氨氮和亚硝酸盐超标是水产养殖过程中引起藻类过度繁殖、水质富营养化的元凶之一,同时也会影响水产动物的健康、严重时引起死亡、造成重大经济损失。异养—好氧反硝化(Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification,HNAD)微生物能够在酶促作用下通过硝化作用、反硝化作用和同化作用将铵态氮和亚硝态氮代谢转化为无毒的硝态氮、气态氮和生物氮。本论文针对水产养殖中氨氮和亚硝酸盐超标的问题,从水产养殖环境中筛选一株具有高效去除铵态氮和亚硝态氮能力的异养—好氧反硝化细菌——施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri F2)。围绕菌株F2的氮转化能力、功能基因挖掘、氮代谢途径及在水产养殖中的应用实验开展研究。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)从福建地区水产养殖池塘底泥中分离筛选到一株能够在有氧条件下降解氨氮和亚硝酸盐的微生物菌株F2,通过16S r DNA鉴定为施氏假单胞菌(P.stutzeri)。菌株F2经过驯化后,亚硝态氮的耐受浓度提高到300.0 mg/L。通过氮平衡分析计算71.29%的亚硝态氮通过好氧反硝化途径转化为气态氮。以琥珀酸钠为碳源、C/N为18、培养温度28℃、初始p H 8.0、摇床转速210 rpm时,亚硝态氮添加浓度300.0 mg/L时NO_2~–N去除率达到98.67%。另外,研究还发现菌株不仅能利用亚硝态氮,还能使用铵态购买ABT-199氮作单一氮源具有较好的生长性能和铵态氮去除率。同时还研究了以铵态氮和亚硝态氮做复合氮源,发现菌株优先利用铵态氮再利用亚硝态氮,并能促进菌株对亚硝态氮的转化。(2)通过全基因组信息分析发现菌株F2包含长度为4,979,911 bp基因构成的环状染色体和长度为86,675 bp的质粒。具有功能的编码基因4,708个,还包含4个5S r RNA、4个16S r RNA、4个23S r RNA、58个t RNA、2个前噬菌体和10个基因岛。将功能基因注释到COG、GO和KEGG数据库发现,COG数据库的功能基因注释主要集中于氨基酸转化代谢、信号转导和能量的产生及转运;GO数据库的功能基因注释主要集中于酶的催化活性和连接、细胞及组分、细胞过程和代谢过程;KEGG数据库的功能基因Hepatitis management注释主要集中于碳水化合物代谢、氨基酸代谢合成、信号传递和跨膜运动等。分析与氮代谢相关的功能基因发现菌株F2具有完整的硝态氮反硝化途径、同化途径、异化途径和铵态氮同化途径,另外还发现了铵离子跨膜转运、氨基酸合成调控和固氮相关的功能基因。通过全基因组共线性比较分析发现菌株F2与施氏假单胞菌T13、A1501、SDU10和28a24存在亲缘进化关系。(3)在研究了不同NH_4~+-N和NO_2~–N浓度条件下菌株F2的生长特性和氮去除率影响之后,利用转录组学分析高浓度铵态氮组Amo500和低浓度铵态氮组Amo100功能基因转录水平的差异,发现提高铵态氮的添加浓度时有459个功能基因表达量上调、556个功能基因表达量下调。将差异表达基因注释到GO和KEGG数据库发现差异基因主要聚焦于氮的代谢合成、营养物质的跨膜转运运输、碳源代谢利用和基因的合成等。而高浓度亚硝态氮组Nti500和低浓度亚硝态氮组Nti300在转录水平上有421个功能基因表达量上调、433个功能基因表达量下调。差异表达基因主要集中氮的代谢合成、营养物质的跨膜转运运输和亚硝酸盐的反硝化途径等。利用基因敲除技术构建了P.stutzeri-Δamt B菌株,发现在高浓度铵态氮时突变菌株Belnacasan分子式的生长性能和铵态氮去除率显著下降。结合转录组数据发现以丙酮酸钠为碳源、摇床转速210 rpm、铵态氮添加浓度500.0 mg/L时的氮去除率达到94.92%。(4)研究发现在养殖水体中添加菌株F2,对幼年花鲈(Lateolabrax maculatus)的生长特性、非特异性免疫、肠道及肝脏形态和肠道菌群的均有显著影响。与对照组(T0)通过循环系统换水降低氨氮水平不同,T1和T2组在饲养水中分别补充了低浓度(3.0×10~3 CFU/m L)和高浓度(3.0×10~5 CFU/m L)的具有去除氨氮和亚硝酸盐能力的菌株F2。经过33天的饲养,实验组花鲈的增重率、比生长率、饲料利用率和存活率都有明显提高(p<0.05)。菌株F2提高了实验组花鲈血清中的超氧化物歧化酶(SOD)、溶菌酶(LZM)和过氧化氢酶(CAT)的活性;提高了肝脏中谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的活性,同时降低了丙二醛(MDA)的水平。组织切片观察发现,T2组中肠的肌肉厚度和粘膜褶皱高度有明显改善。通过16S r RNA基因测序对花鲈肠道微生物群的变化进行研究,结果发现在添加菌株F2的实验组,变形菌门和发光杆菌属的相对丰度显著下降。用维氏气单胞菌(Aeromonas veronii)感染试验来评估花鲈的抗病能力,发现T2实验组的存活率最高。研究表明,在养殖水中添加3.0×10~5 CFU/m L的菌株F2可以改善花鲈的生长性能,激活先天免疫力,改善肠道微生物群的相对丰度,提高对A.veronii的抵抗力,为益生菌的应用提供了新思路。