碳氮比對巨大普里斯特氏菌BZ一95降氮性能影響研究

關鍵詞：碳氮比；巨大普里斯特氏菌（Priestiamegaterium）；氮累積；同化還原細菌中圖分類號：S941 文獻標志碼：A 文章編號：1004—6755（2025）10-0011-04

Abstract：This study aimed to investigate the denitrification efficiency of the assimilatory giant Pseudomonas BZ-95 under varying carbon一 to一nitrogen ratios to optimize its utilization conditions. Results indicate that BZ-95^′ s denitrification capacity and pathways are highly dependent on the carbon一 to一nitrogen ratio. At a C/N ratio of 1：1 ， BZ-95 exhibited slower degradation rates for NO₂^--N （204 and NO₃^--N ，with residual NO₃^--N remaining after 6o hours，though no accumulation of NH₄⁺-N occurred during degradation. At a C/N ratio of 5：1，the degradation rates of NO₂^--N and NO₃^--N markedlyaccelerated，achieving 90% degradation efficiency for NO₂^--N within 2O hours without ammonia nitrogen accumulation. At C/N ratios of 10：1 ， 15：1 and 20：1 ，the degradation rates of NO₂^--N and NO₃^--N accelerated further，with NO₂^--N being completely degraded within 14 hours. At C/N ratios of 15：1 and 20：1 ，nitrate was fully degraded by l4 hours. However，severe ammonium nitrogen accumulation occurred during degradation，with higher carbon一to一nitrogen ratios leading to greater ammonium nitrogen accumulation. In summary， precise regulation of the carbon-to一nitrogen ratio in aquaculture water through carbon source supplementation significantly enhances the denitrification capacity of strain BZ-95 .A C/N ratio of 5：1 represents the optimal condition for BZ-95 to achieve peak denitrification eficiency. This research provides theoretical foundations and practical strategies for employing BZ-95 to control nitrogen pollution in aquaculture water， regulate aquatic environments，and enhance economic benefits in aquaculture.

Key words：Carbon-nitrogen ratio;Priestia megaterium;nitrogen accumulation;assimilatory reduction bacteri

高密度水產養殖易致使水體中氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽等含氮化合物過量積累，從而對養殖生物造成毒害[1]。近年來，微生態制劑在水產養殖業中被廣泛應用于調控水質，抑制和減少病原菌與有害微生物的繁殖 [2-3] 。以同化還原為主的細菌通過硝酸還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，隨后亞硝酸鹽還原酶將亞硝酸鹽進一步還原為氨氮4，并被自身利用。本研究中同化還原菌巨大普里斯特氏菌（Priestiamegaterium）BZ-95在適中碳氮比條件下可將養殖水體中的硝酸鹽還原成亞硝酸鹽并進一步還原成氨氮，被菌體自身以有機氮的形式利用，具有良好的降氮效果 [5-6] （20

養殖水體中的 C/N 指能夠被異養微生物利用的有機碳源與總氮的比值。菌株因自身構成與代謝類型的不同，對其環境 C/N 的響應存在差異。養殖過程中，大量氮隨著殘餌、糞便及代謝產物等殘留在養殖系統內無法被利用，導致養殖水體中總氮（TN）的累積，C/N隨養殖時間的延長而下降。當養殖水體C/N低時，碳源短缺無法滿足異養微生物的需求，細菌代謝速率下降，增殖能力減弱，無法高效進行硝化和反硝化作用，進一步導致氨氮、亞硝酸鹽等有毒物質積累，直接毒害魚蝦[8]

因此，探究菌株BZ一95發揮其脫氮效果的最適碳氮比，對實際生產養殖中降低生產成本具有重要作用。本研究通過添加外源碳源（蔗糖）調控碳氮比[9]，系統探究不同碳氮比條件下同化還原型菌株13Z-95 對氨氮 （NH₄⁺-N） 、亞硝酸鹽 （NO₂^--N） 及硝酸鹽 （NO₃^--N） 的降解動力學特征，旨在為實際生產中碳源精準添加及降本增效提供理論依據。

1材料與方法

1.1 試驗材料

1. 1. 1 供試菌株

巨大普里斯特氏菌BZ一95是山東農業大學水產動物健康養殖研究室純化篩選得到的一株脫氮菌株。

1.1.2供試培養基

混合氮源培養基： ΔNH₄Cl 0.038 g/L （ 10mg/L） ！ NaNO₂ 0. 05g/L （ 10mg/L 、 KNO₃ 0.24g/L （ 40mg/L ）、 K₂HPO₄ 0.5g/L 、 KH₂PO₄

0.5g/L 、 MgSO₄ 0. 40g/L 、NaCl 10g/L 、 CaCl₂ 0.011g/L，Fe₂（SO₄）₃（2.5mg/L） 、蔗糖（通過調整蔗糖濃度來調整碳源，改變碳氮比，氮源不變）。

1.2 模擬試驗

分別調整各錐形瓶培養基中蔗糖的濃度，調整優化培養基中的 C/N ，使其分別為 1：1.5：1 ，10：1，15：1 和 20：1 ，設置5個試驗組。按照1%（v/v） 的接種量，將 BZ-95 接種至不同 C/N 的混合氮源培養基中，接種菌液濃度控制在1×10³CFU/mL ，置于 28°C 、充氧錐形瓶中培養60h 。

1.3 測定方法

氨氮含量測定采用納氏試劑法，亞硝酸鹽含量測定采用重氮一偶氮法，硝酸鹽含量測定采用酚二磺酸法，采用紫外分光光度計測定不同時間段不同碳氮比水體中氨氮、亞硝酸鹽以及硝酸鹽的含量。

1.4 統計分析方法

本研究涉及的所有試驗數據采用SPSS軟件進行統計分析和顯著性檢驗。

2結果

2.1 C/N 為 1：1 條件下 BZ-95 降氮效果

碳氮比為 1：1 的條件下：氨氮初始濃度為16.17mg/L 時， 36h 可完全降解掉；硝酸鹽初始濃度 49.63mg/L 時， ^36h 內降解緩慢，在 60h 時降解率達到 94% ；亞硝酸鹽初始濃度為10.36mg/L 時， 36h 時降解率為 51% ，60h時降解率達到 100% ，如圖1所示。

氨氮濃度/（mg·L-1）亞硝酸鹽濃度/（mg·L-1）2. 硝酸鹽濃度/（mg·L-1） / /1 8 1114172024364860時間/h

2.2 C/N為 5：1 條件下 BZ-95 降氮效果

碳氮比為 5：1 的條件下：氨氮初始濃度為12.66mg/L 時， ^14h 可完全降解掉；亞硝酸鹽初始濃度為 10.36mg/L 時， 20h 時降解率為 90% .60h 時降解率為 100% ： NO₃^--N 初始濃度45.68mg/L 時， 24h 內降解緩慢，在 60h 時降解率達到 100% ，如圖2所示。

2.5 C/N 為 20：1 條件下 BZ-95 降氮效果

碳氮比為 20：1 的條件下：亞硝酸鹽初始濃度為 10.36mg/L 時， 14h 內可完全降解掉；硝酸鹽初始濃度 45.68mg/L 時， ^14h 內也可完全降解掉。但降解過程中氨氮濃度顯著增加，最高濃度可達86.49mg/L，36h 時氨氮才可完全降解掉，如圖5所示。

2.3 C/N為 10：1 條件下 BZ-95 降氮效果

碳氮比為 10：1 的條件下：亞硝酸鹽初始濃度為 10.36mg/L 時， ^14h 可降解為0；硝酸鹽初始濃度 45.68mg/L 時，在 內降解緩慢， 36h 時可完全降解。但降解過程中氨氮濃度顯著增加，最高濃度達 46.94mg/L ，且 ^17h 時氨氮才可完全降解掉，如圖3所示。

2.6不同C/N下氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽的消除半衰期分析

亞硝酸鹽、硝酸鹽的速率

2.4 C/N 為 15：1 條件下BZ-95降氮效果

碳氮比為 15：1 的條件下：亞硝酸鹽初始濃度為 10.36mg/L ，在 ^14h 就可完全降解掉；硝酸鹽初始濃度為 45.68mg/L 時，在 ^17h 內就可完全降解。但降解過程中，氨氮濃度顯著升高，最高濃度可達 時氨氮才可完全降解掉，如圖4所示。

通過對不同碳氮比（C/N）條件下硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮消除半衰期的分析，如表1所示。隨著C/N從 1：1 增至 20：1 ，硝酸鹽消除半衰期由48.84h 明顯縮短，在 C/N 為 15：1 時達到最低值8.94h ;亞硝酸鹽消除半衰期也從 35.14h 持續下降至 8.77h ，顯示反硝化速率隨碳源增加而整體提升。然而，不同碳氮比條件下氨氮行為呈現不同趨勢， C/N 為 5：1 時氨氮消除半衰期較短中 （21.40h） ，且無累積；但當 C/N 提升至 10：1 及以上時，水體出現大量氨氮積累，累積量從34.28mg/L（C/N 為 10：1） 上升至 72.08mg/L （C/N為 20：1? ，同時氨氮消除半衰期出現反彈，在 C/N 為 20：1 時延長至 27.70h. 。因此，從避免氨積累和協同促進硝化與反硝化的綜合效果來看，碳氮比 5：1 是本試驗條件下的較優選擇。

表1不同碳氮比條件下氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽的消除半衰期以及氨氮最高累積量

3討論

脫氮細菌的生長代謝需要適量的碳源和氮源，而碳氮比是影響菌株的降氮特性的重要因子之一。在低碳氮比條件下，碳源的供應不足會限制微生物的生長和代謝活動，由于缺乏足夠的能量和電子，細菌無法有效地將硝酸鹽還原為氮氣，導致脫氮效率降低[10]。本研究中碳氮比為 1：1 時菌株需要更多的能量來同化碳源，從而影響其前期生長速度，導致菌株前期脫氮效率較低。適中的碳氮比能夠為微生物提供充足的碳源和氮源，維持其較好的生長狀態，碳源可以支持微生物的能量需求，氮源則用于細胞合成，從而實現較好的脫氮效果[8]。本研究中碳氮比為 5：1 的條件下，菌株BZ一95可以有效地利用碳源和氮源，優化細胞內的代謝途徑，高效地將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原，以提高脫氮效率。

本試驗發現，在高碳氮比 （C/N） 條件下，菌株BZ-95 表現出顯著的氨氮積累現象，該過程與其以同化還原為主的代謝特性密切相關。 BZ-95 作為一種同化型脫氮菌株，能夠將硝酸鹽（NO₃^--N） 還原為亞硝酸鹽 （NO₂^--N） ，并進一步還原為氨氮 （NH₄⁺-N ，最終通過同化作用將氮整合至生物質中[11]。在碳源充足的高 C/N 環境中，菌體還原力顯著增強，硝酸鹽與亞硝酸鹽的還原速率迅速提高，但菌體的生長速率受其他環境或生理因素限制，未能同步提高，使得還原產生的氨氮無法被及時同化用于合成細胞物質，水體中出現大量氨氮積累。本試驗中， C/N 為 5：1 時未觀測到氨氮積累，因碳氮平衡促使菌株優先通過同化還原路徑直接將氮整合為生物質，同時維持電子傳遞效率，避免副產物積累。因此，在實際水產養殖生產中，維持平衡的碳氮比對保障養殖體系的穩定至關重要。未來的研究應著重于精確確定最佳 C/N 范圍，并深入探究其對氮循環微生物群落結構和功能的影響，為開發高效、安全的養殖水質調控策略提供理論依據。

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（收稿日期：2025-09-01）