第六章水生物中的细菌关系：新的研究方向
6.7 结论
以前是小规模生产者的领域，技术进步正在日益将水生物转向更大规模的商业生产，侧重于改善宏观和微量营养素的回收，同时提供技术创新，以减少水和能源需求。 然而，将水生物扩大到工业规模，需要更好地了解和维护微生物组装，并执行有利于鱼类和作物健康和福祉的强有力的生物控制措施，同时仍然符合人类食品安全标准消费。 需要进一步研究水生物中微生物病原体的生物控制，包括潜在的人类、鱼类和植物病原体，因为这些系统对扰动的敏感性，而且化学品和抗生素的使用可能对微生物种群、鱼类和鱼类产生深远影响。植物生理学，以及整个系统操作。 鉴于微生物在将有机物转化为可使鱼类和植物繁殖的可用形式方面的关键作用，阐明微生物相互作用可以提高水生物系统的生产力。
· Aquaponics Food Production Systems6.6 悬浮固体和污泥
在特定规模下操作水生鱼的参数 — — 包括水量、温度、饲料和流速、pH 值、鱼类和作物年龄和密度 — — 都影响到在其隔间内发展的微生物群落的时空分布，供审查：RAS (Blancheton 等人，2013 年)；水培（李和李 2015 年）。 除了控制水生物中的溶解氧、二氧化碳水平和 pH 值外，还必须控制 RAS 系统中固体的积累，因为细悬浮颗粒可以粘附到鳃上，引起磨损和呼吸窘迫，并增加对疾病的敏感性（Yildiz 等人，2017 年）。 更重要的是，必须快速有效地从 RAS 系统中去除颗粒有机物 (POM)，否则过度的异养生长将导致几乎所有单元过程失败。 必须仔细管理 RAS 喂料速率，以最大限度地减少系统上的固体负荷（例如，避免过量喂料并最大限度地降低喂料成本）。 饲料的生物物理特性 — — 颗粒大小、养分含量、消化率、感官吸引力、密度和沉降率 — — 决定摄入和同化率，这反过来又影响固体积聚，从而影响水质。 虽然水质经常在营养循环的背景下进行研究 (见 [第 9 章](/社区/文章/第 9 章-水壶养分循环系统))，但同样重要的是要更好地了解微生物群落的构成和根据饲料构成的变化，颗粒载荷及其如何影响异养细菌和自营养细菌群落的生长. RAS 系统设计的各种特点都是专门用于处理固体物质的（蒂蒙斯和埃伯林 2013 年）；另见回顾：（Vilbergsson 等人，2016b）。 例如，一些生物过滤器的作用是保持大量废物悬浮，以便于降解，而另一些生物过滤器则通过筛网或颗粒介质进行机械过滤。 还有一些国家依靠沉积物来收集和清除污泥。 然而，这种方法在回收污泥内的养分和使其生物可用于植物使用方面并不特别有效。 从历史上看，这种污泥一直在生物反应器中进行处理，或者脱水作为土壤作物的肥料，但是各种较新的设计试图改善水培成分中使用的回收。 改善这种污泥的回收是一个重要的研究领域，因为植物生长所需的重要宏观营养素和微量营养素的相当一部分与颗粒有机物相关，如果丢弃，这些物质就会从系统中丢失。 通过在水生物系统中增加一个额外的污泥回收循环，固体废物可转化为溶解的营养物质，供植物再利用，而不是被丢弃（Goddek 等人，2018 年）。 消化器或再矿化生物反应器是实现这一目标的一种方式，但目前尚不发达的关键领域之一包括了解如何增强这些污泥消化器中的微生物群落（例如通过添加微生物）或更好地利用（例如通过更好的方式）连接反应堆的工程设计），将养分回收成植物的生物利用形式。 尽管污泥消化器内的实际微生物群落尚未得到很好的水生物学研究，但关于农业中污水和动物废物的污泥消化器微生物群，包括鱼类污水，可以进一步深入了解在水生系统中的污泥回收。 目前关于将污泥纳入水生生物系统的研究涉及位于 RAS 和水培装置之间的消化器的再矿化（Goddek 等人，2016a，2018 年）。 在有氧或厌氧生物反应器中，有利于废物降解的环境条件可以有效地将污泥分解为生物利用的营养物质，随后可以在没有土壤的情况下输送到水培系统（Monsee 等人，2017 年）。 许多单循环水生系统已经包括有氧（Rakocy 等人，2004 年）和厌氧（Yogev 等人，2016 年）消化器，用于转化被困在鱼类污泥中的营养物质，并使它们能够用于植物。 这些解耦的能力具有许多优点，在 [第 8 章] 中进一步讨论（/社区/文章/第 8 章解耦-水壶系统），似乎会导致更高的增长率（Goddek 和 Vermeulen 2018）。 然而，尽管取得了许多进展，但实现这一目标的实际技术仍然具有挑战性。 例如，在缺氧或甚至有氧条件下培养的某些异养性脱硝细菌将使用硝酸盐作为电子受体和氧化碳来源作为能量，同时将多余的 P 储存为多磷酸盐以及 CUSUP+2/SUP 或 CuP+2/SUP 等二价金属离子。 当碱性 pH 值时，这些细菌会降解多磷酸盐并释放正磷酸盐，这是植物同化磷酸盐的必要形式（Van Rijn 等人，2006 年）。 插入再矿化生物反应器单元，如 Goddek 等人（2018 年）中的再矿化生物反应器单元，可以提供一种更好地回收水耕作用 P 的方法。 例如，对 RAS 产生的鳟鱼污泥采用了类似的方法，该污泥处理过的硝酸盐和 P 含量超过允许处置限度（Goddek 等人，2015 年）。 然而，这些过程中涉及的微生物群落对 C: N 比、氧化、金属离子和 pH 值等培养条件很敏感，因此亚硝酸盐和其他有毒中间体可以累积。 尽管大量关于各种有机废物的消化器的文献，主要是厌氧生物气生产（Ibrahim 等人，2016 年），但关于处理 RAS 废物的研究要少得多（Van Rijn 2013），而在水生系统的情况下，关于营养物质之间的关系的研究更少。水培系统中的生物利用度和作物生长 (莫勒和穆勒 2012 年).
· Aquaponics Food Production Systems6.5 细菌在营养循环和生物利用度中的作用
已经开展了大量研究，以确定 RAS 系统中的异养细菌和自营养细菌的特征，并更好地了解它们在维持水质和营养成分循环方面的作用（有关评论，见 Blancheton 等人（2013 年）；Schreier 等人（2010 年）。 非致病性异物，通常以 α-蛋白细菌为主导，它们在生物过滤器中趋于繁殖，因为氮循环 (NC) 在发展再循环培养中至关重要，因此它们对氮转化的贡献已相当清楚地了解，因为氮循环 (NC) 在发展再循环培养中至关重要系统 (蒂蒙斯和埃贝林 2013). 人们早就认识到，鱼类在 RAS 系统中排泄的氨的细菌转化必须与排泄率相匹配，因为过量的氨很快就会对鱼类有毒（见 [第 9 章]（/社区/文章/第9章-养分循环系统））。 因此，在淡水和海洋 RAS 中，微生物群落在 NC 动力学中的功能作用 —— 硝化、脱硝化、氨化、厌氧铵氧化和硝酸盐异常还原 —— 得到了相当多的研究关注，并在最近的评论中得到了很好的描述（Rurangwa）和 2015 年维德海姆；施雷尔等人，2010 年）。 关于水生动物中氮转化的研究要少得多，但最近的一份综述（Wongkiew 等人，2017 年）对氮的利用效率进行了总结，这是水培中植物生长的首要考虑因素。 继氮之后，水生生物中第二大量营养素是磷，磷对于从饲料中获取它的鱼来说并不是一个限制因素，但对于水培植物来说是至关重要的。 然而，鱼类废物中磷酸盐的形式并不能立即对植物生物利用。 植物必须拥有足够数量的无机离子正磷酸盐（HSub2/Sub4/SUP 和 HPOSUP /SuP2-/SUP = Pi）（Becquer 等人，2014 年），因为这是吸收和同化的唯一生物利用形式。 无机磷酸盐与 pH 值 7.0 以上的钙结合，因此水生系统必须小心保持 pH 值 7.0 附近的 pH 值条件。 随着 pH 值上升到 7.0 以上，各种不溶性形式的磷酸钙最终会成为污泥中的沉淀物（Becquer 等人，2014 年；Siebielec 等人，2014 年）。 因此，P 的 RAS 损失主要是通过清除系统中的污泥（Van Rijn 2013）。 然而，在水栽系统的某个地方，必须捕获微粒物质并允许其矿化，以便为水培单位的作物提供足够的可用养分。 矿化步骤还将释放其他宏观营养素和微量营养素，以减少缺陷，从而减少对水耕车间补充剂的需要。 鉴于世界上富磷酸盐化肥的供应正在减少，补充磷的成本越来越高，目前正在努力最大限度地提高 RAS 污泥中磷的回收率（Goddek 等人，2016b；Monsee 等人，2017 年）。
· Aquaponics Food Production Systems6.4 水生单元的微生物平衡与增强
水生系统的生产力涉及监测和管理环境参数，以便为每个组成部分（无论是微生物、动物还是植物）提供最佳生长条件。 虽然考虑到需求的权衡并不总是可以做到这一点，但 aquaponics 的一个关键目标是围绕着平衡的概念，即维持系统的稳定性涉及调整操作参数，以最大限度地减少造成单元内压力的不必要的扰动，或对其他组成部分的有害影响。 随着不断变化的微生物组合，平衡从来不意味着永久的平衡状态，而是实现尽可能多的稳定性，特别是在水质参数范围内。 RAS 耦合到水耕系统将不断变化，但在这种配置中，RAS 组件保持相对稳定，尤其是在分离系统中（Goddek 和 Körner 2019）。 另一方面，水培系统在水质方面往往更加不稳定，因为植物作物通常以批量方式收获，而且很少与鱼类生产同步。 在任何水生物系统的初始启动阶段，水质 — — 特别是生物过滤器中的微生物群落 — — 是一个令人关注的问题，为了尽量减少机会性细菌的扩散，一种例行做法是允许微生物在吸入水之前成熟引入 RAS，只有在生物过滤器的容量与饲养罐的承载能力相匹配后才添加鱼类（Blancheton 等人，2013 年）。 在水培学中也出现了类似的做法，因为成熟的微生物群落需要时间才能开发和引入所有新水会导致很长的滞后时间，至少有一部分再生水用于接种新作物。 这种做法导致培养条件更加稳定，提高生产力。 例如，在为预摄入过滤器提供粉碎鱼食品时，人们注意到 RAS 系统的性能有所改善（Attramadal 等人，2014 年）。
· Aquaponics Food Production Systems6.3 食品安全和病原体控制方面的生物安全考虑
#6.3.1 食品安全 良好的食品安全和确保动物福利是获得公众支持的高度优先事项。 食品安全专家提出的最常见的问题之一是，在使用鱼类污水作为植物肥料时，人类病原体污染的潜在风险（Chalmers 2004；Schmautz 等人，2017 年）。 最近进行的一项文献搜索以确定水生动物传染病风险的结论是，受污染的摄入水中的病原体或源自温血动物的饲料成分中的病原体可能与鱼肠微生物群有关，即使对鱼类本身没有损害，也可能可能被传递到食物链给人类 (安塔基和贾伊-罗素 2015). 因此，将病原体引入水生生物系统的机制令人关切，最有可能产生粪便大肠杆菌或其他致病细菌来源于鱼的饲料。 从生物学角度来看，这些病原体有可能在生物过滤器中扩散，或者在单循环系统中，通过将空气传播的病原体从开放的植物组成部分引入鱼缸。 虽然在水生养殖系统相对封闭的环境空间中，生物安保风险较低，例如与开放式水产养殖相比，而且在分离式水生养殖系统中，这种系统的部分可以被隔离，但仍有一种看法认为，鱼类污泥可能是潜在危险的时候应用到植物供人类消费。 大肠杆菌 (_E. 大肠杆菌 _) 是一种造成食源性疾病的人肠病原体，一直是农业或水产养殖中使用动物废物作为肥料的主要问题，例如综合猪鱼系统（Dang 和 Dalsgaard，2012 年）。 然而，一般认为它不会对鱼类植物水生物造成风险。 例如，Moriarty 等人（2018 年）曾表明，紫外线辐射处理可以成功地减少大肠杆菌，但也指出，在水生生物系统中检测到的大肠杆菌处于背景水平，不会在鱼道或水培生长的生菜中增殖。实验系统，因此不存在健康风险。 关于这些方面的研究有限，但一些初步研究发现大肠杆菌污染的风险非常低，例如，通过表明对植物应用的灭菌和非消毒 RAS 水处理没有差别（Pantanella 等人，2015 年）。 尽管植物叶片内部的微生物存在潜在风险，从而将其传播到水生植物中生长的一些食用绿叶植物的消耗部分，但其他研究得出类似的结论，即引入潜在危险的人类病原体（艾卢马莱等人，2017 年）。 然而，管理风险，或更重要的是管理对这些风险的看法，仍然是政府当局和水产投资者的高度优先事项。 据认为，饲料投入的质量控制和仔细处理鱼类/鱼类废物可以限制大部分这些潜在问题（Fox 等人，2012 年）。 事实上，据我们所知，目前没有关于水生系统的已知人类健康事件的报告，这可能是因为 RAS 设施和水培温室通常采取良好的生物安全措施，包括严格的卫生和检疫措施观察到。 针对不同水产养殖生产系统评价了建议的生物安全微生物做法，并将建议纳入危害分析关键控制点准则，这是一个国际食品安全控制系统（Orriss 和 Whitehead，2000 年）。 然而，仍然需要更好的科学记录病原体转移给人类的风险，并直接研究水生产这一领域的管理。 #6.3.2 鱼类和植物病原体 在水产养殖、水耕和生物工程方面，现有的专门学科文献可以帮助提高水产养殖中的微生物性能。 例如，微生物群落在鱼类健康方面发挥着广泛的重要作用，包括在饲料的消化和同化以及免疫调节方面发挥关键作用，这些功能以及益生菌在增强水产养殖系统方面的作用得到了充分的审查（Akhter 等(2015 年)。 特别报道了微生物在 RAS 系统中的作用，包括生物过滤器的微生物管理，病原体控制研究，以及各种控制来自 RAS 系统的非味道的技术（Rurangwa 和 Verdegem，2015 年）。 同样，植物根际中的微生物对生根和植物生长具有重要意义（Dessaux 等人，2016 年），同时也对控制水培植物生产中病原体的扩散；Bartelme 等人（2018 年）最近的一份综述对这些领域进行了深入探讨。 然而，对于水生系统各部门之间的微生物群体联系的了解仍然非常有限，这种知识对于最大限度地提高生产力和减少病原体转移至关重要。 对鱼类或植物健康有危险的机会性病原体的扩散是水肺操作经济学中的重要考虑因素，因为任何使用抗生素或消毒剂都可能对生物过滤器功能产生潜在的不利影响，以及破坏微生物稳定在系统的其他区域的关系。 RAS 常用的消毒方案包括用紫外线处理水（Elumalai 等人，2017 年），该方案与臭氧结合使用（通常是两者的组合），包括一线非生物方法来维持水质。 鱼卵/幼虫在引入之前也经常被隔离，并处理任何摄入水，从而减少鱼类病原体直接进入系统的潜在来源。
· Aquaponics Food Production Systems6.2 研究微生物群落的工具
研究微生物群落如何随着时间的推移而变化以及在特定环境条件下哪些生物群体占主导地位的新技术越来越多地为预测系统组成部分内的不良后果提供了机会，从而导致设计更好的传感器和测试有效监测鱼类或植物培养中的微生物群落. 例如，各种 “组学” 技术 —— 元基因组学、元基因组学、社区蛋白质组学、代谢组学 —— 正在越来越多地使研究人员能够研究 RAS、生物过滤器、水培和污泥消化系统中微生物群的多样性，这些系统的取样包括整个微生物组件，而不是一个给定的基因组。 近几十年来，元基因组学和超细胞组学技术对原核多样性的分析有了极大的帮助。 特别是，16S rRNA 基因的扩增和序列分析是基于细菌 DNA 中中性基因序列侧翼核糖体操作子的种内保存，被认为是细菌分类和鉴定的 “黄金标准”。 这些数据还用于微生物学，跟踪流行病和地理分布，并研究细菌种群和系统发育（Bouchet 等人，2008 年）。 该方法可能是劳动密集型和昂贵的，但最近的自动化系统虽然在物种和菌株层面上不一定具有歧视性，但为应用于水生生物环境提供了机会（Schmautz 等人，2017 年）。 最近的评论总结了 16S rRNA 与 RAS 相关的应用（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017；蒙吉亚-弗拉戈佐等人 2015；鲁朗瓜和韦德海姆 2015）。 在 RAS 和水培中发现的细菌以外的微生物的元基因组学研究进展依赖于类似的方法，但使用 18S（真核）、26S（真菌）和 16S（酵母）rRNA 克隆文库来表征这些微生物群的特征（马丁内斯-Porchas 和 Vargasalbores，2017 年）。 例如，详细的 rRNA 文库也被用于水培学中，用于描述根圈微生物群落的特征（Oburger 和 Schmidt，2016 年）。 这些文库在水生学中特别有用，因为它们可以检查细菌、古细菌、原生动物和真菌等微生物的组合情况，并就系统内的变化提供反馈。 自动化下一代测序（NGS）的发展也使得对种群样本中的基因组进行数据分析（元基因组学），可用于确定微生物群的特征、揭示时空系统发育变化和痕量病原体。 RAS 的应用包括跟踪养殖鱼类中的某些细菌菌株，消除携带毒力菌株的种群，同时保留其他菌株的载体（回顾：（Bayliss 等人，2017 年）。 元基因组学方法可以独立于培养和扩增，这使得以前不可培养的物种能够被知晓并对其可能的影响进行调查（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017）。 新一代测序技术通常用于植物微生物学，以及后续元链组学分析。 一个很好的例子是首次对根际微生物群落进行的全植物研究，其中根部渗出物与发育阶段相关（Knief 2014）。 在特定环境条件下研究特定细菌物种或菌株时，蛋白质组学是最有用的，以便描述其致病性或可能在共生中发挥的作用。 尽管如此，在先前的元基因组学研究的基础上，利用各种生物化学技术来识别分泌的蛋白质或共生微生物群落的基础上，社区蛋白质组学也取得了进展，而且随着 NGS 技术的能力，还有很多可能性迅速推进 (审查:(刀等人. 2011). 代谢组学描述了基因的功能，但这些技术不是有机物特异性或依赖序列的，因此可以揭示各种代谢物，这些代谢物是生物、组织、细胞或细胞室中细胞生物化学的最终产物（取决于分析哪些样本）。 尽管如此，对特定环境条件下微生物群落的代谢组的了解（微观物）表明，营养物质的生物地球化学循环和扰动的影响很大。 这些知识描述了各种代谢途径和样本中存在的代谢物范围。 随后的生物化学和统计分析可以指出生理状态，反过来又可能与环境参数相关，而这些参数可能无法从基因组学或蛋白质组学方法中得到明显。 尽管如此，将代谢组学与基因功能研究相结合，在进一步推动水肺学研究方面具有巨大的潜力；见回顾（van Dam 和 Bouwmeester 2016）。
· Aquaponics Food Production Systems6.1 导言
水生养殖系统水产养殖部分的循环水含有颗粒物和溶解有机物 (POM, DOM)，这些物质主要通过鱼饲料进入该系统；未被鱼食用或代谢的饲料部分仍然是再循环水产养殖系统 (RAS) 水中的废物，无论是溶解形式（例如氨），还是悬浮或沉降的固体（例如污泥）。 一旦通过机械分离去除大多数污泥，剩余的溶解有机物仍必须从 RAS 系统中去除。 这种过程依靠各种生物过滤器中的微生物群来维持鱼类的水质，并将无机/有机废物转化为植物的生物利用营养物质。 水生生物系统中的微生物群落包括细菌、古细菌、真菌、病毒和组合物中的原动物，这些群体由于营养物质的潮流和流动以及 pH 值、光和氧气等环境条件的变化而波动。 微生物群落在脱硝化和矿化过程中发挥着重要作用 (见 [第 10 章](社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧治疗-水烟-贫民-减少和矿化)，因此在包括鱼类在内的整体生产力中发挥关键作用福利和植物健康. 任何水生生物系统都面临的挑战是控制投入 — — 水、鱼苗、饲料、植物 — — 及其相关的微生物群，以最大限度地发挥有机物的益处，并将其分解为目标生物的生物利用形式。 鉴于鱼类和植物的最佳环境生长参数和营养素不同（见 [第 8 章]（/社区/文章/第 8 章-解耦-水生鱼系统）），各种分离和曝气系统以及含有相关微生物组合的生物过滤器必须位于以帮助维持目标鱼类和植物物种的营养水平, pH 值和溶解氧水平在理想范围内. 事实上，水质参数，包括温度、溶氧化物、导电率、氧化还原潜能、营养水平、二氧化碳、照明、饲料和流速，都会影响水生物系统中微生物群落的行为和构成（Junge 等人，2017 年）。 在这方面，重要的是改进设置和操作，以便每个单位向其继承者提供足够数量的生物利用形式的营养物，而不是使病原体或机会性微生物能够消耗下游所需的大部分大量营养素。 用于分析微生物群落的各种技术可以产生关于不同水生结构中群落结构和功能随时间变化的重要信息。 通过将这些变化与营养生物利用度和操作参数联系起来，可以减少基本营养物质生产过度或不足或有毒副产品的生产。 例如，最大限度地从鱼类成分的废物有机物中回收有益的植物养分，主要取决于微生物群在一系列生物过滤器和污泥消化器中促进营养物质分解的能力，其性能基于一系列操作参数例如流量、停留时间和 pH 值（范瑞恩 2013 年）。 由于并非所有的水生生物系统都包括污泥消化器，我们将在本文的后半部分更详细地讨论这个问题，同时请读者参阅 [第 3 章]（/社区/文章/第 3 章-再循环-水产科技），了解更多关于固体分离技术的详细信息。[7](社区/文章/第 7 章-耦合-水壶-系统) 和 [8](./8-解耦-水壶系统 .md), 以讨论耦合与分离水生系统. 如果我们在这里考虑只在水中溶解和悬浮颗粒（而不是污泥），所有水生物系统都采用一系列不同的生物过滤器，将附加的微生物暴露于通过过过滤器的有机物，并提供适当的基质和足够的表面积微生物附着和生物膜的形成。 这种有机物的降解为微生物群落提供了能量，从而将大量营养素 (例如硝酸盐、正磷酸盐) 和微量营养素 (如铁、锌、铜) 以可用形式返回系统 (布兰奇顿等人, 2013 年；Schreier 等人, 2010 年；Vilbergsson 等人, 2016a)。
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