮产量（TN_yield）呈相似模式，第21天达峰（42.58 ± 8.96–49.86 ± 4.61 mg/L），第35天降至31.83 ± 4.58–37.83 ± 8.29 mg/L。BFT2有利于异养氮同化进入微生物生物量（残余TN_yield最低），BFT3通过增强硝化促进氮稳定（NO₃^?积累和TN_ass较高），BFT4结合了异养同化和硝化过程，产生更平衡的氮谱，支持更强的碳氮耦合和养分循环效率。

**碳动态**：C/N比在整个养殖期间变化，初始为6.86–7.93，第一周普遍升高（BFT1最高达9.43），此后显著下降，第21天降至最低4.26–5.21，表明氮转化相对残余碳增强。养殖后期BFT1–BFT3的C/N略升，而BFT4维持最低比值（第35天为4.42），表明复合微生物菌群下碳利用与氮转化耦合更高效。絮团体积呈先降后升的动态模式，初始25–32 mL/L，第15天降至18–22 mL/L，此后稳步回升至第35天的24–28 mL/L，BFT2终末絮团体积最高（28 mL/L），BFT3次之（27 mL/L），BFT1最低（24 mL/L）。残余碳浓度（C_yield）在养殖早期随每周糖蜜添加的累积碳输入（TC_input）增加而升高，TC_input从第0天的226.10 mg/L增至第35天的791.34 mg/L。多数处理组C_yield维持在196–236 mg/L，但BFT4在第35天急剧降至167.01 mg/L，表明碳利用和转化更强。周碳输入（C_input）恒定为113.05 mg/L/周，碳消耗（C_con）在处理组和采样期之间存在差异，养殖中期（第14–28天）随微生物活跃生长和生物絮团发育而大幅增加。第35天BFT4的C_con最高（165.52 mg/L/周），显著超过BFT1–BFT3（91.90–95.22 mg/L/周），结合BFT4较低的C_yield和C/N比，表明复合异养–硝化菌群下碳转化效率增强。

**细菌密度**：细菌密度在整个养殖期间波动，处理组间差异明显。第0天细菌丰度为2.95 × 10⁴–3.97 × 10⁴ CFU/mL，BFT2最高。第17天BFT1显著下降（1.75 × 10⁴ CFU/mL），而BFT2–BFT4维持较高种群（3.56 × 10⁴–3.73 × 10⁴ CFU/mL）。第35天所有处理组细菌丰度增加，BFT1为3.12 × 10⁴ CFU/mL，BFT2–BFT4为3.22 × 10⁴–3.65 × 10⁴ CFU/mL。总体而言，微生物接种处理维持了更高、更稳定的细菌种群。基于菌落形态、革兰氏染色和生化特征，分离菌株表现出与Bacillus sp.和推定硝化细菌群一致的形态类型，革兰氏染色显示以革兰氏阳性杆状细胞为主，生化谱支持与有机物降解和氮转化相关的功能分化菌群。BFT1中也检测到相似形态类型，可能来源于养殖水体和环境微生物区系，但其丰度较低且稳定性较差。

**讨论与结论**

研究人员通过衍生的碳氮转化指标（CCR_B、CCR_F、NCR_F、CRR_N）作为补充指标，比较各处理组微生物丰度和生物絮团形成与碳消耗和氮同化的关系。这些指标依赖实测变量和实验条件，应解释为系统性能的操作性指标，而非特定微生物途径的直接测量或完整养分回收的度量。尽管各处理组TC_input相同（791.34 mg/L），但TC_con和C_yield存在显著差异，表明微生物菌群组成强烈影响碳利用途径。BFT4的TC_con最高、C_yield最低，说明复合异养–硝化菌群比单一菌群处理促进了更高效的碳周转，这可能由异养同化和硝化的互补相互作用驱动：异养细菌快速将溶解有机碳纳入微生物生物量和胞外聚合物（EPS），而硝化细菌持续去除残余无机氮，防止氮限制并支持微生物持续生长和絮团发育，从而降低水体碳积累。BFT1–BFT3的TC_con相对相似、C_yield较高，与碳利用和氮转化耦合效率较低一致；自养硝化菌以无机碳（CO₂/HCO₃^?）而非有机碳为主要碳源，可能解释BFT3有机碳消耗相对较低。氮动态呈类似处理依赖性模式，BFT3和BFT4的TN_ass最高，表明含硝化细菌的系统氮转化更有效；BFT2较低的TN_yield表明异养同化主导氮去除。CCR_B为56.04–62.93 × 10⁴ CFU/mg，BFT3最高，表明尽管有机碳利用较低，细菌增殖仍得以维持，这与自养硝化菌以无机碳为主要碳源、通过氨和亚硝酸盐氧化获取能量的代谢特征一致。BFT3的NCR_F最高，表明同化氮更高效地纳入生物絮团相关生物量。BFT4的CCR_F和CRR_N最高，证实复合菌群实现了碳利用和氮转化最平衡的整合；异养和硝化细菌共存可能通过互补代谢功能加速养分循环。研究结果支持以下假设：微生物菌群组成通过不同但互补的途径调控养分循环；BFT2主要以生物量驱动的养分同化为特征，BFT3以高效硝化氮转化为特征，BFT4以两种机制的整合为特征。BFT4的优越性能不仅分别增强了碳利用和氮转化，还实现了碳氮循环的协同耦合，最终提高了水产养殖系统中的养分循环效率和生物絮团功能。需注意，本研究计算的C/N比代表残余碳与实测无机氮之比，而非生物絮团管理中常用的输入C/N比；饲料碳未单独测量，碳输入与残余碳之差不能完全归因于微生物利用；TN_ass代表氮输入与实测无机氮输出之差，并非微生物氮同化的直接测量。

在依赖本土微生物群落而无靶向接种的BFT1中，微生物定殖效率较低且变异性较大，表现为残余铵浓度最高、细菌密度较低、絮团体积减少以及鱼类存活和生长效率最低。BFT2接种异养芽孢杆菌菌群，表现出增强的氮同化和生物絮团生产，较低的TN_yield、最高的终末絮团体积、最低的FCR和最高的GR表明异养同化有效将溶解态养分转化为微生物生物量；在高碳可用性下，Bacillus sp.可能促进无机氮快速吸收，同时贡献EPS产生，促进絮团聚集和饲料利用效率改善。BFT3代表硝化导向途径，表现出最高的TN_ass、CCR_B和NCR_F以及升高的硝酸盐积累，表明氨氧化活跃和微生物氮转化高效；尽管硝化对颗粒生物量生产的直接贡献低于异养同化，但增强的无机氮稳定可能改善了鱼类环境条件，这或许解释了BFT3最高的存活率和收获生物量。复合菌群处理BFT4整合了异养同化和硝化途径，表现出最高的碳消耗、最低的残余碳浓度、最低的C/N比和最高的CRR_N，显示碳利用和氮转化之间强耦合；异养和硝化细菌共存可能通过同时将溶解态氮同化为生物量和将残余氨氧化为毒性较低的形式来加速养分周转，因此BFT4在维持稳定水质和细菌丰度的同时实现了最高的终末鱼体重。总体而言，异养和硝化细菌在生物絮团系统中发挥互补作用：异养途径主要促进生物量生成和絮团形成，硝化途径增强氮稳定和微生物转化效率，二者共同构建更平衡的碳氮循环，改善养分循环、水质稳定性和鱼类生产效率。研究结果强调了根据生产目标选择微生物接种剂的重要性：BFT2在生物絮团形成和饲料利用方面表现良好，BFT3在氮转化和鱼类存活方面表现良好，BFT4在碳利用方面表现良好；结合异养和硝化细菌可优化碳氮管理，但性能取决于系统条件和运营成本。进一步整合微生物表征与商业规模评估的研究有助于优化这些策略。

**结论部分译文**：微生物接种影响了尼罗罗非鱼生物絮团系统中的碳氮动态、生物絮团发育、水质和生产性能。芽孢杆菌菌群（BFT2）在生物絮团形成、生长率和饲料转化效率方面表现出有利结果，而硝化菌群（BFT3）表现出最高的氮同化估算值、存活率和收获生物量。复合菌群（BFT4）表现出最高的碳消耗、最低的残余碳浓度和最低的计算C/N比，突出了其在生物絮团系统中独特的碳相关响应。这些发现表明微生物菌群组成塑造了养分转化和生产相关结果。研究结果也为进一步优化微生物接种策略以改善碳氮管理和生物絮团性能提供了基础。未来整合分子方法（如16S rRNA基因测序）与碳氮动态和生产测量的研究将进一步表征微生物群落组成并阐明生物絮团系统中特定细菌群的功能贡献。