耐寒大蒜的水培技术通过改变细菌群落结构，提升了水产养殖废水的净化效果：作用机制与应用

《Aquaculture》：Cold-tolerant garlic hydroponics reshapes bacterial community for enhanced aquaculture wastewater remediation: Mechanisms and applications

水培大蒜通过多组学分析证实可有效处理养殖废水，7天内总磷去除率达47.53%，硝酸盐氮56.04%，显著重构微生物群落并调控脂质及能量代谢通路，提出可持续的低温适应性解决方案。

　　

朱玉瑶|孟顺龙|邱丽萍|徐慧敏|李丹丹|宋超|方龙翔|范丽敏

中国无锡渔业学院，南京农业大学，无锡214081

摘要

本研究采用多组学方法探讨了耐寒大蒜（Allium sativum L.）在水培条件下对水产养殖废水的净化效果，综合分析了营养物质去除效率、微生物群落动态及代谢响应。在为期28天的实验中，大蒜密度为5.88–26.39克/升，7天内废水得到显著净化。具体而言，总磷（TP）的平均去除率为47.53%，硝酸盐氮为56.04%，氨氮为33.33%，总氮（TN）为8.14%，化学需氧量（CODMn）为15.22%。16S rRNA测序显示，大蒜栽培改变了细菌群落结构——减少了优势菌属（如Hydrogenophaga、Shinella、Nevskia），并通过随机组装过程增强了微生物多样性。代谢组学分析发现了44种与细菌组成和水质参数高度相关的差异代谢物。该系统显著调节了微生物的脂质代谢（甘油磷脂和鞘脂途径）和能量代谢（TCA循环中间体），提示其可能通过特定机制（如OPEO（辛基苯酚乙氧基化物）去除）降解污染物。大蒜根部分泌物驱动了这些变化，而无需直接选择性地富集特定微生物类群。这些发现表明，水培大蒜具有双重优势：高效去除营养物质和调节微生物群落，为水产养殖废水管理提供了可持续的解决方案，同时具备操作简便性和经济可行性。

引言

水产养殖废水由于某些病原微生物的传播（Noman等人，2021；Majeed等人，2023；Ajmi等人，2025）以及其中高浓度的营养物质（尤其是氮、磷和有机化合物（Liu等人，2024；Wu等人，2025），对环境构成重大风险。如果未经处理，这些污染物可能导致富营养化及生态系统恶化（Liu等人，2014；Sitote和Gebremedhine，2024）。传统废水处理方法在成本效益、能源需求和潜在二次污染方面存在局限性，尤其是在规模较小、利润率较低的池塘养殖系统中，这加剧了行业的运营压力。因此，强调物理和生物过程的环境可持续修复技术逐渐成为池塘养殖废水管理的主要手段。其中，植物修复技术作为一种双重用途的解决方案，既可在养殖池塘内进行原位处理（Ariffin等人，2019；Nizam等人，2020），也可作为综合废水处理系统的重要组成部分（Atique等人，2022；Xing等人，2025）。该方法利用水生植物与微生物群落之间的互利互动，实现有效营养物质固定和水质改善。此外，某些水生植物可通过生物机制对出水生态系统产生生态影响，包括释放生物活性化合物（Liu等人，2021；Cui等人，2025）。

用于废水处理的水生植物中，大多数如Eichhornia crassipes（Mart.）Solms（Wang等人，2013）、Hydrilla verticillate（Chen等人，2023）、Typha orientalis C. Presl（Shiryaev等人，2024）、Canna L.（Ghezali等人，2022）等主要具有观赏价值，但耐寒性较差。在非最佳温度条件下（例如20°C，即废水排放时的典型温度），这些植物的生长速度显著减缓，导致废水处理效率降低。因此，人们开始寻找兼具净水能力和经济价值及环境适应性的替代植物。一些具有植物修复潜力的非水生植物可通过模块化浮动平台进行水培栽培，实现水生适应的同时通过根际作用增强营养物质去除。这种方法将陆地植被引入浮动处理湿地，通过吸收（Soudek等人，2011；Zhang等人，2014）、转化（Torz等人，2021；Cai等人，2024）等机制提供低维护、可扩展的净水解决方案。大蒜（Allium sativum L）是一种耐寒多年生草本植物，具有显著的抗菌特性和经济效益，是水产养殖废水处理的理想候选者（Adineh等人，2021；Valenzuela-Gutierrez等人，2021）。此外，大蒜非常适合水培栽培，尤其是深水栽培（DWC）模式（Ali等人，2021），这使我们推测水培大蒜在池塘养殖系统中具有巨大的净化潜力。大蒜含有某些生物活性成分，例如ajoene，具有广谱抗菌活性（Jakobsen等人，2012；Nakamoto等人，2020），其根部分泌物及其微生物代谢物可能对废水系统产生影响。然而，大蒜的净化机制，尤其是其与废水中的微生物群落和代谢途径的相互作用，仍需进一步研究。

本研究通过多组学方法系统探讨了水培大蒜在水产养殖废水处理中的应用，包括高通量16S rRNA测序和非靶向代谢组学分析，全面分析了水样中的小分子代谢物（代谢组），提供了系统的生化活动和生理状态的功能性信息。研究重点关注三个相互关联的目标：（1）不同栽培密度下的营养物质去除效率；（2）大蒜栽培对细菌群落的影响；（3）与净化过程相关的代谢变化。最终，本研究旨在通过提供可扩展、低能耗的废水处理方案，推动水产养殖的可持续发展，符合小型池塘运营和循环经济原则。

实验部分

水产养殖废水中的大蒜水培

实验使用35个体积为10升的玻璃水族箱进行。每个水族箱加入5升来自中国水产科学院淡水渔业研究中心的集约化罗非鱼养殖池塘的废水。大蒜瓣放置在由双层渔网制成的浮动床上。实验室环境通过精密空调维持在20±2°C的温度下。

大蒜水培对水产养殖废水的高效营养物质去除

图1显示，六项水质参数——总磷（TP）、总氮（TN）、化学需氧量（COD_Mn）、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮——均受到大蒜水培的显著影响。

图1A表明，与对照组相比，经过7天的大蒜水培处理后，水产养殖废水中的总磷（TP）浓度显著降低。

低温条件下大蒜水培的营养物质去除效率

水培大蒜系统在水产养殖废水中表现出卓越的营养物质去除能力，具有三大优势。首先，系统在最佳种植密度下实现了极高的整体去除效率，总磷（TP）和总氮（TN）的去除率分别达到78.9%和87.1%。这些性能指标（TP去除率78.9%，TN去除率87.1%）远超Eichhornia crassipes（TN去除率52–58%）。

结论

研究表明，水培大蒜是一种高效且可持续的水产养殖废水处理方法，具有三大优势：（1）高营养物质去除效率：即使在低温（20°C）条件下，大蒜水培也能快速显著降低总磷（TP）（高达78.9%）、总氮（TN）（87.1%）、氨氮（>90%）和化学需氧量（COD_Mn）（45.8%）；（2）微生物群落重构：大蒜栽培改变了细菌群落结构，减少了优势异养菌的数量。

作者贡献声明

朱玉瑶：撰写初稿。孟顺龙：资金筹集。邱丽萍：方法学设计、实验实施。徐慧敏：数据可视化。李丹丹：实验研究。宋超：项目管理。方龙翔：方法学设计、实验实施。范丽敏：撰写、审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国农业部和农业部农业研究系统（CARS-46）以及中央公共利益科学机构基础研究基金，中国水产科学院（“长江渔业生态环境监测与修复创新团队项目”（2023TD18）的支持。