《Aquaculture Reports》：A comparative analysis of omics and microbial composition of biofloc based on carbon source and C:N ratio addition strategies
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为解决生物絮团技术(BFT)中碳源和碳氮比(C:N)调控机制不明确、对细菌群落及矿物动力学影响认知有限等问题，研究人员针对凡纳滨对虾(P. vannamei)开展了糖蜜(MOL)、酵母(YST)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)三种碳源，在10:1、18:1和26:1三种C:N比下的比较研究。结果表明，中低C:N比下的MOL添加策略因能维持更平衡的细菌群落和较好的对虾性能而最为推荐。
在全球对虾养殖业追求可持续集约化的进程中，如何有效处理养殖水体中积累的含氮废物是一个核心挑战。生物絮团技术(BFT)作为一项革命性的解决方案应运而生，它就像一个微型的水下“污水处理厂”，利用微生物将有害的氨氮、亚硝酸盐等转化为富含蛋白的微生物絮状物，这些絮状物既能净化水质，又能作为养殖动物的补充饲料，可谓一石二鸟。然而，这个“污水处理厂”的高效运行并非无的放矢，其核心调控手段之一就是外源性碳源的添加，以维持一个适宜的碳氮比(C:N)。这就好比给微生物厨师提供了不同种类和数量的“燃料”和“食材”，不同的配方会“烹调”出完全不同的微生物大餐。那么问题来了：面对市场上琳琅满目的碳源（如廉价的糖蜜副产品、富含营养的酿酒酵母，或是新型的缓释生物聚合物），以及不同的C:N比例（如10:1、18:1或26:1），养殖户究竟该如何选择，才能不仅养好虾，还能塑造出稳定、高效且健康的生物絮团微生物生态系统？这正是来自西班牙瓦伦西亚理工大学等机构的研究团队在《Aquaculture Reports》上发表的最新研究所要解答的科学谜题。
为了深入探究碳源策略和C:N比如何像指挥棒一样影响生物絮团的“交响乐团”——即其微生物组成、功能以及系统中的矿质元素流动，研究人员设计了一个严谨的对照实验。他们在超集约化条件下（每立方米350尾凡纳滨对虾），设置了三种碳源添加策略：糖蜜(MOL，作为对照)、酵母(YST，初始添加酿酒酵母并辅以混合糖类)以及聚丁二酸丁二醇酯(PBS，作为缓释碳源)。每种策略又分别测试了10:1、18:1和26:1三个C:N比，共构成9个处理组，进行了为期11周的养殖试验。为了描绘出整个系统的全貌，研究团队运用了一套综合性的“侦探工具包”：他们持续监测水温、溶氧、pH、盐度、碱度及氮磷化合物等常规水质指标；通过元素分析仪测定生物絮团的总碳(Ct)和总氮(Nt)含量；利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)这把高精度的“元素探测仪”，同步分析了海水、生物絮团和对虾体内从常量元素到微量元素在内的13种矿质元素动态；采用传统平板培养和流式细胞术计数异养细菌、硝化细菌及总细菌数量；通过Biolog EcoPlate?微孔板评估微生物群落的代谢功能多样性；最后，他们动用了宏条形码(Metabarcoding)这一现代分子生物学利器，对生物絮团样本的16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序，并结合QIIME 2、DADA2等生物信息学流程，深入解析了微生物群落的α多样性、β多样性、分类学组成，并借助FAPROTAX工具预测了其潜在功能。
3.1. 对虾生长和饲料利用
碳添加策略显著影响了凡纳滨对虾的特定生长率(SGR)，PBS策略组表现出最低的SGR，而YST策略组最高。然而，C:N比本身或碳策略与C:N比的交互作用对SGR没有显著影响。所有处理组的存活率一致，表明测试条件未对虾的存活产生不利影响。
3.2. 生物絮团演变
3.2.1. 水质控制
在整个研究过程中，水质参数保持在最佳水平。C:N比和碳添加策略都显著影响了铵态氮和磷酸盐水平。较高的C:N比（26:1）以及使用MOL和YST作为碳策略时，观察到铵态氮显著增加。磷酸盐浓度在较低的C:N比（10:1）下较高，尤其是在YST策略中。硝酸盐和亚硝酸盐浓度未受影响。
3.2.2. 实验条件对总碳和总氮含量的影响
生物絮团中总碳(Ct)和总氮(Nt)的含量显著受实验条件影响。在较低的C:N比（10:1）下，Ct和Nt含量均较低。当比较碳策略时，MOL提供了最高的Ct/Nt比值，其次是YST和PBS。
3.2.3. 常量及微量矿质元素组成
矿质元素分析揭示了碳氮比、碳添加策略和采样时间（实验开始与结束）对离子组成的显著影响。在海水和生物絮团中，随着生物絮团的成熟，Ca、K、Mg、Sr和B等离子的浓度普遍下降，而Al、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As和Se等离子普遍增加。生物絮团充当了显著的矿质储存库，其离子浓度比周围水体或对虾组织高5-8倍。在对虾组织中，Ca、Sr和As的浓度更高，而K和Cu在10:1 C:N比下浓度更高，MOL策略导致虾体内Cu和As的累积水平最低。
3.3. 微生物种群表征
3.3.1. 一般细菌种群
当将时间作为一个变量考虑时，观察到总细菌和硝化细菌丰度的显著变化。分析每种碳策略下细菌计数的演变时发现：MOL组的异养细菌、硝化细菌和总细菌计数均显著增加；PBS组异养细菌减少，但硝化细菌和总细菌计数增加；YST组仅总细菌计数增加。
3.3.2. 功能代谢
在代谢多样性方面，MOL策略表现出最高的平均孔颜色变化(AWCD)，即最高的底物利用能力。C:N比对此没有显著影响。
3.3.3. α & β 多样性
在α多样性方面，仅Chao1指数揭示了基于碳添加策略和C:N比的显著差异。最高的多样性水平出现在PBS处理中，尤其是在低C:N比（10:1）下。β多样性分析（主坐标分析，PCoA）显示，基于Bray-Curtis相异度，YST处理形成了一个界限分明的独立簇，而PBS和MOL有所重叠。基于Unweighted UniFrac距离的分析则显示了三个独立的组，对应于每种营养条件。C:N比的影响未观察到。
3.3.4. 微生物分类学谱
宏条形码分析显示，在门水平上，Planctomycetota(40.33%)、Proteobacteria(37.39%) 和 Bacteroidota(17.96%) 是最丰富的三个门。在属水平上，Planctomicrobium是最主要的属，占样本的25%以上。不同碳策略塑造了不同的优势菌属：MOL和PBS策略下Planctomicrobium丰度更高；YST策略则表现出不同的组成，Planctomicrobium浓度较低，而Rhodopirellula、Ruegeria、Blastopirellula和Kordia等属更为普遍。在PBS 10:1处理（α多样性最高的组合）中，Pseudoalteromonas、Peridibacter和Muricauda等属显著更丰富。
3.3.5. 潜在功能微生物组谱
功能预测分析将微生物功能分为六大类。MOL策略在氮循环、烃类降解和“其他”组中表现出最高的功能多样性，更适合减少含氮化合物和分解复杂有机分子。YST和PBS策略则显著增强了与能量转换相关的细菌功能，但同时也具有更高比例的可能对虾健康产生负面影响的细菌功能群。
3.4. PCA分析
主成分分析(PCA)整合了水质、矿物组成、动物生产性能和微生物功能多样性等多方面参数。前两个主成分解释了总变异的48%。分析显示，摄食量、铵态氮、亚硝酸盐、硝酸盐、Ct/Nt、溶解氧和细菌生物多样性浓度紧密聚集在一起；碱度、pH、盐度和香农指数聚集；摄食量、温度、异养细菌和终末体重聚集；Nt和硝化细菌聚集；而SGR、磷酸盐和Ct形成另一个独立的簇。
这项研究最终得出结论：碳源的性质和C:N比共同构成了调控生物絮团系统成熟、微生物群落结构和功能以及矿质动力学的关键指挥棒。其中，糖蜜(MOL)在中低C:N比（10:1至18:1）下的添加策略被证明是最值得推荐的。该策略不仅维持了最佳的氮转化效率（表现为较低的铵态氮累积），更重要的是，它培育了一个更加平衡的微生物群落。具体而言，MOL策略促进了异养细菌和硝化细菌的协同增长，实现了更高的代谢功能多样性，并且在氮循环中表现出更全面的功能覆盖（包括硝化、反硝化等）。同时，该策略下的生物絮团作为矿质储存库，有效调节了水体中的元素平衡，并导致对虾体内潜在有害元素（如铜和砷）的累积水平最低。尽管聚丁二酸丁二醇酯(PBS)策略带来了最高的细菌物种丰富度（α多样性）和更好的水质（最低的铵态氮），但由于其缓释特性可能限制了溶解有机碳的即时供应，导致异养细菌生长受限，这最终反映在对虾的特定生长率(SGR)最低上。而酵母(YST)策略虽然初期能加速生物絮团成熟，但其塑造的微生物群落组成独特且功能上更偏向于能量转换，同时伴随着较高的磷酸盐释放，在长期系统稳定性方面可能存在隐忧。因此，综合考量对虾生长性能、水质维持、微生物群落平衡以及矿质元素管理，在凡纳滨对虾的生物絮团养殖中，采用成本低廉、易获得的糖蜜作为碳源，并维持中低水平的C:N比，是实现环境友好、经济可行且生产稳定的一种优化策略。这项研究为生物絮团技术的精准管理提供了坚实的科学依据，推动了可持续水产养殖从经验走向精准调控。
