随着人口的增长与养殖技术的发展,传统的水产养殖和捕捞渔业无法满足社会对于鱼类产品的需求,集约化高密度水产养殖应运而生,以其高密度鱼类产出、自动化管理模式等特点,近年来在国内外得到了快速发展。但是由于集约化养殖密度大、饲料投喂量大、集中程度高,养殖过程产生并积累了大量的含氮化合物,从而引发了氧化亚氮(N2O)的释放。N2O是一种重要的温室气体,具有很强的温室效应,它在大气中浓度的迅速增加已引起极大的关注。但是目前,关于集约化水产养殖系统中N2O的释放特征与释放机理的研究仍然较少。本文通过构建实验室规模的集约化养殖系统,监测其中温室气体N2O的释放情况,并分析其对于全球气候变化的影响;在初步掌握集约化水产养殖系统N2O产生机理的基础上,研究外加碳源作为电子供体对氮素迁移转化过程的影响,通过优化反硝化过程减少N2O的释放;此外,引入亚硝酸盐依赖型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)过程,采用生物电化学技术实现产甲烷和N-DAMO脱氮的耦联,探讨了在集约化水产养殖系统中采用N-DAMO实现N2O释放减量化的可行性。主要得到了以下结论:(1)集约化水产养殖系统是N2O的重要释放源。集约化水产养殖系统的N2O释放因子约为1.3%;根据2020年FAO对于世界水产养殖产量的预计,按照此因子估算,到2030年全球水产养殖系统可能会释放1.40×1011 gN2O-N。N2O的释放速率与系统中NO2--N和NH4+-N浓度等因素呈显著正相关,喂食量和DO也被确定为影响N2O释放的关键因素。化学计量学分析结果表明,硝化和反硝化过程均在N2O释放中起到重要作用,对N2O释放的贡献各占50%。(2)碳源添加能够有效控制集约化水产系统的N2O释放,释放量减少83.4%。以可溶性淀粉作为外加碳源,调整系统碳氮比为16:1,发现外加电子供体可以有效强化系统中异养微生物的生长,促进反硝化作用;外加碳源实验组的水质显著改善,系统中NH4+-N,NO2--N和NO3-—N明显低于对照组。另外,可溶性淀粉的添加也明显提高了鱼类的生殖性能和系统SMP的积累,进而使得养殖系统的生产效率得到提升。但是,碳源添加在减少N2O释放的同时,也使得CO2的释放量增加了 91.1%,导致系统的温室气体释放当量提高了 60.2%;此外,碳源添加导致76.2%的氮输入以气态氮(N2与N2O)的形式释放到大气中,远远高于对照组的33.3%,不利于营养物质的高效利用。(3)构建电化学耦合产甲烷生物阴极和短程硝化强化N-DAMO耦合脱氮系统,有望显著减少集约化水产养殖系统的N2O释放。成功驯化培养了 N-DAMO微生物和产甲烷生物阴极;基于周期测试得到的脱氮过程中N2O释放量极低,仅为0.045μmol.L-1·d-1;MEC的甲烷产量为257.23±27.15μmol·L-1.d-1,且周期测试中N2O始终低于检出限。根据本研究的计算结果分析,新型耦合脱氮系统应用与传统集约化水产养殖系统,使得养殖系统GWP的减排能达到54.17%,具有显著的环境效益和应用前景。