在藻类-细菌共生体中识别细菌生物标志物：基于多变量分析对营养物质去除过程的见解

　　本研究评估了自然藻菌共生体对软壳龟养殖废水和污泥废水的处理效果，7天内氨氮、总氮、化学需氧量和总磷的去除率分别达93.5%、82.6%、70.6%和89.0%。微生物分析显示藻类以Chlorella占优，细菌群落从产甲烷菌向Pseudomonas和Acinetobacter等需氧菌转变，营养变量解释了58%的群落变异，并鉴定出四个关键生物标志物。

　　中国湖北省长江大学石油地球化学与环境重点实验室，430100，武汉，湖北

　　水产养殖废水是营养物质和有机污染的主要来源，因此其处理成为一项关键的研究重点。本研究评估了一种天然原位藻类-细菌联合体在处理两种类型的水产养殖废水（软壳龟废水和养殖污泥废水）时的效果。7天后，该联合体在处理软壳龟废水方面表现出高去除效率：铵氮（NH

　　-N）的去除率为93.5%，总氮（TN）为82.6%，化学需氧量（COD）为70.6%。在处理养殖污泥废水时，铵氮（NH

　　-N）的去除率为77.1%，总氮（TN）为87.1%，化学需氧量（COD）为91.7%，总磷（TP）为89.0%，比非藻类对南宫NG照组高出25-45%。微生物群落分析显示，藻类种群以

　　）转变，这支持了营养物质的转化。冗余分析（RDA）和典型对应分析（CCA）表明，营养变量解释了超过58%的群落变异，其中铵氮（NH

　　norank_o_Veillonellales-Selenomonadales

　　为可靠的生物标志物。这些发现表明，藻类-细菌联合体通过协同重构微生物群落有效减少了水产养殖废水中的污染物，为可持续的废水管理提供了一种可扩展的策略。

　　作为世界上最大的水产养殖生产国，中国贡献了全球近70%的水产养殖产量[1]。2024年，中国海洋和水产养殖的经济价值分别达到了5034亿元和8787亿元[2]。然而，这种快速扩张伴随着日益严重的环境挑战。根据《第二次全国污染源普查公报》，中国水产养殖行业的年排放量包括66.6万吨化学需氧量（COD）、2.23万吨铵氮（NH

　　-N）、9.91万吨总氮（TN）和1.61万吨总磷（TP）[3]。值得注意的是，水产养殖的磷排放量是工业来源的两倍。这些污染物的持续释放导致了严重的生态退化。过量的氮和磷输入加速了富营养化，由此产生的藻类大量繁殖减少了溶解氧，导致水生生物广泛死亡，并破坏了淡水生态系统[4]。此外，有害微生物产生的毒素会在食物链中积累，对人类健康构成威胁[5]。因此，开发高效且环保的水产养殖废水处理策略变得迫在眉睫[6]。

　　传统的废水处理方法，包括物理、化学和传统生物方法，存在诸多局限性[7]。水产养殖废水通常具有较低的碳氮比，无机氮和磷含量高，并且由于饲料残渣和粪便的持续流入而含有大量悬浮固体[8]。物理和化学处理方法（如沉淀、混凝和化学沉淀）通常需要高能耗，会产生二次污染，并且对营养物质的选择性有限[9]。生物处理过程（如活性污泥系统）受到氧气需求的限制，生物质沉淀效果差，有机碳不足，难以有效去除氮[10]。因此，这些技术在波动的水产养殖系统条件下经常表现不稳定[11]。这些局限性凸显了需要更高效、低成本和环保的处理方法。藻类-细菌系统作为一种有前景的替代方案应运而生[12]。该系统源于早期的生物池塘和高速藻类池塘（HRAP）概念[13]，利用藻类和细菌之间的相互作用来增强废水处理效果[14]。藻类通过光合作用吸收无机氮和磷，并释放氧气和有机化合物，从而支持细菌的硝化作用和有机物降解[15]。细菌则分解有机物并释放营养物质，促进藻类生长[16,17]。通过这种互补作用，藻类-细菌联合体提供了一种自给自足且节能的营养物质去除机制[18]。因此，它们成为研究的热点[19]。目前关于藻类-细菌联合体的研究主要集中在两个主题上：（1）环境因素（如光照周期、光波长和强度、氧气供应、接种比例和氮负荷）如何影响藻类-细菌相互作用和处理效果[20],[21],[22]；（2）不同类型的藻类-细菌系统在各种废水环境中的表现[19]。如表S1所示，迄今为止开发的系统包括天然藻类-细菌联合体、工程化藻类与本土细菌的结合、工程化藻类与厌氧污泥或活性污泥的结合、工程化藻类-细菌共培养、工程化藻类-真菌联合体以及混合藻类-细菌-真菌组合。这些系统已在多种废水类型中进行了测试，包括水产养殖废水、市政废水、生活污水、合成废水、养猪场废水、厕所废水、垃圾填埋场渗滤液和焦化废水，取得了不同程度的成功[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29]。除了去除氮、磷和有机物外，藻类-细菌系统还显示出去除重金属、抗生素、药物和其他新兴污染物的巨大潜力[30],[31],[32]。

　　尽管取得了这些进展，但工程化藻类-细菌系统在不同类型的废水中的表现并不一致，且对水产养殖环境中高度变化的条件的适应性有限[33]。相比之下，自然形成的藻类-细菌联合体因其稳定性、生态恢复力和强适应性而受到关注。比较评估（表S1）表明，天然联合体在真实废水系统中通常比工程化群落更有效地去除氮、磷和有机物[34]。这些天然群落还降低了引入外来物种的风险，更能适应环境波动[35]。然而，大多数关于天然藻类-细菌联合体的研究仅关注处理前后整个微生物群落的变化，而没有明确哪些微生物在污染物去除中起关键作用[36,37]。鉴于天然藻类-细菌组合中的高分类学和功能多样性[38,39]，目前尚不清楚哪些微生物群体负责特定污染物的去除，它们的功能贡献在不同营养基质上的变化情况，以及其协同作用的潜在机制。要解决这些问题，需要能够将微生物群落组成与废水处理效果联系起来的分析工具。Mantel检验和随机森林建模等方法已被证明有助于识别功能指示微生物并阐明微生物群落与环境条件之间的关系[40]。将这些方法应用于水产养殖废水，可以确定对营养物质和有机污染物去除最关键的微生物类群。尽管水产养殖废水具有碳含量低、无机营养物质浓度高和溶解氧波动等特点，使其成为研究藻类-细菌相互作用的理想系统[24,41]，但相关研究仍较为有限[42]。很少有研究确定负责污染物去除的功能微生物，或评估它们在不同废水类型中的角色变化。为了解决这些不足，本研究探讨了天然藻类-细菌联合体处理水产养殖废水的潜力。具体目标包括：（1）评估不同处理组中关键污染物（包括NH

　　）的去除效率；（2）分析处理前后微生物群落结构和多样性的变化；（3）确定参与营养物质转化和污染物降解的功能微生物类群，并明确它们的具体作用。

　　2025年5月，从中国湖北省大冶市湖北富宇生态农业科技有限公司运营的密集型高密度软壳龟养殖池塘（坐标：114.737983E, 30.312715N）收集了表层水和沉积物。该养殖场已连续使用超过三年，代表了该地区的主要生产系统。该养殖区面积为3000平方米。

　　根据湖北省水产养殖尾水污染物排放标准汇编说明（2023年12月发布），2020年湖北省软壳龟养殖的产量估计为47,620吨，相应的排放量为237.48吨总氮（TN）、28.71吨总磷（TP）和1465.74吨化学需氧量（COD）。值得注意的是，这些营养物质的排放系数（g/kg）远高于其他水产养殖产品。

　　本研究表明，藻类-细菌联合体在去除水产养殖废水中的营养物质的同时，还重构了微生物群落。在软壳龟养殖废水中，添加藻类后，铵氮（NH

　　）分别降低到0.98 mg/L、3.19 mg/L和42.6 mg/L，去除效率分别为93.5%、82.6%和70.6%，比自然衰减效果高出30%以上。在养殖污泥废水中，...

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