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可持续水产养殖中水葫芦处理污水及重金属累积效应研究。采用三级处理市政污水梯度（0-100%），水葫芦有效降解氨氮50-70%、硝酸盐60%、磷酸盐55%，同时自身累积重金属达96%，确保尼罗 tilapia 肌肉重金属含量符合安全标准。该模式实现水质净化与安全饲料供给双重目标，契合联合国可持续发展目标6（清洁水）和2（粮食安全）。
Tarek Saif|Manel Ben Ali|Abeer S.Y. Mohamed|Itrat Zahra|Hatim M. Al-Yasi|Fehmi Boufahja|Ezzeddine Mahmoudi|Hamouda Beyrem|Kamal Shaltout|Ali El-Keblawy|T. M Galal|Abdel-Moneim M. Yones|Salma K. Shaltout|Amor Hedfi
埃及开罗国家海洋学与渔业研究所（NIOF）
摘要
全球淡水短缺问题日益严重。经过三级处理的市政废水为水产养殖提供了低成本的营养来源，但存在重金属积累的风险。我们将漂浮蕨类植物Azolla filiculoides与尼罗河罗非鱼结合使用，处理了五种不同比例的废水（0%、25%、50%、75%和100%），并作为补充饲料。在90天的实验中，Azolla将氨氮（NH?-N）减少了50–70%，硝酸盐氮（NO?-N）减少了60%，磷酸盐减少了55%，同时提高了溶解氧含量。Azolla的生物量中镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）、锰（Mn）和铁（Fe）的积累量比对照组高出96%，使鱼肉中的这些元素含量保持在FAO/WHO规定的安全阈值以下。在含有25–50%废水的环境中，罗非鱼的生长量得到维持或提高；而在100%废水的环境中，罗非鱼的生长量减少了36%。鱼肉中的蛋白质（15.4%）和脂质（6.3–6.8%）未受到影响。因此，Azolla为干旱地区的水产养殖提供了一种双重用途的、基于自然的解决方案，符合可持续发展目标6（清洁水）和目标2（粮食安全）的要求。
引言
淡水短缺是一个全球性的紧迫问题，气候变化、城市化和人口快速增长加剧了这一现象。据预测，到2025年，全球近三分之二的人口将面临水资源紧张的情况，这凸显了可持续水资源管理方案的迫切需求（Ericson等人，1999年；世界银行，2009年；Biswas等人，2025年）。为此，再生废水作为一种可行的资源出现，可以补充农业和水产养殖用水，同时实现淡水保护和营养物质循环利用的双重效益（Raschid-Sally和Parkinson，2004年；Jaramillo和Restrepo，2017年；Al-Hazmi等人，2023年）。然而，再生废水也存在重金属积累的风险。本研究评估了漂浮蕨类植物Azolla filiculoides是否能够（i）处理不同比例的三级处理市政废水（0%、25%、50%、75%和100%），（ii）作为尼罗河罗非鱼的安全补充饲料，在两种供水方式下使用：表面灌溉（SI）和地下滴灌（SD）。尽管具有潜力，但废水再利用仍存在固有风险，包括可能积累重金属、抗生素残留物和病原微生物，这些物质可能通过废水喂养的作物和水生生物进入食物链（Fuhrimann等人，2016年；Jaramillo和Restrepo，2017年）。因此，实施有效的治疗技术、健全的监管框架和综合管理措施对于在废水再利用策略中平衡生产力、公共卫生和生态完整性至关重要。
水生蕨类植物Azolla filiculoides在综合水产养殖系统中展现出潜力，具有经济和生态效益。其生物量中含有高水平的粗蛋白（干重占比19–30%），与传统蛋白质来源（如豆粕）相当，适合作为鱼类和牲畜的可持续饲料成分（Mashkani和Ghazvini，2009年；Brouwer等人，2018年）。试验表明，Azolla可以在部分替代商业饲料的情况下，不影响鱼类的生长和健康。例如，在鲶鱼养殖中，Azolla成功替代了高达15%的商业饲料，而没有降低Osphronemus goramy的生长表现（Caruso等人，2023年）。此外，适量添加Azolla（最高30%）可以提高鱼类的免疫力和抗逆性（Caruso等人，2023年）。此外，Azolla还具有植物修复能力，能高效吸收受污染水体中的重金属和营养物质，从而减少污染物并支持环境可持续性（Jonoubi和Limanjoubi，2024年）。
废水喂养的水产养殖并非新鲜事物，在印度东加尔各答湿地等地区已有悠久历史（Chatterjee等人，2016年）。这种做法利用废水中的营养物质提高生产力，但也引发了关于重金属污染的担忧，因为金属具有持久性、生物积累和生物放大潜力（Pattipeiluhu和Fendjalang，2024年）。即使浓度很低，镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）等金属也可能通过水生生物的积累对人类健康造成显著风险。罗非鱼（Oreochromis niloticus）作为一种碎屑食性和滤食性物种，特别容易通过食物和水源暴露于重金属，可能导致氧化应激和生长受阻等亚致死效应（Dinesh等人，2015年；Chatterjee等人，2016年；Pattipeiluhu和Fendjalang，2024年；Refat等人，2024年）。
Azolla filiculoides在水产养殖系统中具有双重功能，既是植物修复剂，也是补充饲料资源。研究表明，它能够显著降低水体中铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）和铜（Cu）等金属的浓度（Zhao等人，1997年；Zhao和Duncan，1998a；Zhao和Duncan，1998b；Zhao和Duncan，1999年；Chambers等人，2008年；Ahmady-Asbchin等人，2012年；Amare等人，2018年）。尽管已有大量关于植物水处理和鱼类金属积累的独立研究，但关于Azolla与罗非鱼等养殖物种共培养系统中金属动态的综合评估仍较为缺乏。填补这一知识空白对于确保废水再利用过程中的食品安全和生态平衡至关重要。
本研究旨在探讨将Azolla filiculoides与尼罗河罗非鱼（Oreochromis niloticus）结合使用的可行性和安全性，使用不同比例的处理过的市政废水（0%、25%、50%、75%和100%）。主要目标是评估：（1）关键水质参数的变化，包括营养物质浓度、溶解氧和重金属含量；（2）Azolla生物量和罗非鱼组织（肌肉及其他器官）中的重金属积累程度；（3）罗非鱼的生长指标，如生长速度、存活率和尸体组成（水分、蛋白质、脂质和灰分）。我们假设Azolla可以显著降低水中的重金属生物可利用性，从而减少鱼类的暴露风险，同时在中等废水添加水平下保持可接受的鱼类生长和产品质量。
初步证据表明Azolla具有强大的植物修复能力（Amare等人，2018年），并表明罗非鱼容易从受污染的水体中积累重金属（Dhote和Dixit，2009年；Chatterjee等人，2016年）。本研究在受控的逐步变化废水条件下进行了综合评估，提供了关于废水再利用安全性和生态可行性的关键数据。研究结果将有助于确定Azolla-罗非鱼组合系统是否能有效支持循环水产养殖实践，提高营养物质循环利用、水质和重金属污染相关的公共卫生安全（Brar等人，2002年；Ahmady-Asbchin等人，2012年；Ahsan等人，2022年；Pattipeiluhu和Fendjalang，2024年）。
研究内容摘要
研究植物
Azolla filiculoides属于Salviniaceae科，在五种不同水质处理条件下进行了研究。研究鱼类
单性罗非鱼（
Oreochromis niloticus在同一废水供应系统和水质条件下进行培养。收获前，每个池塘随机选取100条鱼进行标记，用于数据收集和性状测量。
研究地点和实验设计
该研究在靠近Taif北污水处理厂（STP）的私人研究农场进行。
水质：本地地下水与污水处理厂出水
本地地下水（LGW）和污水处理厂（STP）出水的物理化学和微生物性质存在显著差异（表1）。STP出水中的营养物质和有机物含量明显高于地下水。硝酸盐（NO?-N）浓度从LGW中的无法检测水平升高到STP出水中的约28.05 ppm，表明有显著富集。同样，氨氮（NH?-N）也从无法检测水平急剧上升通过Azolla改善水质
将Azolla filiculoides引入处理过的废水水产养殖系统后，水质得到了显著改善（Caruso等人，2023年）。Azolla和罗非鱼在TWW处理下的生长增强可能与水体中整体营养物质的富集有关，这从总磷、电导率等参数的变化中可以看出。这些变化包括氨、硝酸盐和磷酸盐浓度的持续降低，pH值的稳定等结论
本研究表明，将水生蕨类植物Azolla filiculoides引入基于处理过废水的水产养殖系统（涉及尼罗河罗非鱼Oreochromis niloticus）是有效的。添加Azolla通过减少营养负荷、稳定物理化学参数以及通过生物积累显著降低重金属浓度，显著改善了水质。因此，罗非鱼表现出最佳的生长表现
伦理批准
所有实验方案均获得了Taif大学动物伦理委员会的批准（TU-2023-03-015），并遵循了ARRIVE指南。未引用参考文献
(Abou等人，2011年；Arora等人，2006年；Metcalf和Eddy，2003年)
声明
我们确认本文为我们的独立研究成果，未提交给任何其他出版机构。作者贡献声明
Amor Hedfi：撰写、审稿与编辑、数据可视化、监督、软件使用、方法论设计、资金获取、数据管理。Itrat Zahra：软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析。Hatim M. Al-Yasi：资源获取、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析。Fehmi Boufahja：数据可视化、监督、软件使用、项目管理、概念构思。Ezzeddine Mahmoudi：软件使用、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢
作者感谢Taif大学研究生院和科学研究部的资助支持。
