海水养殖尾水生态净化机制研究——贝类对池塘沉积物菌群结构和氮代谢的影响

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养殖尾水氮含量过高等富营养化问题是影响当前我国海水池塘养殖产业健康可持续发展重要因素,滩涂埋栖型贝类作为一种滤食性生物,可通过其滤水作用,吸收水体中的微藻和悬浮有机颗粒,还可通过生物扰动作用改变沉积物/水界面的物质交换,进而改变水生态系统环境。首先,本研究聚焦滩涂贝类生态净化池塘中的菲律宾蛤仔(Ruditapes philippinarum)、硬壳蛤(Mercenaria,mercenaria)、文蛤(Meretrix lusoria)和缢蛏(Sinonovacula constricta)等4种不同贝类养殖区,利用高通量测序技术分析池塘沉积物的微生物群落结构,采用定量PCR技术分析沉积物/水界面氮循环过程关键功能基因丰度变化。其次,构建菲律宾蛤仔生态净化池塘,利用氮稳定同位素示踪技术检测沉积物/水界面的反硝化(Denitrification)、厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)等氮循环反应速率。最后,构建滩涂贝类模拟试验系统,深入分析贝类不同品种、不同养殖密度对池塘沉积物微生物群落组成,以及沉积物/水界面的硝化、反硝化和厌氧氨氧化等主要氮循环反应过程的影响。本研究系统地揭示了滩涂贝类的生态净化功能及其对池塘氮循环过程的影响,具体研究结果如下:(1)四种埋栖型贝类对水质及沉积物细菌群落结构的影响2019年初构建了滩涂贝类生态净化池塘,设置面积相近的菲律宾蛤仔区、缢蛏区、硬壳蛤区、文蛤区和无贝区,分别放养相同生物量的菲律宾蛤仔、缢蛏、硬壳蛤和文蛤,无贝区不放养任何贝类作为对照,调查了生态净化池塘各区域沉积物的微生物组成情况。于7、8、9、10月分别采集各贝类养殖区和无贝区的沉积物样品,用高通量测序分析发现:硬壳蛤区、菲律宾蛤仔区、缢蛏区、文蛤区的优势菌属分别为Woeseia、Bacillus、Salinimicrobium、Woeseia;经荧光定量PCR检测分析发现:有贝区8月的Nitrogenase(nif H)基因丰度显著低于无贝区(p<0.05),7、8月Nitrous oxide reductase(nos Z)基因丰度显著高于无贝区(p<0.05),7月Ammonia-oxidizing bacteria(AOB)基因丰度显著低于无贝区(p<0.05);此外,沉积物间隙水样品的水质分析结果显示:各贝类养殖区沉积物间隙水的氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐浓度均低于无贝区,养殖菲律宾蛤仔对氨氮的去除效果最为显著,菲律宾蛤仔区的氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度随养殖时间增加呈逐渐下降趋势。(2)菲律宾蛤仔对池塘沉积物/水界面反硝化和厌氧氨氧化反应速率的影响2020年构建了菲律宾蛤仔生态净化池塘,贝类养殖区(有贝区)全部放养菲律宾蛤仔,无贝区不放养任何贝类作为对照,研究了生态净化池塘不同时期沉积物/水界面的主要氮循环反应速率变化。于9、10、11、12月分别采集有贝区和无贝区沉积物样品并进行泥浆培养试验,利用氮稳定同位素示踪技术检测反硝化、厌氧氨氧化反应速率。结果显示:菲律宾蛤仔生态净化池塘有贝区10月和11月检测到厌氧氨氧化反应,并存在反硝化-厌氧氨氧化耦合反应;有贝区的四个月份沉积物反硝化反应速率均高于无贝区,有贝区9月的反硝化反应速率最高,达0.005833μmol·kg-1·h-1;温度与反硝化反应具有显著正相关(p<0.01),NH4+与厌氧氨氧化反应具有显著正相关(p<0.01)。(3)贝类影响细菌群落结构和氮循环的中型模拟试验研究2020年构建了滩涂贝类养殖中型模拟试验系统(mesocosm),系统地分析了贝类不同品种及不同养殖密度对池塘沉积物微生物群落组成和氮循环过程的影响。采用高通量测序技术分析不同贝类对沉积物微生物群落结构的影响,结果显示:硬壳蛤组、缢蛏组、菲律宾蛤仔组的优势菌属是Halomonas属、Paenisporosarcina属、Halomonas属,其中Halomonas属是反硝化细菌;缢蛏组nif H基因丰度在第28天显著高于对照组、菲律宾蛤仔组和硬壳蛤组(p<0.05);菲律宾蛤仔组nos Z基因丰度在第14天显著高于对照组(p<0.05);菲律宾蛤仔组AOB基因丰度在第7天显著高于对照组、缢蛏组(p<0.05)。进一步设置菲律宾蛤仔(4.5±0.9g)不同养殖密度(低密度62.5粒/m~2、中密度125粒/m~2、高密度250粒/m~2)的试验结果显示:菲律宾蛤仔各密度组的优势菌属均为Gramella属,在细菌群落结构的组成中Halomonas属、Salinimicrobium属占比较高,属于反硝化细菌;各试验组nif H基因丰度在第28天高于对照组(p<0.05),中密度组nos Z基因丰度除第14天外均高于对照组(p<0.05),中密度组nos Z基因丰度在第21天时显著高于低密度组(p<0.05)。本研究发现,在滩涂贝类生态净化池塘中放养菲律宾蛤仔、硬壳蛤和缢蛏等3种埋栖型贝类能够显著影响池塘沉积物的微生物群落组成,有利于沉积物/水界面发生反硝化和厌氧氨氧化反应,有效促进池塘沉积物的脱氮过程。本研究结果不仅丰富了水生态系统氮循环理论,也为我国目前大力开展的海水养殖尾水生物净化研究和实践工作提供了新思路。
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