《Journal of Applied Phycology》：Bioremediation of ozone-produced oxidants in marine RAS using Ulva ohnoi: benefits and impacts on seaweed physiology and associated microbiomes
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为解决臭氧(O3)在海水循环水养殖系统(RAS)中应用时产生的有毒副产物（臭氧副产物，OPO）带来的风险，研究人员开展了一项主题为利用石莼(Ulva ohnoi)进行生物修复的集成多营养层水产养殖(IMTA)-RAS研究。结果显示，石莼可使OPO浓度额外降低11%，但其自身生长、形态、代谢物（如氨基酸、酚类）及共生微生物组（特别是复杂碳水化合物代谢菌减少）也受到显著影响。该研究证明了石莼作为OPO生物过滤器的潜力及其在氧化胁迫下的适应性反应，为海水臭氧处理的可持续应用提供了新见解。
在现代化的海水循环水养殖系统中，维持优良水质是养殖成功的关键。臭氧(O3)作为一种强大的氧化剂，因其卓越的杀菌、降解有机物和去除固体颗粒等能力，在全球水产养殖业中备受青睐。然而，硬币的另一面是，当臭氧作用于富含卤素（如溴、碘、氯）的海水时，会生成一系列被统称为“臭氧副产物”的氧化性卤素化合物。这些氧化副产物虽然寿命短暂，但若过量投加或水体循环，仍会累积并对养殖动物的鳃、皮肤等组织造成损伤，甚至威胁其健康。如何安全、有效地利用臭氧这把“双刃剑”，成为海水循环水养殖领域亟待解决的问题。
传统的物理化学去除方法（如活性炭吸附、紫外线照射）虽有一定效果，但成本较高或效率有限。那么，是否存在一种更生态、可持续的解决方案呢？研究人员将目光投向了海洋中的“清洁工”——大型海藻。特别是石莼属海藻，因其生长快速、环境耐受性强，且已在集成多营养层水产养殖中被证明能有效吸收水体中的营养盐，成为了理想的研究对象。其中，石莼(Ulva ohnoi)更因其在实验室研究和商业化养殖中的潜力而受到关注。但一个关键的科学问题随之而来：石莼能否“消化”掉这些有害的臭氧副产物？在这个过程中，它自身又会付出怎样的“代价”？其内部的化学反应和与之共生的微生物“盟友”又会发生哪些变化？为了回答这些问题，一个国际研究团队在《Journal of Applied Phycology》上发表了一项创新性研究，系统评估了石莼(Ulva ohnoi)在模拟IMTA-RAS环境中对臭氧副产物的生物修复能力及其自身的生理与微生物组响应。
为了系统回答上述科学问题，研究人员设计了一套精巧的模拟集成多营养层水产养殖-循环水养殖系统实验装置。该研究采用了包含金头鲷(Sparus aurata)的养殖单元，其出水经过臭氧处理后，流入石莼(Ulva ohnoi)培养单元。研究设立了包含石莼的臭氧处理组、不含石莼的臭氧对照组以及不含臭氧的石莼对照组，通过对比不同处理组出水中的臭氧副产物浓度变化，评估石莼的生物过滤效能。同时，通过测量金头鲷和金头鲷的生长、光合效率，并结合靶向和非靶向代谢组学（气相色谱-质谱联用）分析其初级和次级代谢物（如叶绿素、酚类、可溶性糖、氨基酸）的变化，全面评估臭氧副产物对石莼生理生化的影响。此外，研究还运用了16S rRNA基因扩增子测序技术，对与石莼共生的细菌微生物组的组成和动态进行了深入解析，以揭示氧化胁迫对藻菌互作体系的影响。所有统计分析均在R语言环境中完成，采用了线性混合效应模型、重复测量方差分析、主坐标分析、差异丰度分析等多种方法以确保结果的可靠性。
研究结果
OPO降低能力
研究发现，在臭氧处理的水流中，无论是含有石莼的系统还是不含石莼的对照系统，臭氧副产物浓度都会自然下降（降幅60-82%）。但至关重要的是，含有石莼的系统实现了额外11%的臭氧副产物降低，其出水口的平均臭氧副产物浓度始终低于不含藻类的对照组。这表明石莼确实具备作为臭氧副产物生物过滤器的潜力。
形态学变化
暴露于臭氧副产物一周后，石莼在形态上开始显现差异。与对照组相比，经臭氧处理的石莼颜色更深绿，质地更硬，柔韧性下降，在平滑表面不易摊平，且叶片边缘略显粗糙。
生物量增长
臭氧处理对石莼的生长产生了显著的负面影响。总体来看，臭氧处理使石莼的生物量增益减少了29.8%。在实验期间，对照组石莼的湿重生物量大约增加了三倍，而臭氧处理组仅增加了两倍。
光合效率
臭氧处理对石莼的光合效率产生了显著的负面影响。尽管在实验后期，所有石莼样品的光合效率值均保持在0.7-0.8之间，表明其光合系统整体健康状况尚可，但在处理初期（如第4天），臭氧处理组的效率值显著低于对照组。
石莼代谢物含量分析
生物分子测定：臭氧处理诱导了石莼的氧化应激反应，导致其多种代谢物含量发生显著变化。总体而言，臭氧处理组的叶绿素总量增加了17.32%，总酚类化合物增加了9.81%，类黄酮增加了20.3%。在实验第13天，这些差异尤为明显，同时可溶性糖的含量也显著升高。
代谢组学分析：非靶向代谢组学分析显示，臭氧处理和对照组石莼的代谢谱存在清晰分离。靶向定量分析进一步发现，臭氧处理显著改变了多种氨基酸的含量，包括谷氨酰胺、亮氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸的含量升高，以及丙酮酸在实验初期的急剧增加。
16S rRNA基因扩增子测序
α多样性：臭氧处理并未显著改变与石莼共生的微生物组的物种丰富度（Observed richness）或多样性指数。
β多样性：微生物群落结构发生了显著变化。主坐标分析显示，从实验第7天起，臭氧处理组和对照组的微生物群落开始沿着坐标轴分离，差异日益明显。
群落组成变化：在门水平上，随着臭氧处理时间延长，变形菌门在臭氧处理组中成为绝对优势类群（第13天占85.99%），而拟杆菌门和放线菌门的相对丰度大幅下降。在科水平上，Saprospiraceae（腐螺旋菌科）和Microtrichaceae等类群在臭氧处理下丰度锐减，而Sphingomonadaceae（鞘氨醇单胞菌科）、Rhodobacteraceae（红杆菌科）和Flavobacteriaceae（黄杆菌科）等类群的相对丰度则有所增加。
差异丰度与核心微生物组：差异丰度分析鉴定出大量在臭氧处理下显著增加或减少的细菌物种。到实验第13天，臭氧处理组石莼的“核心微生物组”（定义为在至少20%样品中相对丰度>2%的类群）与对照组相比发生了根本性改变。对照组核心菌群以Saprospiraceae为主，而臭氧处理组核心菌群则几乎全部由变形菌门的多个类群主导，两组仅有2个物种共享。
研究结论与讨论
本研究成功证实了石莼(Ulva ohnoi)作为一种生物过滤器，在海水集成多营养层水产养殖-循环水养殖系统中有降低臭氧副产物浓度的潜力。尽管石莼自身表现出了氧化应激的迹象，包括生物量增长减缓、形态改变、代谢物组成变化以及共生微生物组的结构性演替，但它依然在远高于某些敏感水产动物安全阈值的臭氧副产物浓度下保持了可观的生长。这种耐受性使其成为可持续水产养殖系统中集成水处理策略的有力候选者。
研究指出，石莼的臭氧副产物降低能力是持续的，但并未发现与藻体生物量增加直接相关。这可能意味着臭氧副产物的去除主要通过与石莼表面生物膜及藻体释放的有机物质发生反应，而非简单的生物吸收。臭氧诱导的氧化应激触发了石莼体内一系列复杂的生理生化响应。叶绿素、酚类、类黄酮和多种氨基酸含量的升高，是植物应对氧化压力的典型防御机制，旨在中和活性氧、保护光合机构并维持细胞稳态。这些代谢物的变化也可能影响石莼作为养殖产物的营养价值和应用潜力。
尤为重要的是，本研究首次揭示了臭氧副产物对石莼共生微生物组的深远影响。微生物群落结构的剧烈变化，特别是Saprospiraceae等具有复杂碳水化合物代谢潜能细菌的减少，可能对石莼的营养获取、生长发育乃至整体健康产生长期影响。然而，令人惊讶的是，尽管群落组成剧变，但一些已知对石莼形态发生至关重要的细菌类群，如Maribacter和Roseovarius，似乎并未从核心微生物组中完全消失，这表明微生物组的功能稳定性可能在一定程度上得以维持。这一发现暗示，在可控条件下，臭氧或许可以作为一种“微生物组工程”工具，用于调控养殖海藻的共生菌群。
总之，这项研究为理解大型海藻在应对水产养殖新兴污染物方面的作用提供了新的多维视角。它不仅展示了石莼在改善循环水养殖系统水质方面的应用前景，也深刻揭示了在应用此类技术时需要权衡的利弊——即在获取环境效益的同时，必须充分考虑并评估对生产性生物（此处为石莼）自身生理状态和共生体系的潜在影响。未来研究需要进一步优化臭氧投加策略与石莼培养条件的协同，并深入探究微生物组变化的功能性后果，从而推动基于海藻的循环水养殖系统向着更高效、更稳健、更可持续的方向发展。
