Effect of five factors on removing ammonia nitrogen and nitrite by Rhodococcus ruber HDRR2Y fermentation
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摘要: 赤红球菌 (Rhodococcus ruber) 是常见的污水、废水处理微生物，为探究环境因子对赤红球菌HDRR2Y去除氨氮 (
${\rm{NH}}_4^{^{ +}} $ -N)和亚硝酸盐 (${\rm{NO}}_2^{^{ -}} $ -N) 效应的影响，将HDRR2Y菌株发酵液添加至含有高浓度${\rm{NH}}_4^{^{ +}} $ -N或${\rm{NO}}_2^{^{ -}} $ -N的养殖水体中，通过国标法检测氨氮和亚硝酸盐浓度的变化，检验菌株培养液去除氨氮及亚硝酸盐的效果。按照温度、转速、盐度、接种菌量、底物浓度 (氨氮和亚硝酸盐) 5个因素进行Plackett-Burman实验设计，探讨这些因子对赤红球菌去除氨氮和亚硝酸盐效应的影响。结果显示，发酵过程中，菌株HDRR2Y浓度在36 h内从初始的5×104 CFU·mL−1增至4.08×109 CFU·mL−1。添加菌株培养液后，养殖水体氨氮质量浓度从初始的15 mg·L−1降至5.56 mg·L−1，去除率为62.96%；亚硝酸盐质量浓度从15 mg·L−1降至6.95 mg·L−1，去除率为59.37%。5种因子中，温度和氨氮浓度对菌株HDRR2Y去除氨氮影响最显著 (P<0.05)，影响权重程度依次为：温度>氨氮浓度>转速>菌量>盐度；温度和转速是影响去除亚硝酸盐最显著的两个因子 (P<0.05)，权重程度依次为：温度>转速>盐度>亚硝酸盐浓度>菌量。可见，菌株HDRR2Y培养液具有良好的去除氨氮、亚硝酸盐的作用，且温度是影响HDRR2Y去除氨氮、亚硝酸盐效率的最显著因子。Abstract: The bacteria Rhodococcus ruber is usually used in waste water and sewage treatment. In order to discuss the effect of environmental factors on R. ruber HDRR2Y's removing ammonia nitrogen and nitrite, we added the culture medium of R. ruber strain HDRR2Y to the aquaculture water containing high concentration of ammonia nitrogen (NH4 +-N) and nitrite (NO2 −-N), and observed the changes of ammonia nitrogen and nitrite concentrations by the national standard method, so as to investigate the effect of the culture medium on the removal of ammonia nitrogen and nitrite. In addition, we carried out the Plackett-Burman experimental design according to five factors: temperature, rotating speed, salinity, inoculum amount, substrate (Ammonia nitrogen and nitrite) concentration, to explore the effect of these factors on the removal of ammonia nitrogen and nitrite by R. ruber. The results show that during the fermentation process, the mass concentration of strain HDRR2Y increased from 5×104 CFU·mL−1 to 4.08×109 CFU·mL−1 in the initial 36 h. After adding the culture medium, the mass concentration of ammonia nitrogen decreased from 15 mg·L−1 to 5.56 mg·L−1, with a removal rate of 62.96%, and that of nitrite decreased from 15 mg·L−1 to 6.95 mg·L−1, with a removal rate of 59.37%. Among the five factors, temperature and ammonia nitrogen concentration had the most significant effects on the removal of ammonia nitrogen by strain HDRR2Y (P<0.05) (Temperature>ammonia nitrogen concentration>rotation speed>biomass>salinity). Temperature and rotating speed were the two most significant factors affecting the removal of nitrite (P<0.05) (Temperature>rotating speed>salinity>nitrite concentration>bacterial count). It is showed that the culture medium of strain HDRR2Y is good for removing ammonia nitrogen and nitrite, and temperature is the most significant factor affecting the efficiency of HDRR2Y in removing ammonia nitrogen and nitrite.-
Keywords:
- Rhodococcus ruber /
- Ammonia nitrogen /
- Nitrite /
- Removal rate /
- Environment factors
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氨氮 (NH4 +-N) 和亚硝酸盐 (NO2 −-N) 等无机氮是水产养殖主要的氮素污染物，对养殖动物具有较强的毒性，研究显示氨氮能明显抑制养殖动物的生理和免疫系统，而亚硝酸根离子 (NO2 −) 能够抑制血液载氧能力，通常在较低的浓度下危害水生动物健康，甚至导致死亡[1-5]。随着养殖密度不断提高，水体氨氮和亚硝酸盐浓度的快速累积造成了潜在危险。传统方法依靠大量换水降低氨氮和亚硝酸盐的浓度，会给周边环境造成污染，引起水体富营养化。近年来，随着国家对环境保护要求日趋严格，直排直灌的养殖方式已经不可持续，如何环保、高效地去除水体有害氮素是促进水产养殖成功的关键。
微生物在生态链中扮演分解者角色，是物质和能量循环的重要组成，利用有益微生物调控养殖水质是近年的研究热点[6-8]。胡晓娟等[9]发现菌株NB5对水体氨氮具有显著的去除效果，信艳杰等[10]利用光合细菌吸收水体氮 (N)、磷 (P)。不同的细菌具有不同的生态功能，在循环养殖系统中多用硝化细菌来消除氨氮和亚硝酸盐，但自养硝化细菌生长缓慢，且容易受环境影响，目前还未在水产养殖中大范围推广应用[11-12]。红球菌作为一类重要的模式微生物，在自然环境中分布广泛且菌株种类多样。由于红球菌具有降解有机污染物、生物转化和降解毒素等作用，在环境治理、生物合成与转化以及医药领域具有潜在的应用价值，其中赤红球菌 (Rhodococcus ruber) 生长快且易于培养，具有消除环境中氨氮和亚硝酸盐的潜力[13-14]。本实验室前期筛选到一株赤红球菌HDRR2Y，初步研究发现其可去除水体氨氮和亚硝酸盐[15]。细菌的功能与环境因素往往密切相关，为了更好地应用于水产养殖生产中，本文研究了赤红球菌HDRR2Y发酵液去除氨氮和亚硝酸盐的效果，并探讨了细菌浓度、温度、底物浓度、转速和盐度等5种常见的环境因子对HDRR2Y发酵液去除氨氮和亚硝酸盐功能的影响，以期为菌株HDRR2Y在水产养殖中的应用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 菌株来源
赤红球菌HDRR2Y由中国水产科学研究院南海水产研究所提供，该菌种保藏于中国典型培养物保藏中心 (CCTCC NO: M2019009)，已申请发明专利 (申请号：202010159584.2)。
1.2 菌株发酵
采用德国贝朗生物系统公司Biostat B型体积为2 L的发酵罐进行发酵培养，培养基为(g·L−1)：三水合醋酸钠 [C2H3NaO2·3(H2O)] 3.0，酵母膏1.8，硫酸镁 (MgSO4) 0.2，磷酸二氢钾 (KH2PO4) 0.5，氯化钙 (CaCl2) 0.5，氯化钠 (NaCl) 9.0，硫酸锰 (MnSO4) 0.025，硫酸铁 (FeSO4) 0.05，谷氨酸 (C5H9NO4) 0.002。发酵条件为：29 ℃，36 h，pH 7.0，装液量1.2 L (60%)，初始接种菌量1%，通气量3 L·min−1，搅拌转速400 r·min−1。
1.3 发酵过程中菌株浓度测定与形态观察
在菌株发酵第0、第18、第24、第30、第36小时通过50 mL注射器针筒以抽气、排气的方式获取发酵液，取样口在取样前后需用酒精灯灼烧，非取样时间用无菌锡箔纸包裹取样口。通过梯度稀释法将发酵原液制成十倍系列稀释匀液，取3个最适稀释度，每个稀释浓度设置3个平行组，然后进行平板涂布，置于培养箱内，在30 ℃、湿度90%的条件下培养24 h，待菌落形成后进行菌落计数。同时通过显微镜将菌株细胞放大1 000倍进行观察，记录下不同时间点采集的发酵液中细菌的细胞形态。
1.4 菌株培养液去除氨氮和亚硝酸盐效果测定
菌株发酵完成后，在无菌条件下取适量培养液加入对虾养殖池塘水 (来自陆丰某养殖场)，至水体赤红球菌初始浓度为5×104 CFU·mL−1 (加菌组，GH)，水体总氨氮和亚硝酸盐的初始质量浓度均为15 mg·L−1，实验条件为水温30 ℃、溶解氧质量浓度5 mg·L−1、pH 8.0，在实验第0、第3和第7天取适量水体，分别依照GB 17378.4—2007中靛酚蓝分光光度法和盐酸萘乙二胺分光光度法测定水体氨氮和亚硝酸盐浓度。对照组取相同体积的池塘水，不加入赤红球菌，其他操作与GH组一致 (对照组，GC)。
1.5 5种环境因子对赤红球菌去除底物效果的影响
取赤红球菌培养液加入对虾养殖水体中，然后按照温度、转速、盐度、接种菌量、底物(氨氮和亚硝酸盐) 浓度等5种因子进行Plackett-Burman实验设计。实验条件为溶解氧质量浓度5 mg·L−1、pH 8.0，其他条件依据表1和表2，实验周期为7 d，7 d后检测氨氮和亚硝酸盐浓度，并计算两者的去除率。
表 1 Plackett-Burman实验因素及与水平设计Table 1. Factors and levels design of Plackett-Burman因素 Factor 水平 Level −1 1 A：菌浓度Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 104 107 B：底物 (氨氮/亚硝酸盐) 质量浓度Substrate concentration (Ammonia nitrogen/Nitrite)/(mg·L−1) 15 30 C：盐度 Salinity/‰ 15 30 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 150 225 E：温度 Temperature/℃ 20 30 表 2 Plackett-Burman设计Table 2. Plackett-Burman experimental design序号 No. A：菌浓度Bacterial concentration B：底物 (氨氮/亚硝酸盐) 浓度Substrateconcentration (Ammonia nitrogen/Nitrite) C：盐度Salinity D：转速Rotating speed E：温度Temperature 1 1 −1 −1 −1 1 2 1 −1 1 1 1 3 1 −1 1 1 −1 4 −1 1 −1 1 1 5 −1 1 1 −1 1 6 −1 −1 −1 1 −1 7 −1 −1 1 −1 1 8 1 1 −1 −1 −1 9 −1 −1 −1 −1 −1 10 −1 1 1 1 −1 11 1 1 −1 1 1 12 1 1 1 −1 −1 1.6 数据统计与分析
底物浓度去除率的计算公式为：R=(C0− Ct)/ C0×100%。式中：R为去除率；C0为初始浓度；Ct实验后的浓度。采用Design-Expert 11软件对实验进行设计与分析，以OriginPro 2016软件作图，通过SPSS 20.0软件进行单因素方差分析 (One-way ANOVA) ，比较各组数据的差异显著性，显著水平设定为P<0.05。
2. 结果
2.1 赤红球菌发酵过程中生长情况
如图1所示，在0~24 h菌株HDRR2Y数量快速增加，为生长对数期；在24~36 h菌株生长逐渐进入稳定期。发酵结束后，菌浓度达4.08×109 CFU·mL−1。
2.2 菌株形态变化情况
菌株HDRR2Y在发酵第0、第18、第24、第30、第36小时的细胞形态变化见图2。在第0小时，菌株细胞呈球状或短杆状，多由1或2个细胞构成；第18小时，菌株细胞变长呈弯曲杆状，处于分裂增殖期；第24小时，菌株细胞多为弯曲杆状，进一步增殖；第30小时，菌株长细胞分裂为短细胞，呈弯曲杆状；第36小时，菌株细胞进一步变短，开始出现球状 (图2)。
2.3 菌株HDRR2Y发酵液对氨氮和亚硝酸盐的去除效果
如图3所示，添加菌株HDRR2Y发酵液后第3天，养殖水体的氨氮和亚硝酸盐浓度明显降低，氨氮质量浓度从第0天的15 mg·L−1降至5.56 mg·L−1，去除率为62.96%；亚硝酸盐质量浓度从15 mg·L−1降至6.95 mg·L−1，去除率为59.37%。第7天，水体氨氮和亚硝酸盐浓度略有上升，但与第3天比较无显著性差异 (P>0.5)。实验过程中，对照组水体的氨氮和亚硝酸盐浓度基本保持不变，与添加菌组相比较差异极显著 (P<0.01) (表3)。
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图 3 赤红球菌HDRR2Y对养殖水体氨氮和亚硝酸盐作用效果Figure 3. Effect of HDRR2Y on ammonia and nitrite nitrogen in aquaculture water表 3 养殖水体中氨氮和亚硝酸盐去除率Table 3. Removal rate of ammonia nitrogen and nitrite in aquaculture water被测指标Measured index 时间Time 去除率 Removal rate/% 对照组 GC 加菌组 GH 氨氮 NH4 +-N 第3天 −5.16±6.87a 62.92±1.53b 第7天 −4.06±7.31a 57.50±2.16b 亚硝酸盐 NO2 −-N 第3天 −1.43±2.10a 59.37±2.49b 第7天 −4.92±1.41a 56.36±1.67b 注：同行数据的不同字母代表对照组和加菌组差异显著 (P<0.05)。 Note: Values with different letters within the same column indicate significant difference (P<0.05). 2.4 5种因素对赤红球菌去除氨氮和亚硝酸效果的影响
Plackett-Burman实验因素水平与回归方程的方差分析结果显示，5种因素的回归方程为，氨氮：Y1=45.74+1.11A+3.43B −0.075C+1.84D+ 5.74E。式中：Y1表示氨氮去除率；A表示菌浓度；B为氨氮质量浓度；C为盐度；D为转速；E为温度。该模型的显著性达到极显著水平 (P<0.001)，且判定系数R2为0.893 7 (R2>0.8)，说明该模型可信度高，拟合度可靠；亚硝酸盐：Y2=45.42+0.77A+0.82B−0.97C+3.57D+3.67E。式中：Y2表示亚硝酸盐去除率；A表示菌浓度；B为亚硝酸盐质量浓度；C为盐度；D为转速；E为温度。此模型的可信度同样较高 (P<0.01)，拟合度可靠 (R2=0.805 3>0.8)。结果显示赤红球菌HDRR2Y能显著去除水体中的氨氮 (P<0.05)，最高去除率为59.3%，氨氮质量浓度从30.00 mg·L−1降至12.21 mg·L−1 (表4)。5种因子中，温度、氨氮浓度可显著影响赤红球菌HDRR2Y去除氨氮效果 (P<0.05)，转速、菌量和盐度对赤红球菌HDRR2Y去除氨氮效果的影响不显著 (P>0.05)，对权重的影响程度依次为：温度>氨氮浓度>转速>菌量>盐度 (表5)。
表 4 Plackett-Burman实验底物去除率Table 4. Removal rate of substrate in Plackett-Burman experiment序号No. Y1：氨氮去除率Removal rate of ammonia nitrogen/% Y2：亚硝酸盐去除率 Removal rate of nitrite/% 1 48.4 42.5 2 51.3 36.6 3 36.2 40.2 4 52.4 47.1 5 53.6 36.8 6 42.5 42.9 7 43.9 39.9 8 40.7 32.5 9 31.6 43.7 10 43.8 38.7 11 59.3 53.4 12 45.2 30.7 表 5 Plackett-Burman实验因素水平与回归方程方差分析 (底物为氨氮)Table 5. Plackett-Burman's experimental factor level and ANOVA of regression equation (Substrate is ammonia nitrogen)因素Factor 平方和Sum of squares 自由度df 均方Mean square F P>F 显著性Significance 重要性排序Importance ranking 模型 Model 591.88 5 118.38 10.09 0.007 0 ** A：菌浓度Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 14.74 1 14.74 1.26 0.305 2 4 B：氨氮质量浓度 Ammonia nitrogen mass concentration/ (mg·L−1) 140.77 1 140.77 12.00 0.013 4 * 2 C：盐度 Salinity/‰ 0.0675 1 0.067 5 0.005 8 0.942 0 5 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 40.70 1 40.70 3.47 0.111 9 3 E：温度 Temperature/℃ 395.60 1 395.60 33.71 0.001 1 * 1 残留误差 Residual error 70.41 6 11.74 总差 Total difference 662.29 11 注：判定系数R2=0.893 7；*. 差异显著 (P<0.05)；**. 差异极显著( P<0.001)。 Note: Determination coefficient (R2)= 0.893 7; *. Significant difference (P<0.05); **. Very significant difference (P<0.001). 赤红球菌HDRR2Y同样能显著去除水体中的亚硝酸盐 (P<0.05)，最高去除率为53.4%，亚硝酸盐质量浓度从30.00 mg·L−1降至13.98 mg·L−1 (表4)。在养殖水体中，5种因子影响赤红球菌HDRR2Y去除亚硝酸盐效果的权重程度依次为：温度>转速>盐度>亚硝酸盐浓度>菌量。其中，温度和转速显著影响赤红球菌HDRR2Y对亚硝酸盐的去除效果 (P<0.05)，亚硝酸盐浓度、菌量和盐度对赤红球菌HDRR2Y去除亚硝酸盐效果的影响不显著 (P>0.05) (表6)。
表 6 Plackett-Burman实验因素水平与回归方程方差分析 (底物为亚硝酸盐)Table 6. Plackett-Burman's experimental factor level and ANOVA of regression equation (Substrate is nitrite)因素Factor 平方和Sum of squares 自由度df 均方Mean square F P>F 显著性Significance 重要性排序Importance ranking 模型 Model 340.26 5 68.05 4.96 0.038 2 * A：菌浓度 Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 7.05 1 7.05 0.514 5 0.500 2 5 B：氨氮质量浓度Ammonia nitrogen mass concentration/(mg·L−1) 8.00 1 8.00 0.583 8 0.473 8 4 C：盐度 Salinity/‰ 11.21 1 11.21 0.817 9 0.400 6 3 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 152.65 1 152.65 11.13 0.015 7 * 2 E：温度 Temperature/℃ 161.33 1 161.33 11.77 0.014 0 * 1 残留误差 Residual error 82.26 6 13.71 总差 Total difference 422.52 11 注：判定系数R2=0.8053；*. 差异显著 (P<0.05)。 Note: Determination coefficient (R2)= 0.8053; *. Significant difference (P<0.05). 3. 讨论
赤红球菌属于化能异养细菌，需通过氧化有机物获得生长的能量和碳源，可利用无机氮或有机氮作为氮源。本研究发现，采用前期响应面优化的发酵培养参数，在以三水合醋酸钠为碳源、酵母膏为氮源的培养基中能快速生长，培养液细菌浓度在24 h内从104 CFU·mL−1增至109 CFU·mL−1，之后快速进入稳定期，发酵效果良好。与简单的摇瓶培养相比，发酵罐培养中的通气、控制pH能使微生物生长代谢更加旺盛[16-18]。发酵培养中持续的通气能使发酵液中的溶解氧一直处于较高水平，本研究中的赤红球菌HDRR2Y为好氧细菌，在氧气充足的前提下能快速分裂增殖，从而提高菌量。从细菌的形态同样可以观察到，第18和第24小时的细胞形态绝大多数呈长条形，是细胞分裂增殖期的特点，第30小时之后的细胞又逐渐回归至球形或短杆形，说明细菌生长已经处于稳定期。细菌的细胞形态是细菌种类鉴定及活力评判的重要指标之一，如葡萄球菌 (Staphyloccocus) 一般呈球形，乳酸菌 (Lactobacillus) 多呈短杆状。此外，细胞形态一定程度上反映了细菌的生长状态，毛青钟和胡金凤[19]发现细菌形态不正常的发酵醪其酸度升高较快，容易引起发酵醪的酸败，周丽英等[20]发现假单胞菌 (Pseudomonas) 在质量浓度为100 mg·L−1的镉 (Cd) 环境中，细胞表面出现丝状物及不同程度的凹陷，推测可能与重金属离子所起的胁迫密切相关。
赤红球菌喜欢生长在有机质丰富的环境中，目前多应用于生活污水或工业废水的生物处理[21-23]。陈静和龚艳华[14]应用赤红球菌处理污水、废水，可有效去除水体氨氮。罗固源等[13]发现一株赤红球菌在好氧的条件下可去除废水中的亚硝酸盐。本研究中，将赤红球菌HDRR2Y发酵液添加至富含氨氮和亚硝酸盐的养殖水体后，第3天氨氮和亚硝酸盐浓度去除率约达60%，去除效果显著 (P<0.05)，但第7天的氨氮、亚硝酸盐浓度比第3天略有上升，推测可能是水体营养不足，限制了赤红球菌的生长。
温度能够显著影响赤红球菌HDRR2Y降解氨氮和亚硝酸盐效果，主要是因为温度影响微生物的生长代谢，从而影响微生物对外界物质的吸收效率。高温使细菌细胞内蛋白质变性、酶失活，使细菌灭亡，低温会抑制微生物生长，微生物体内酶的活性在最适温度下可提高1~2倍[24]。多数研究显示，硝化菌在约30 ℃时硝化功能得到最大发挥，而在20 ℃及以下时硝化作用受到极大抑制[25-26]。本研究显示在30 ℃时，菌株HDRR2Y对氨氮和亚硝酸盐降解效果最好，与多数研究结果相符。因此菌株HDRR2Y适合在高温养殖季使用。
底物浓度是影响微生物代谢活性的重要因子，底物浓度越高，微生物代谢活性越高。本研究发现，底物亚硝酸盐的浓度不是影响菌株降解亚硝酸盐效果的显著因素，而底物氨氮的浓度则显著影响菌株降解氨氮的效果，说明菌株HDRR2Y更易利用氨氮。王晓明和王杰[27]发现随着进水氨氮浓度的不断升高，硝化系统对氨氮的去除率随之升高，但过高的氨氮浓度会抑制硝化反应效率[28]。本研究结果表明，菌株HDRR2Y更适合用于高浓度氨氮的去除。
转速是另一个影响赤红球菌去除氨氮和亚硝酸盐效果的重要因子。本研究发现，较高的转速有助于赤红球菌HDRR2Y去除氨氮和亚硝酸盐，且转速对于赤红球菌代谢亚硝酸盐的影响大于氨氮代谢。已有研究发现水体流速可显著影响硝化及反硝化的效率[29-30]，搅动的主要作用是让微生物与水体中的氨氮和亚硝酸盐更充分的接触，同时还能增加水体的溶解氧，通常在一定范围内，转速与溶解氧浓度成正比[31-32]。赤红球菌是好氧细菌，氧气不足时代谢会受到抑制，氧气充足时，新陈代谢速度达到最快，底物利用率达到最高。刘玉沛等[33]研究赤红球菌对苯酚的降解效果时，氧气充足条件下降解率为61.87%，而氧气不足条件下降解率显著降低 (50.44%)。因此，在养殖过程中使用赤红球菌，要充分利用水车等增氧设备，提高水体流速和溶解氧浓度，发挥菌株最大的功效。
微生物细胞浓度与其生态功能密切相关，利用自养硝化细菌去除环境中的氨氮、亚硝酸盐往往起效时间较长，因为硝化细菌生长缓慢，一般需要富集5~8周才能发挥明显的硝化效应[34-35]。本研究结果显示，赤红球菌的浓度对氨氮和亚硝酸盐的去除无显著影响，可能是由于低浓度组的赤红球菌浓度已经达到发挥效应的水平。此外，赤红球菌属于异养菌，在适宜的环境中能迅速生长，这也是异养硝化细菌的优势。水体盐度也会影响硝化反应，目前多数研究认为，盐分对硝化反应存在抑制作用，且对亚硝酸盐氧化反应的抑制要大于对好氧氨氧化反应的抑制作用[36-37]。但经过盐分驯化培养后，在较高的盐分浓度下仍然维持较好的硝化效果[38]。本研究发现在盐度为15‰和30‰时，赤红球菌去除氨氮和亚硝酸盐的效率并未受到太大的影响，这可能与该株菌自身广盐性有关[15]。因此，该株菌在高盐度或低盐度的水域中均具有推广使用的潜力，拥有广泛的应用前景。
4. 结论
赤红球菌HDRR2Y在装液量60% (V/V)、29 ℃、pH 7.0、机械搅拌转速400 r·min−1、接种量1%、通气量3 L·min−1的条件下培养36 h，发酵完成后的其质量浓度达4.08×109 CFU·mL−1。发酵后的菌株可在72 h内显著降低养殖水体中的氨氮和亚硝酸盐，说明该菌株具有作为优良渔业微生物菌剂的应用前景。此外，温度、底物浓度及水体流速是对菌株代谢氨氮和亚硝酸盐效率影响最显著的3个环境因子，因此在实际应用当中需要注意水体的温度和流速，以确保菌株使用效果的最大化。
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图 3 赤红球菌HDRR2Y对养殖水体氨氮和亚硝酸盐作用效果
Figure 3. Effect of HDRR2Y on ammonia and nitrite nitrogen in aquaculture water
表 1 Plackett-Burman实验因素及与水平设计
Table 1 Factors and levels design of Plackett-Burman
因素 Factor 水平 Level −1 1 A：菌浓度Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 104 107 B：底物 (氨氮/亚硝酸盐) 质量浓度Substrate concentration (Ammonia nitrogen/Nitrite)/(mg·L−1) 15 30 C：盐度 Salinity/‰ 15 30 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 150 225 E：温度 Temperature/℃ 20 30 
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表 2 Plackett-Burman设计
Table 2 Plackett-Burman experimental design
序号 No. A：菌浓度Bacterial concentration B：底物 (氨氮/亚硝酸盐) 浓度Substrateconcentration (Ammonia nitrogen/Nitrite) C：盐度Salinity D：转速Rotating speed E：温度Temperature 1 1 −1 −1 −1 1 2 1 −1 1 1 1 3 1 −1 1 1 −1 4 −1 1 −1 1 1 5 −1 1 1 −1 1 6 −1 −1 −1 1 −1 7 −1 −1 1 −1 1 8 1 1 −1 −1 −1 9 −1 −1 −1 −1 −1 10 −1 1 1 1 −1 11 1 1 −1 1 1 12 1 1 1 −1 −1
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表 3 养殖水体中氨氮和亚硝酸盐去除率
Table 3 Removal rate of ammonia nitrogen and nitrite in aquaculture water
被测指标Measured index 时间Time 去除率 Removal rate/% 对照组 GC 加菌组 GH 氨氮 NH4 +-N 第3天 −5.16±6.87a 62.92±1.53b 第7天 −4.06±7.31a 57.50±2.16b 亚硝酸盐 NO2 −-N 第3天 −1.43±2.10a 59.37±2.49b 第7天 −4.92±1.41a 56.36±1.67b 注：同行数据的不同字母代表对照组和加菌组差异显著 (P<0.05)。 Note: Values with different letters within the same column indicate significant difference (P<0.05).
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表 4 Plackett-Burman实验底物去除率
Table 4 Removal rate of substrate in Plackett-Burman experiment
序号No. Y1：氨氮去除率Removal rate of ammonia nitrogen/% Y2：亚硝酸盐去除率 Removal rate of nitrite/% 1 48.4 42.5 2 51.3 36.6 3 36.2 40.2 4 52.4 47.1 5 53.6 36.8 6 42.5 42.9 7 43.9 39.9 8 40.7 32.5 9 31.6 43.7 10 43.8 38.7 11 59.3 53.4 12 45.2 30.7
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表 5 Plackett-Burman实验因素水平与回归方程方差分析 (底物为氨氮)
Table 5 Plackett-Burman's experimental factor level and ANOVA of regression equation (Substrate is ammonia nitrogen)
因素Factor 平方和Sum of squares 自由度df 均方Mean square F P>F 显著性Significance 重要性排序Importance ranking 模型 Model 591.88 5 118.38 10.09 0.007 0 ** A：菌浓度Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 14.74 1 14.74 1.26 0.305 2 4 B：氨氮质量浓度 Ammonia nitrogen mass concentration/ (mg·L−1) 140.77 1 140.77 12.00 0.013 4 * 2 C：盐度 Salinity/‰ 0.0675 1 0.067 5 0.005 8 0.942 0 5 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 40.70 1 40.70 3.47 0.111 9 3 E：温度 Temperature/℃ 395.60 1 395.60 33.71 0.001 1 * 1 残留误差 Residual error 70.41 6 11.74 总差 Total difference 662.29 11 注：判定系数R2=0.893 7；*. 差异显著 (P<0.05)；**. 差异极显著( P<0.001)。 Note: Determination coefficient (R2)= 0.893 7; *. Significant difference (P<0.05); **. Very significant difference (P<0.001).
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表 6 Plackett-Burman实验因素水平与回归方程方差分析 (底物为亚硝酸盐)
Table 6 Plackett-Burman's experimental factor level and ANOVA of regression equation (Substrate is nitrite)
因素Factor 平方和Sum of squares 自由度df 均方Mean square F P>F 显著性Significance 重要性排序Importance ranking 模型 Model 340.26 5 68.05 4.96 0.038 2 * A：菌浓度 Bacterial concentration/(CFU·mL−1) 7.05 1 7.05 0.514 5 0.500 2 5 B：氨氮质量浓度Ammonia nitrogen mass concentration/(mg·L−1) 8.00 1 8.00 0.583 8 0.473 8 4 C：盐度 Salinity/‰ 11.21 1 11.21 0.817 9 0.400 6 3 D：转速 Rotating speed/(r·min−1) 152.65 1 152.65 11.13 0.015 7 * 2 E：温度 Temperature/℃ 161.33 1 161.33 11.77 0.014 0 * 1 残留误差 Residual error 82.26 6 13.71 总差 Total difference 422.52 11 注：判定系数R2=0.8053；*. 差异显著 (P<0.05)。 Note: Determination coefficient (R2)= 0.8053; *. Significant difference (P<0.05).
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[1] XU Z, CAO J, QIN X, et al. Toxic effects on bioaccumulation, hematological parameters, oxidative stress, immune responses and tissue structure in fish exposed to ammonia nitrogen: a review[J]. Animals, 2021, 11(11): 3304. doi: 10.3390/ani11113304
[2] LIANG Q, DONG W, WANG F, et al. Ficus hirta Vahl. promotes antioxidant enzyme activity under ammonia stress by inhibiting miR-2765 expression in Penaeus vannamei[J]. Ecotoxicol Environ Saf, 2021, 228: 112989. doi: 10.1016/j.ecoenv.2021.112989
[3] ZHAO C, XU J, XU X, et al. Organ-specific responses to total ammonia nitrogen stress on juvenile grass carp (Ctenopharyngodon idellus)[J]. Environ Sci Pollut Res Int, 2019, 26(11): 10826-10834. doi: 10.1007/s11356-019-04524-4
[4] WANG J, TANG H, ZHANG X, et al. Mitigation of nitrite toxicity by increased salinity is associated with multiple physiological responses: a case study using an economically important model species, the juvenile obscure puffer (Takifugu obscurus)[J]. Environ Pollut, 2018, 232: 137-145. doi: 10.1016/j.envpol.2017.09.026
[5] VALENCI A-CASTAÑEDA G, FRIAS-ESPERICUETA M G, VANEGAS-PÉREZ R C, et al. Acute toxicity of ammonia, nitrite and nitrate to shrimp Litopenaeus vannamei postlarvae in low-salinity water[J]. Bull Environ Contam Toxicol, 2018, 101(2): 229-234. doi: 10.1007/s00128-018-2355-z
[6] LI X L, MARELLA T K, TAO L, et al. The application of ceramsite ecological floating bed in aquaculture: its effects on water quality, phytoplankton, bacteria and fish production[J]. Water Sci Technol, 2018, 77(11): 2742-2750. doi: 10.2166/wst.2018.187
[7] HU X J, CAO Y C, WEN G L, et al. Effect of combined use of Bacillus and molasses on microbial communities in shrimp cultural enclosure systems[J]. Aquac Res, 2016, 48(6): 1-15.
[8] 胡晓娟, 文国梁, 李卓佳, 等. 养殖中后期高位池对虾水体微生物群落结构及水体理化因子[J]. 生态学杂志, 2018, 37(1): 171-178. [9] 胡晓娟, 文国樑, 田雅洁, 等. 不同培养条件下菌株NB5对氨氮的去除效果研究[J]. 南方水产科学, 2020, 16(6): 89-96. doi: 10.12131/20200061 [10] 信艳杰, 胡晓娟, 曹煜成, 等. 光合细菌菌剂和沼泽红假单胞菌对实验水体氮磷营养盐和微生物群落的影响[J]. 南方水产科学, 2019, 15(1): 31-41. doi: 10.12131/20180144 [11] 熊瑶, 刘怡霞, 刘燕, 等. 锦鲤和锦鲫类养殖水体中硝化细菌的富集和分离培养[J]. 水产科技情报, 2018, 45(1): 25-29. doi: 10.16446/j.cnki.1001-1994.2018.01.006 [12] 张达娟, 张树林, 戴伟, 等. 凡纳滨对虾养殖池塘硝化细菌的分离鉴定及脱氮效果研究[J]. 水产科学, 2020, 39(2): 265-270. doi: 10.16378/j.cnki.1003-1111.2020.02.015 [13] 罗固源, 汤丽娟, 许晓毅, 等. 好氧反硝化菌筛选及强化OGO反应器脱氮的研究[J]. 中国给水排水, 2010, 26(1): 16-19. doi: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2010.01.006 [14] 陈静, 龚艳华. 一种用于处理氨氮污水的生物制剂及其制备方法: 104630101B[P]. 2015-05-20. [15] 曹煜成, 胡晓娟, 文国樑, 等. 一种净化海水池塘养殖尾水中无机氮磷的赤红球菌HDRR2Y及其应用: 111471612A[P]. 2020-07-31. [16] 屈晓伟, 李艳宾, 张琴. 分段调控pH值对阴沟肠杆菌WL1318发酵棉秆水解糖液产氢的影响[J]. 中国酿造, 2018, 37(5): 157-161. doi: 10.11882/j.issn.0254-5071.2018.05.030 [17] 王楠, 尹纪元, 王英英, 等. 草鱼源乳酸菌的分离鉴定及其生物学特性研究[J]. 南方水产科学, 2021, 17(6): 74-84. doi: 10.12131/20210039 [18] 汪伟, 蔡海波, 谭文松. pH调控方式和温度对透明质酸发酵过程的影响[J]. 现代食品科技, 2019, 35(8): 207-213. doi: 10.13982/j.mfst.1673-9078.2019.8.030 [19] 毛青钟, 胡金凤. 机制元红酒发酵过程优势细菌形态不同对其质量影响的研究[J]. 酿酒, 2012, 39(6): 50-54. doi: 10.3969/j.issn.1002-8110.2012.06.018 [20] 周丽英, 叶仁杰, 林淑婷, 等. 水稻根际耐镉细菌的筛选与鉴定[J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(5): 597-603. [21] 孙磊, 宋彤彤, 朱珍妮, 等. 可降解三乙胺的赤红球菌S6-2的筛选与鉴定及降解特性[J]. 环境科学研究, 2016, 29(12): 1882-1886. doi: 10.13198/j.issn.1001-6929.2016.12.17 [22] 刘元利, 刘猛, 周敏, 等. 一株石油降解赤红球菌(Rhodococcus rubber)特性及处理含油废水研究[J]. 环境科学学报, 2016, 36(10): 3651-3657. [23] 张金宝, 李凤梅, 郭书海, 等. 高分子量多环芳烃降解菌筛选及在土壤电动-生物修复中应用[J]. 生态学杂志, 2020, 39(1): 260-269. doi: 10.13292/j.1000-4890.202001.002 [24] 赵盼盼, 杨玉盛, 周嘉聪, 等. 不同海拔对福建戴云山黄山松林土壤微生物生物量和土壤酶活性的影响[J]. 生态学报, 2019(8): 2676-2686. [25] 谭杰, 董滨, 戴晓虎. 温度对生物膜—活性污泥复合工艺硝化特性及硝化菌种群的影响[J]. 净水技术, 2016, 35(2): 21-25. doi: 10.3969/j.issn.1009-0177.2016.02.005 [26] 魏小涵, 毕学军, 尹志轩, 等. 温度和DO对MBBR系统硝化和反硝化的影响[J]. 中国环境科学, 2019, 39(2): 612-618. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2019.02.021 [27] 王晓明, 王杰. 进水氨氮负荷对污水处理中硝化作用的影响[J]. 净水技术, 2017, 36(12): 90-93. doi: 10.15890/j.cnki.jsjs.2017.12.016 [28] 牟春艳. 硝化细菌的培养及其对养鱼池水中氨氮的去除作用[C]//中国畜牧兽医学会. 第七届中国畜牧科技论坛论文集. 北京: 中国农业出版社, 2016: 382. [29] WAN C, LI Z, SHEN Y, et al. Alternating nitrogen feeding strategy induced aerobic granulation: influencing conditions and mechanism[J]. J Environ Sci (China), 2021, 109: 135-147. doi: 10.1016/j.jes.2021.03.044
[30] TOMAR S K, CHAKRABORTY S. Effect of air flow rate on development of aerobic granules, biomass activity and nitrification efficiency for treating phenol, thiocyanate and ammonium[J]. J Environ Manage, 2018, 219: 178-188. doi: 10.1016/j.jenvman.2018.04.111
[31] 胡鹏, 杨庆, 杨泽凡, 等. 水体中溶解氧含量与其物理影响因素的实验研究[J]. 水利学报, 2019, 50(6): 679-686. doi: 10.13243/j.cnki.slxb.20190108 [32] 马宁宁. 开孔文丘里管掺气水流的水力和增氧特性研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2015: 48. [33] 刘玉沛. 赤红球菌与小球藻互生关系对苯酚降解影响的研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2015: 25. [34] 祁自忠, 杨匡, 程成, 等. 固定化硝化菌群联合芽孢杆菌处理对虾养殖废水[J]. 微生物学通报, 2018, 45(9): 1922-1939. doi: 10.13344/j.microbiol.china.180358 [35] 刘宗跃, 杨宏, 王少伦, 等. 硝化细菌工业化快速富集[J]. 化工学报, 2020, 71(8): 3722-3729. [36] 徐寒莉, 梁志伟, 毛巍, 等. 盐分对生物脱氮工艺中硝化反应的影响与机理[J]. 应用生态学报, 2014, 25(7): 2132-2140. doi: 10.13287/j.1001-9332.2014.0138 [37] 郭姿璇, 王群, 佘宗莲. 盐度对未驯化微生物活性的影响[J]. 中国环境科学, 2017, 37(1): 181-187. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2017.01.023 [38] 陈天宇, 刘元国, 蔡存远, 等. 微生物盐驯化对含盐污水除氮性能的提升研究[J]. 给水排水, 2019, 45(9): 19-24. doi: 10.13789/j.cnki.wwe1964.2019.09.004 -
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1. 刘睿，梁颖，殷豆豆，宋超东，莫祖琴，肖骏峰，易晗，张红岩，张彬，申乃坤. 降解亚硝酸盐菌株Bacillus velezensis GXMZU-B1的筛选、条件优化及初步应用. 南方水产科学. 2024(04): 133-143 . 
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