PHB薄膜能够提高氮的去除效率，抑制弧菌的滋生，并改变海洋循环水产养殖系统中的微生物群落

《Aquaculture》：PHB films improves nitrogen removal, mitigates Vibrio and alters microbiota in marine recirculation aquaculture system

PHB薄膜在静水及循环水养殖系统中作为碳源可显著提升氨氮、亚硝酸盐氮和总氮去除效率，抑制弧菌增殖，改善水质及养殖鱼生理状态，为可持续养殖提供理论支持。

　　在水产养殖领域，随着人们对水产品需求的不断增长，水产养殖的产量在过去几十年中呈现出持续上升的趋势。然而，传统的养殖方式往往伴随着水质恶化、资源浪费以及环境污染等问题。因此，近年来，循环水养殖系统（Recirculating Aquaculture System, RAS）因其高效利用水资源、减少废水排放以及稳定水质条件等优势而受到广泛关注。RAS通过生物过滤、物理过滤和化学处理等多种手段实现水体的循环利用，从而提高养殖效率并降低对环境的影响。

在RAS中，水体中通常含有大量的颗粒物（如粪便和残余饲料）、溶解性无机物（如铵、亚硝酸盐、硝酸盐和磷酸盐）以及其他代谢产物。高密度养殖或生物过滤效率不足会导致水体中铵（NH??-N）和亚硝酸盐（NO??-N）浓度升高，这些物质对养殖动物的免疫系统和抗氧化系统具有显著的负面影响，使其更容易受到病原体的感染。因此，如何高效去除这些有害物质成为保障RAS运行安全和稳定的关键问题之一。

在生物过滤过程中，有毒的氮化合物（主要是NH??-N和NO??-N）被转化为低毒性的化合物（如NO??-N），甚至进一步转化为氮气。这一过程通常依赖于自养硝化细菌的氧化作用和厌氧反硝化细菌的还原作用。然而，近年来发现越来越多的异养硝化兼性反硝化微生物（Heterotrophic Nitrifying and Aerobic Denitrifying Microorganisms, HNADMs），这些微生物能够在有氧条件下同时完成硝化和反硝化反应，从而提高氮去除效率。HNADMs对碳氮比（C/N）的要求通常高于自养硝化细菌，因为碳源能够促进异养硝化和好氧反硝化过程，进而提高氮的去除能力。

然而，在海洋RAS中，C/N比通常较低。这种低C/N比有利于维持系统内微生物群落的稳定性，同时也有助于养殖动物的健康。但与此同时，由于碳源不足，反硝化过程可能不完全，从而影响氮的有效去除。为了改善这一状况，通常有两种方法：一是通过调控饲料中的碳氮含量，二是通过在水体中补充额外的碳源。然而，简单的碳源如甲醇、乙酸、乙醇和葡萄糖等在实际应用中往往难以精确控制，且可能对环境或养殖动物造成不良影响。

因此，寻找一种既能有效提供碳源、又能对水体环境产生积极影响的新型材料成为研究的重点。可生物降解的聚合物，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）和聚β-羟基丁酸（PHB）等，因其能够通过化学和微生物分解缓慢释放碳源，而被广泛应用于水产养殖水体的处理。PHB作为一种常见的生物降解材料，已被证明在提高氮去除效率和抑制病原菌（如弧菌属Vibrio）的繁殖方面具有显著效果。PHB在水产养殖中的应用主要体现在通过饲料补充或直接添加到养殖水体中，其降解产物如3-羟基丁酸（3-HB）和其寡聚体能够在一定程度上改善养殖动物的肠道环境，提高消化酶活性，从而促进饲料的消化吸收。此外，3-HB还能增强养殖动物的吞噬作用，抑制弧菌属的繁殖，从而提高其免疫力。

在本研究中，PHB薄膜被用作一种缓慢释放的碳源，分别添加到静态养殖水体和循环水养殖系统（RAS）中，以研究其对氮去除和弧菌属繁殖的抑制作用。同时，通过对比添加PHB和不添加PHB的系统，评估PHB对生物膜中硝化和反硝化微生物群落结构及功能基因丰度的影响。研究结果表明，添加0.3克PHB薄膜/升的静态水体系统中，NH??-N、NO??-N和NO??-N的去除效率显著提高，同时抑制了弧菌属的繁殖。而在RAS系统中，添加PHB薄膜不仅提高了NO??-N和总氮（TN）的去除效率，还降低了水体中弧菌属的载量。此外，PHB的添加还改变了鱼类肠道微生物群落的结构，提高了功能性基因（如amoA、napA、nirK、narG和nosZ）的相对丰度，这些基因与硝化和反硝化过程密切相关，表明PHB在促进微生物代谢活动方面具有积极作用。

值得注意的是，PHB在静态水体中的作用不仅限于氮的去除，还对水质的整体改善产生了积极影响。例如，PHB的添加提高了鱼类组织的总氧化能力（T-AOC），并降低了丙二醛（MDA）的含量，MDA是氧化应激的标志物。这表明PHB能够通过改善水体条件，间接提升养殖动物的生理状态和健康水平。同时，PHB还与肠道微生物群落中的有益菌种密切相关，这些菌种在维持肠道微生态平衡和增强宿主免疫力方面发挥着重要作用。

在实际应用中，PHB的缓慢释放特性使其成为一种理想的碳源补充材料。相比传统的碳源，PHB在分解过程中不会产生有害物质，且其降解产物能够对养殖动物的生理和免疫系统产生正面影响。此外，PHB的使用还能够减少对环境的污染，提高养殖系统的可持续性。因此，PHB在水产养殖中的应用不仅有助于改善水质，还能提升养殖动物的健康状况，为实现可持续的海洋养殖提供了理论和实践支持。

在实验设计方面，本研究采用了系统化的实验方法，确保数据的准确性和可靠性。在静态水体实验中，不同剂量的PHB薄膜被添加到1升水中，并在每天进行氮含量的检测。而在RAS实验中，PHB薄膜被放置在生物过滤单元中，通过气流保持其悬浮状态，以确保其与水体充分接触。实验过程中，研究人员对水体中的NH??-N、NO??-N、NO??-N和总氮（TN）含量进行了监测，并评估了水体中弧菌属的载量变化。同时，对鱼类肠道微生物群落的结构和功能基因的丰度进行了分析，以揭示PHB对微生物生态的影响机制。

研究结果表明，PHB的添加能够有效促进氮的去除，同时抑制有害微生物的繁殖。这不仅有助于维持水体的清洁度，还能减少病害的发生率，提高养殖动物的存活率和生长性能。此外，PHB的使用还能够改善养殖动物的生理状态，提高其抗氧化能力和免疫反应，从而增强其对环境压力和病原体的抵抗力。这些发现为PHB在水产养殖中的应用提供了科学依据，并为未来优化碳源补充策略、提高养殖系统的运行效率和生态效益提供了参考。

在实际操作中，PHB的使用需要考虑多个因素，包括其添加量、分解速度以及对水体微生物群落的影响。本研究通过实验验证了0.3克PHB薄膜/升的添加量在静态水体和RAS系统中均能取得较好的效果，这为实际应用提供了明确的指导。然而，PHB的添加量也需要根据具体的养殖条件进行调整，以确保其既能满足氮去除的需求，又不会对水体环境造成过大的负担。此外，PHB的降解产物如3-HB和其寡聚体对养殖动物的肠道环境和消化系统的影响也需要进一步研究，以全面评估其在水产养殖中的生态效益。

总的来说，PHB作为一种可生物降解的碳源材料，在水产养殖中展现出巨大的应用潜力。其缓慢释放的特性使其能够有效维持水体中的碳氮平衡，促进微生物代谢活动，提高氮的去除效率，同时改善养殖动物的健康状况。未来的研究可以进一步探讨PHB在不同养殖系统中的适用性，以及其对水体微生物群落长期影响的机制，从而为实现更加环保、高效的水产养殖模式提供理论支持和实践指导。