精養(yǎng)池塘碳氮循環(huán)特征及有機碳源對生物絮團降氮作用的影響機制.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養(yǎng)鹽的生物地球化學循環(huán)過程和它們在原位的關(guān)聯(lián)。由于有大量的外來有機碳(C)和有機氮(N)輸入，C和N營養(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素的地球化學循環(huán)過程，降低氮污染物對養(yǎng)殖對象的危害，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，探索了有機碳源對生物絮團降氮作用的影響機制。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。總體上，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）。我們在電腦中重建了功能潛力和N營養(yǎng)循環(huán)代表微生物。池塘水體較高的N

4、同化、蛋白質(zhì)合成和細胞增殖功能潛力可能為監(jiān)測到的低氨氮濃度負責。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)提供了更加詳細的圖景。
　　2.使用宏基因組技術(shù)分析了養(yǎng)殖池塘

5、C營養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的功能潛力及其功能微生物。相對于自養(yǎng)光合生物Cyanobacteria和Cryptophyta，異養(yǎng)細菌Actinobacteria和Betaproteobacteria是池塘進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。由于游離氨對產(chǎn)甲烷菌的選擇抑制，氫營養(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碳的呼吸作用可能為池塘異養(yǎng)細菌的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，不僅僅進行硝化作用也進行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，反過來有機碳及甲烷循環(huán)過程對氮循環(huán)過程也有顯著影響。
　　3.在得到養(yǎng)殖水體中有機碳源可以通過多種途徑影響氮循環(huán)過程后，我們在應(yīng)用生物絮團技術(shù)的零水體交換養(yǎng)殖桶中研究了不同碳源對微生物多樣性的影響。本實驗包含對照組和使用不同碳源的三種生物絮團系統(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，實驗在12個300L的圓形纖維加強塑料桶中進行了42天，平均體重38.1±5.9g的黃顙魚(Pelteobagrus vachelli)共72尾被隨機分配到12個養(yǎng)殖桶中。通過對PCR擴增的16S rRNA基因片段進行Illumina MiSeq測序，我們研究了所有實驗組的總細菌和氨氧化細菌的群落特征。結(jié)果表明對照組的氨氮濃度為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照組(P＜0.05)，而PC和TS+PC處理組與對照組沒有顯著差異(P＞0.05）。Illumina MiSeq測序結(jié)果表明添加植物纖維素的生物絮團處理組(PC和TS+PC處理組)總細菌多樣性和細菌豐度顯著高于對照組和TS處理組(P＜0.05)。對

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測序分析氨氧化細菌同樣檢測到相對于對照組(Shannon index=0.84;Simpson index=0.6149)，生物絮團處理組有更高的群落多樣性(Shannon index＞1.21;Simpson index＜0.3949)。綜上所述，生物絮團系統(tǒng)中的額外有機碳

11、源可以減少氨氮濃度和提高總細菌和氨氧化細菌的群落多樣性。
　　4.為了更加細致的了解生物絮團系統(tǒng)中，有機碳源添加對水體微生物群落的影響。我們在混合種群的懸浮生長反應(yīng)器中調(diào)查了生長階段(growth period，GP)和維持階段(maintenance period,MP)細菌群落組成伴隨時間的演化過程。進一步的在處理階段(treatment period,TP)檢測了不同碳氮比率(C/N)的合成污水輸入液對硝化細菌和潛在氨氧化速

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％)。總體上，通過Illumina MiSeq測序從18個樣品中獲得了1191895條有效序列(平均長418bp)。PCA分析表明，接種的池塘水體(S0)與BR中的細菌群落明顯分離，同時，S0中的細菌α多樣性顯著低于BR。在GP，絕大部分顯著增加的細菌是異養(yǎng)菌，包括許多有氧反硝化細

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