精養(yǎng)池塘碳氮循環(huán)特征及有機(jī)碳源對(duì)生物絮團(tuán)降氮作用的影響機(jī)制.pdf

1、養(yǎng)殖池塘水體和底泥的特征微生物群落與其棲息的生態(tài)位的環(huán)境條件相適應(yīng)，并且行使特殊的生態(tài)功能。研究微生物群落結(jié)構(gòu)和他們的生態(tài)功能可以幫助我們理解池塘不同營(yíng)養(yǎng)鹽的生物地球化學(xué)循環(huán)過程和它們?cè)谠坏年P(guān)聯(lián)。由于有大量的外來有機(jī)碳(C)和有機(jī)氮(N)輸入，C和N營(yíng)養(yǎng)循環(huán)在池塘生態(tài)系統(tǒng)中尤其重要。為了更好地理解池塘中N素的地球化學(xué)循環(huán)過程，降低氮污染物對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的危害，調(diào)控氮素更多地流向水產(chǎn)品，我們調(diào)查了池塘C、N循環(huán)代謝通路及其功能微生物結(jié)構(gòu)特征

2、，分析了C、N代謝通路相互關(guān)聯(lián)性，探索了有機(jī)碳源對(duì)生物絮團(tuán)降氮作用的影響機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:
　　1.本研究使用宏基因組技術(shù)檢測(cè)了華中地區(qū)經(jīng)典草魚(Ctenopharyngodon idellus)養(yǎng)殖池塘表層水體(surface water,SW)、底層水體(bottom water,BW)、表層底泥(surface sediment，SS)和深層底泥(deep sediment，DS)微生物群落特征和功能?？傮w上，池塘水層

3、的群落結(jié)構(gòu)和微生物過程與SS和DS有顯著差異，Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria和Planctomycetes在池塘水體更豐富，而Deltaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Euryarchaeota(Archaea)和Nitrospirae在底泥中含量更高（P＜0.05）。我們?cè)陔娔X中重建了功能潛力和N營(yíng)養(yǎng)循環(huán)代表微生物。池塘水體較高的N

4、同化、蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞增殖功能潛力可能為監(jiān)測(cè)到的低氨氮濃度負(fù)責(zé)。氨氧化功能基因豐度非常低，并且主要在水層發(fā)現(xiàn)與Nitrosomonas(100％)相關(guān)。反硝化主要在SS中發(fā)現(xiàn)，涉及的主要物種是Rhodocyclales。N固定(nif基因)和硝酸鹽異化還原成銨的功能潛力也主要在底泥中被發(fā)現(xiàn)，它們對(duì)于池塘生態(tài)系統(tǒng)的氨減少是不利的?？傮w上，這些結(jié)果為養(yǎng)殖池塘的微生物功能生態(tài)提供了更加詳細(xì)的圖景。
　　2.使用宏基因組技術(shù)分析了養(yǎng)殖池塘

5、C營(yíng)養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的功能潛力及其功能微生物。相對(duì)于自養(yǎng)光合生物Cyanobacteria和Cryptophyta，異養(yǎng)細(xì)菌Actinobacteria和Betaproteobacteria是池塘進(jìn)行呼吸作用的主要微生物。底泥中的CO2還原產(chǎn)甲烷菌Methanomicrobiales和硫還原細(xì)菌Syntrophobacterales的化能合成作用是池塘主要的碳固定過程。由于游離氨對(duì)產(chǎn)甲烷菌的選擇抑制，氫營(yíng)養(yǎng)的產(chǎn)甲烷菌Methanomicrob

6、iales是池塘底泥主要的產(chǎn)甲烷微生物。在池塘水層，AOB(Nitrosomonadaceae)通過氧化途徑，Ⅰ型嗜甲烷菌Methylococcaceae通過RuMP途徑，Ⅱ型嗜甲烷菌Methylocystaceae通過絲氨酸途徑利用CH4。此外，本研究暗示外源有機(jī)碳的呼吸作用可能為池塘異養(yǎng)細(xì)菌的N同化作用和反硝化作用提供能量，Nitrosomonadales在池塘水體中扮演多種角色，不僅僅進(jìn)行硝化作用也進(jìn)行N礦化和甲烷氧化過程，Met

7、hanomicrobiales是池塘底泥主要的產(chǎn)甲烷、CO2固定和N2固定微生物。這些結(jié)果表明，池塘底泥氨氮的積累影響產(chǎn)甲烷過程，反過來有機(jī)碳及甲烷循環(huán)過程對(duì)氮循環(huán)過程也有顯著影響。
　　3.在得到養(yǎng)殖水體中有機(jī)碳源可以通過多種途徑影響氮循環(huán)過程后，我們?cè)趹?yīng)用生物絮團(tuán)技術(shù)的零水體交換養(yǎng)殖桶中研究了不同碳源對(duì)微生物多樣性的影響。本實(shí)驗(yàn)包含對(duì)照組和使用不同碳源的三種生物絮團(tuán)系統(tǒng)，分別是木薯粉(tapioca starch，TS)處理組

8、，植物纖維素(plant cellulose，PC)處理組，和木薯粉、植物纖維素混合(TS+PC)處理組，實(shí)驗(yàn)在12個(gè)300L的圓形纖維加強(qiáng)塑料桶中進(jìn)行了42天，平均體重38.1±5.9g的黃顙魚(Pelteobagrus vachelli)共72尾被隨機(jī)分配到12個(gè)養(yǎng)殖桶中。通過對(duì)PCR擴(kuò)增的16S rRNA基因片段進(jìn)行Illumina MiSeq測(cè)序，我們研究了所有實(shí)驗(yàn)組的總細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌的群落特征。結(jié)果表明對(duì)照組的氨氮濃度為3.

9、6±4.6mg/L，顯著高于TS處理組(2.4±2.9mg/L)，PC處理組(1.8±2.4mg/L)和TS+PC處理組(2.2±2.5mg/L)(P＜0.05)。TS處理組的增重率顯著高于對(duì)照組(P＜0.05)，而PC和TS+PC處理組與對(duì)照組沒有顯著差異(P＞0.05）。Illumina MiSeq測(cè)序結(jié)果表明添加植物纖維素的生物絮團(tuán)處理組(PC和TS+PC處理組)總細(xì)菌多樣性和細(xì)菌豐度顯著高于對(duì)照組和TS處理組(P＜0.05)。對(duì)

10、照組和TS處理組的Betaproteobacteria顯著增高，而添加植物纖維素的處理組Alphaproteobacteria更高(P＜0.05）。Illumina測(cè)序分析氨氧化細(xì)菌同樣檢測(cè)到相對(duì)于對(duì)照組(Shannon index=0.84;Simpson index=0.6149)，生物絮團(tuán)處理組有更高的群落多樣性(Shannon index＞1.21;Simpson index＜0.3949)。綜上所述，生物絮團(tuán)系統(tǒng)中的額外有機(jī)碳

11、源可以減少氨氮濃度和提高總細(xì)菌和氨氧化細(xì)菌的群落多樣性。
　　4.為了更加細(xì)致的了解生物絮團(tuán)系統(tǒng)中，有機(jī)碳源添加對(duì)水體微生物群落的影響。我們?cè)诨旌戏N群的懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器中調(diào)查了生長(zhǎng)階段(growth period，GP)和維持階段(maintenance period,MP)細(xì)菌群落組成伴隨時(shí)間的演化過程。進(jìn)一步的在處理階段(treatment period,TP)檢測(cè)了不同碳氮比率(C/N)的合成污水輸入液對(duì)硝化細(xì)菌和潛在氨氧化速

12、率的影響。結(jié)果表明，在10天的初始培育后，所有的生物絮團(tuán)反應(yīng)器(biofloc reactor,BR)系統(tǒng)都顯示了非常高的氨氮(NH4+-N)移除效率(＞95％)?？傮w上，通過Illumina MiSeq測(cè)序從18個(gè)樣品中獲得了1191895條有效序列(平均長(zhǎng)418bp)。PCA分析表明，接種的池塘水體(S0)與BR中的細(xì)菌群落明顯分離，同時(shí)，S0中的細(xì)菌α多樣性顯著低于BR。在GP，絕大部分顯著增加的細(xì)菌是異養(yǎng)菌，包括許多有氧反硝化細(xì)

13、菌，例如，Zoogloea，Rhodobacter，Pseudomonas，Methyloversatilis和Terrimonas。在GP中，自養(yǎng)硝化細(xì)菌也顯著積累并導(dǎo)致硝酸鹽氮(NO3--N)在第28天達(dá)到峰值。在MP，有氧或兼性有氧反硝化細(xì)菌，主要是Rhodobacter，Hydrogenphaga和Sphaerotilus顯著增加，并作為補(bǔ)充來移除增加的NO3--N。不同碳氮比率實(shí)驗(yàn)表明，Rhodobacter，Hydrogen