Contribution of holothuroids to the bioremediation and stimulation of the benthic microbial metabolism in aquaculture  

海參類對水產養殖中生物修復及底棲微生物代謝的促進作用  

來源：Marine Pollution Bulletin, Volume 194, Article 115418, 2023

《海洋污染通報》第194卷，文章編號115418，2023年  

 

摘要內容

 

本研究通過室內模擬實驗，探究海參（Holothuria poli）對水產養殖廢物的生物修復潛力及其對底棲微生物代謝的調控作用。實驗設置兩組處理（含海參與不含海參），持續30天監測沉積物環境參數（氧化還原電位Eh、硫化物H?S、葉綠素a、有機質含量）及微生物活性指標（細菌豐度、胞外酶活性、反硝化/硫酸鹽還原菌活性）。結果表明：  

海參顯著降低沉積物有機質負荷（LOM降低40%），維持更高氧化還原電位（Eh平均高50 mV），抑制硫化物積累（H?S降低80%）。  

 

海參通過生物擾動刺激微生物代謝：脂酶活性提升2倍，硫酸鹽還原菌（SRB）豐度增加，但蛋白酶活性和反硝化菌活性受抑制。  

 

海參促進沉積物生態系統恢復，避免富營養化狀態，驗證其作為綜合多營養水產養殖（IMTA）系統生物修復工具的可行性。  

 

研究目的

評估海參（Holothuria poli）對水產養殖沉積物中有機廢物的生物修復效率。  

 

闡明海參活動對底棲微生物群落結構及代謝功能（如碳氮循環）的影響機制。  

 

為水產養殖可持續管理提供低成本、快速監測微生物活性的方法（如API®ZYM酶活性檢測）。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

設置8個沉積物系統（benthocosms），分為兩組：+h組（含海參）與-h組（無海參），每組4重復。  

 

模擬養殖廢水：定期添加魚類糞便與飼料混合物（100 g初始添加，后續每2天加2 g）。  

 

采樣時間點：D0、D3、D6、D12、D24、D30，分析沉積物環境參數與微生物指標。  

分析方法：  

 

環境參數：Unisense微剖面系統測量Eh和H?S（原位）；葉綠素a（Chl a）和易分解有機質（LOM）實驗室測定（表1）。  

 

 

微生物活性：流式細胞術測細菌豐度；API®ZYM測19種酶活性；BARTTM法測反硝化菌（DN）和硫酸鹽還原菌（SRB）活性（表2）。  

 

統計方法：主成分分析（PCA）比較環境變量差異（圖1）；主響應曲線（PRC）分析微生物功能變化（圖2）。  

 

 

測量的數據及研究意義

環境參數（表1）：  

 

數據：+h組Eh始終高于-h組（如D30：198.6 mV vs. -46.6 mV），H?S濃度更低（D12：0.9 μM vs. 91.3 μM）。  

 

意義：證實海參通過生物擾動改善沉積物氧化狀態，減少厭氧代謝產物積累，為微生物好氧代謝創造有利條件。  

微生物酶活性（表2）：  

 

數據：+h組脂酶活性顯著升高（峰值較-h組高200%），蛋白酶活性降低；SRB在+h組更活躍（如D24檢測陽性），DN在-h組更顯著。  

 

意義：海參活動改變有機質組成（增加脂類可利用性），促進硫酸鹽還原途徑，抑制反硝化作用，反映微生物代謝路徑的重定向。  

微生物群落響應（圖2）：  

 

數據：PRC分析顯示SRB和脂酶是驅動+h組差異的主要變量（權重>0.8），酶多樣性在-h組更高。  

 

意義：海參通過調控特定微生物功能群（如SRB）加速有機質礦化，提升系統生物修復效率。  

 

結論

生物修復機制：海參通過攝食有機顆粒與生物擾動，降低沉積物有機負荷（LOM減少40%），維持氧化環境（Eh提升），減少硫化物毒性。  

 

微生物代謝激活：海參刺激脂解酶活性和SRB代謝，加速有機質降解與硫循環，但抑制反硝化作用，可能影響氮去除效率。  

 

應用價值：海參可作為IMTA系統的關鍵組分，通過“消耗有機物-刺激微生物”雙路徑提升養殖系統可持續性，且API®ZYM與BARTTM法適用于快速監測修復效果。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

Unisense微剖面系統（丹麥Unisense®公司）通過原位高分辨率測量沉積物氧化還原電位（Eh）和硫化物（H?S）濃度，提供以下關鍵研究意義：  

揭示沉積物氧化狀態動態：  

 

Eh數據直接反映沉積物氧化還原分層（圖1）。+h組Eh始終高于-h組（如D30：+198.6 mV vs. -46.6 mV），證明海參生物擾動促進氧氣向沉積物深層擴散，抑制厭氧微區形成。  

 

意義：量化生物擾動對沉積物氧化的貢獻，為解釋微生物好氧代謝增強提供物理化學依據。  

監測硫化物毒性風險：  

 

H?S濃度在-h組顯著升高（如D12：91.3 μM），而+h組維持在低水平（<5 μM），表明海參活動有效抑制硫酸鹽還原菌的過度增殖，減少有毒H?S積累。  

 

意義：H?S是養殖系統關鍵毒性指標，Unisense數據直接驗證海參對沉積物環境健康的改善作用。  

支持微生物代謝關聯分析：  

 

Eh與H?S的負相關性（r = -0.82, p<0.01）解釋SRB活性變化：高Eh（+h組）抑制H?S生成，但SRB仍活躍（表2），表明海參可能通過改變有機質性質（如脂類富集）而非僅氧化狀態調控SRB功能。  

 

意義：凸顯生物擾動對微生物代謝的多路徑調控，超越傳統氧化還原框架的解釋。  

方法學優勢：  

 

毫米級垂直分辨率（如沉積物0-5 cm剖面）捕捉微生物生境的微尺度變化，優于破壞性采樣。  

 

原位實時監測避免樣品擾動，數據更反映真實環境條件，為養殖系統管理提供高精度預警指標（如H?S >50 μM為高風險閾值）。