《Aquaculture Reports》：Microbial dynamics in water and biofilm following hydrogen peroxide addition to marine lab-scale RAS.
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为解决消毒剂过氧化氢（H?O?）在海水循环水养殖系统（RAS）中对有益微生物群落潜在破坏风险的问题，研究人员探究了不同浓度H?O?（5、15、30 mg/L）对养殖水体和生物滤器生物膜微生物组成、多样性和关键功能菌群（如NOB）的影响，揭示了H?O?在控制病原菌（如Vibrionaceae）与维持系统微生物功能稳定性之间存在权衡，为RAS中H?O?的精准应用提供了生态学依据。
循环水养殖系统（RAS）以其节水和环境友好的特点，已成为满足全球海鲜需求的重要可持续养殖模式。这些系统的核心在于其生物过滤器中的微生物“小世界”——复杂生物膜构成的生态系统，它们肩负着将鱼类代谢产生的有毒氨氮转化为无害硝酸盐的重任。然而，这个维持系统稳定的微生物世界并非固若金汤。为了控制病原微生物、保障鱼类健康，养殖者常常会使用消毒剂，其中过氧化氢（H?O?）因其强氧化性和环境友好的降解特性而被广泛应用。但“投鼠忌器”的困境随之而来：H?O?在杀灭病原的同时，是否会误伤对系统稳定至关重要的有益微生物，特别是承担氨氮去除任务的关键功能菌群？这一问题在海水RAS中尤为突出，相关研究非常有限。大多数前人研究聚焦于H?O?对淡水RAS硝化效率或水质的影响，对于其在海水RAS中对整个微生物生态系统，特别是生物膜与水相微生物群落差异响应的理解，尚属空白。因此，精准评估H?O?的生态影响，平衡其消毒效益与维护微生物群落完整性，成为了RAS可持续运营亟待解决的关键问题。
为探究这一问题，由中国海洋大学的研究人员开展了一项系统性的研究，并将成果发表于《Aquaculture Reports》期刊。他们以养殖六线鱼（Hexagrammos otakii）幼鱼的海水RAS为模型，设置了对照组以及低（5 mg/L）、中（15 mg/L）、高（30 mg/L）三种浓度的H?O?处理组，通过四次周期性投加来模拟实际消毒操作。研究在特定时间点（如投加前后）同步采集了生物滤器载体上的生物膜样本和养殖水体样本，深入解析了H?O?对整个系统微生物王国的影响。
研究人员主要运用了微生物生态学的核心分析技术。他们通过16S rRNA基因扩增子测序技术，对采集的水体和生物膜样品中的微生物DNA进行分析，从而全面描绘了微生物群落的组成与结构。在数据分析阶段，他们计算了Shannon指数和Chao1指数来衡量群落的α多样性（即群落内的物种多样性和丰富度），并运用主坐标分析（PCoA）和基于Bray-Curtis相似性的PERMANOVA分析来评估β多样性（即不同样本间群落结构的差异）。通过对测序数据的生物信息学分析，他们得以在科、属水平上追踪关键微生物类群，特别是氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）以及潜在病原菌Vibrionaceae的动态变化，并将这些微生物变化与监测的水质参数（如氨氮、亚硝酸盐氮浓度）进行关联。
研究结果揭示了H?O?对RAS微生物群落深刻而复杂的影响。
3.1. Effects of H?O? on microbial diversity (alpha)
高浓度H?O?（30 mg/L）的投加显著降低了微生物的α多样性。在生物膜中，Shannon多样性指数从初始的4.84显著下降至实验末期的4.47；Chao1丰富度指数也呈现类似下降趋势。水体微生物的丰富度同样受到抑制。这表明高剂量H?O?对生态系统层面的微生物多样性造成了普遍压力。
3.2. Temporal dynamics of the biofilm and water microbial community
群落结构分析（β多样性）显示，无论是生物膜还是水体微生物群落，都因H?O?投加发生了明显的时序性变化。PCoA图和Bray-Curtis相似性分析共同表明，中、高浓度处理组的群落结构与初始状态发生了显著偏离。一个关键发现是，水体中的浮游微生物群落比生物膜群落对H?O?的扰动更为敏感，表现出更低的长期相似性，说明生物膜结构为其内部微生物提供了更强的抗逆性和稳定性。
3.3. Microbial composition
在微生物组成上，Rhodobacteraceae和Flavobacteriaceae是生物膜和水体中的优势菌科。H?O?处理导致了部分菌科（如Rubritaleaceae, Hyphomonadaceae）的相对丰度变化，暗示了某些类群可能具备氧化胁迫抗性。更重要的是，研究观察到潜在病原菌Vibrionaceae的丰度呈现浓度依赖性抑制。在对照组和低浓度组，Vibrionaceae始终存在；而在中、高浓度H?O?处理下，其相对丰度显著下降，到实验第27天在高浓度组中甚至检测不到。这证实了H?O?对特定病原相关类群具有清除潜力。
3.4. Effects of H?O? on nitrifiers on biofilter biofilm
研究最关键的发现之一，是H?O?对硝化功能菌群的不均衡影响。尽管氨氧化细菌（AOB，如Nitrosomonas）的相对丰度在所有组中均保持较低且缓慢下降，但亚硝酸盐氧化细菌（NOB）却受到了剧烈抑制。其中，占主导地位的NOB类群Candidatus Nitrotoga在高浓度H?O?暴露下数量锐减。这种AOB与NOB响应敏感度的差异，直接关联到水质变化：中、高处理组的水体中出现了亚硝酸盐氮（NO2-N）的积累，而氨氮（TAN）浓度相对稳定。这清晰地表明，H?O?胁迫可能破坏了硝化过程的第二步，导致亚硝酸盐这一中间有毒产物无法被有效转化。
在讨论与结论部分，研究者综合以上结果，强调了在RAS中应用H?O?所面临的“平衡艺术”。一方面，研究肯定了H?O?，特别是中高剂量，在抑制潜在病原菌（如Vibrionaceae）方面的有效性，这为其作为生物安保工具提供了支持。另一方面，研究也敲响了警钟：H?O?，尤其是高浓度重复投加，会降低微生物多样性，并可能通过选择性抑制NOB（如Candidatus Nitrotoga）而破坏硝化功能的平衡，导致亚硝酸盐积累，从而威胁鱼类健康和系统稳定。生物膜微生物群落相较于水体群落展现出了更强的韧性，这提示生物滤器本身具有一定的缓冲能力。
综上所述，这项研究的重要意义在于，它首次在海水RAS中系统揭示了H?O?对“水相-生物膜”双相微生物生态系统的差异化影响，并精准指出了其对硝化功能菌群（特别是NOB）的选择性压力这一关键风险点。研究结论指出，低剂量（约5 mg/L）的H?O?周期性应用可能是一种在病原控制和微生物群落稳定之间取得平衡的有效策略。然而，剂量窗口非常狭窄，超过15 mg/L即可能引发不利的生态和水质后果。因此，未来的RAS管理实践中，必须根据系统特异性条件（如有机物负荷、生物滤器设计）审慎制定H?O?的使用策略，避免“一刀切”的消毒方式，在保障生物安全的同时，悉心维护那个支撑整个系统循环的、看不见的微生物世界。
