張 哲,高月香,張毅敏,*,陳玲玲,郭艷敏,朱月明,于江華

鲴鰱鳙混養(yǎng)系統(tǒng)中微生物對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響

張 哲1,高月香1,張毅敏1,2*,陳玲玲1,郭艷敏1,朱月明1,于江華2

(1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所,江蘇 南京 210000；2.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211800)

通過實驗室模擬富營養(yǎng)化水體進行鰱()鳙()鲴()混養(yǎng),結(jié)合同位素標記與微生物檢測,研究其中沉積物微生物群落的變化及其對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響,揭示鰱鳙鲴混養(yǎng)作用機制.結(jié)果表明,鰱鳙鲴混養(yǎng)增加了沉積物中氨化細菌(芽孢桿菌屬與假單胞菌屬)的數(shù)量,實驗結(jié)束時,與其它組相比,鰱鳙鲴組的芽孢桿菌屬()與假單胞菌屬()總占比最高,為31.2%,這增強了氨化作用,減少了沉積物中有機氮的含量,使得鰱鳙鲴組的15N (底質(zhì)沉積物)在實驗結(jié)束時降至726.8‰.鰱鳙鲴混養(yǎng)提高了沉積物中反硝化菌屬(動膠菌屬與芽胞桿菌屬)的數(shù)量,實驗結(jié)束,鰱鳙鲴組動膠菌屬()與芽胞桿菌屬()占比顯著高于鰱鳙組(<0.05),達到8.17%、33.7%,使得系統(tǒng)中反硝化反應(yīng)加強,使水體中更多的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮并移出水體,實驗結(jié)束時,與其它組相比,鰱鳙鲴組15N(硝酸鹽氮)降低至96.3‰,15N總含量也降低至6.94μmol.

鰱鳙鲴；混養(yǎng)；穩(wěn)定同位素技術(shù)；氮素；微生物群落

1996年,Xie[1]提出了“非經(jīng)典生物操縱理論”,即通過濾食性魚類鰱()、鳙魚()攝食控制藍藻數(shù)量[1],之后被廣泛應(yīng)用.但鰱魚的大量排泄會增加水體氮素水平,影響水質(zhì)[2],所以鰱鳙魚控藻引起氮素升高也成為了其應(yīng)用的限制.微生物群落通過氮礦化、硝化與反硝化作用等方式影響水中氮素的遷移轉(zhuǎn)化[3],并且一般是在沉積物-水界面進行的[4].陳玲玲等[5]采用了鰱鳙魚與一種底層雜食性魚類細鱗斜頜鲴()[6-7]混養(yǎng),利用鲴魚習(xí)慣攝食沉到水體底部的有機碎屑和腐殖質(zhì)及魚類糞便[8]的特性,對其在食物鏈起到的作用進行研究,卻忽略了鲴魚攝食時對沉積物的生物擾動,能夠?qū)Τ练e物-水界面中微生物群落產(chǎn)生影響,并影響系統(tǒng)氮素循環(huán)[9].因此,有必要研究鰱鳙鲴混養(yǎng)的沉積物微生物變化及其對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響.

穩(wěn)定同位素技術(shù)因其能夠穩(wěn)定示蹤,通常被用作污染物的追蹤手段[10].王銀平等[11]通過對魚類喂食15N標記的微囊藻干粉顆粒,進行系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化的研究.不僅能夠顯示出系統(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化路徑,還能夠直觀地得到氮素在系統(tǒng)中水相、生物相、沉積物相含量變化.

本文采用室外模擬實驗,在模擬水體中混養(yǎng)不同組合的鰱鳙鲴魚,通過喂食15N標記的微囊藻進行同位素標記并定期檢測系統(tǒng)各相同位素比值和沉積物微生物樣本,研究鰱鳙鲴混養(yǎng)系統(tǒng)中微生物群落的變化和各相中15N的變化,旨在了解鰱鳙鲴混養(yǎng)系統(tǒng)中微生物群落的變化以及其對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響,為進一步利用鰱鳙鲴混養(yǎng)生物操縱技術(shù)控制富營養(yǎng)化水體提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 材料

實驗鰱魚()體重: (65.34±2.25)g;體長:(16.54±0.78)cm,鳙魚()體重:(45.48±3.75)g;體長:(12.24± 0.69)cm,由蕪湖紅鑫生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司提供.實驗鲴魚為細鱗斜頜鲴(),體重:(14.45±4.43) g;體長:(13.25±0.63)m (以下簡稱鲴魚),從湖南醴陵市國家鲴魚良種場引種.實驗用水取自富營養(yǎng)化池塘水,并利用200目浮游生物采集網(wǎng)去除浮游生物影響.

15N標記微囊藻顆粒的制備:用1g/L的15NH4Cl (98atom%15N)的溶液培養(yǎng)銅綠微囊藻2周后,冷凍干燥并制成顆粒,平均投放入各桶中,各組平均投放15N含量為13.84μmol.

1.2 實驗設(shè)計

實驗系統(tǒng)由1m3實驗用桶、實驗用水和模擬底質(zhì)組成,布置在室外空地.將清洗后的河沙平鋪在桶底作為模擬底質(zhì),并將實驗用水注入850L后靜置2周.實驗設(shè)置3組,每組3個重復(fù),對照組(1#～3#桶)不投放魚;鰱鳙組(4#～6#桶)投放10尾鰱魚、6尾鳙魚;鰱鳙鲴組(7#～9#桶)投放10尾鰱魚、6尾鳙魚與15尾鲴魚.實驗進行30d,并24h曝氣處理.實驗開始前,挑選健康活潑,體型相似的魚類,進行24h饑餓處理.

實驗開始前,將15N標記顆粒用紗布包裹投入桶中,實驗期間魚類生命體征良好.并在試驗開始前1d和第1, 5, 10, 15, 20, 25, 30d采集浮游藻類(過濾水樣收集)、底部沉積物(利用沉積碎屑捕獲器收集)、水樣,同步進行穩(wěn)定同位素比值測定;于實驗開始前1d和第1, 5, 10, 15, 20, 30d分別取鰱鳙組鰱、鳙和鰱鳙鲴組鰱、鳙、鲴進行檢測,同位素比值單位為‰;并在第15,30d分別取樣進行水體沉積物微生物檢測,對照組為D1(D1.1,D1.2,D1.3)與D2(D2.1,D2.2, D2.3);鰱鳙組為L1(L1.1,L1.2,L1.3)與L2(L2.1,L2.2, L2.3);鲴鰱鳙組為G1(G1.1,G1.2,G1.3)與G2(G2.1, G2.2,G2.3),共18個樣品.

1.3 指標測試與分析方法

微生物檢測采用Hiseq2500平臺進行16SrRNA 基因高通量測序.

15N同位素比值測定:測量氨氮同位素的樣品采用Lehmann等[12]方法進行預(yù)處理,測量氨氮同位素的樣品采用改進的Holmes法進行預(yù)處理[13],浮游藻類、魚體及底質(zhì)沉積物采集后冷凍干燥,之后全部送入元素分析儀-同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)機(FLASH 2000- Thermo Fisher DELTA V advantage,測定精度15N￡±0.1‰)中測定同位素,并通過公式[14]計算.

引入來表示樣品中同位素比值的變化,單位單位為‰.計算公式為

式中:樣品為樣品中15N與14N豐度之比;標準為標準物的15N與14N豐度之比,本文采用大氣氮標準.

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS.2020和Origin2018軟件處理并采用單因素方差分析,運用CANOCO 5及QIIME軟件進行微生物數(shù)據(jù)相關(guān)處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物群落分析

第15, 30d的水體沉積物18個樣品共產(chǎn)生1449個OUT,為了其數(shù)據(jù)處理的合理性,對每個樣品進行了隨機抽平處理.

2.1.1 物種多樣性分析 由圖1可知,對照組、鰱鱅組和鲴鰱鱅組各組的樣品覆蓋度均達到0.99,接近1.實驗第15, 30d,Chao指數(shù)均顯示為對照組<鲴鰱鳙組<鰱鳙組,且有魚組第15d指數(shù)大于第30d.實驗期間,對照組的Shannon指數(shù)并無太大變化,而有魚組第30d較第15d檢測的樣品有了明顯降低,并表現(xiàn)為鲴鰱鳙組<鰱鳙組.

從下到上5條線分別代表最小值,第1個四分位數(shù),中位數(shù),第3個四分位和最大值

D1:對照組第15d; D2:對照組第30d; L1:鰱鳙組第15d; L2:鰱鳙組第30d; G1:鰱鳙鲴組第15d; G2:鰱鳙鲴組第30d,下同

2.1.2 物種差異性分析 應(yīng)用QIIME軟件并通過迭代算法計算,在不考慮物種豐度的情況下進行計算,得到結(jié)果并繪制樣品差異性矩陣熱圖與PCoA分析圖.

由圖2可知,與有魚組相比,對照組實驗期間物種差異性變化較小,有魚組差異性較大,且鰱鳙組高于鲴鰱鳙組,實驗第15d時,對照組平行樣品間的差異性明顯大于有魚組,有魚組中鲴鰱鳙組差異性最小;實驗第30d時,鰱鳙組平行樣品間差異性較大,對照組和鲴鰱鳙組相對較小,由圖2中的樣品差異性矩陣熱圖可知,實驗期間不同系統(tǒng)間表現(xiàn)為有魚組彼此間差異性小于與對照組間的差異性.

2.1.3 群落組成組成及相對豐度分析 選出代表序列,與已知16S數(shù)據(jù)庫進行比對后進行物種分類,繪制profiling柱狀圖.

由圖3a可知,在門水平上,實驗前期,對照組、鰱鳙組和鲴鰱鳙組變形菌門(Proteobacteria)占比最大,除此之外,浮霉菌門(Planctomycetes)和厚壁菌門(Firmicutes)相對占比也較高.隨著實驗的進行,3組微生物物種在樣品中相對百分比有所變化,主要表現(xiàn)為有魚組中厚壁菌門占比升高,浮霉菌門占比下降,對照組物種在門水平上變化不大,實驗結(jié)束時,鰱鳙組和鲴鰱鳙組厚壁菌門占比由7.90%、9.48%升高至24.30%、36.53%,而浮霉菌門由15.33%、13.44%降低至 6.13%、1.76%,而且鲴鰱鳙組變化幅度高于鰱鳙組.變形菌門變化不大,仍為優(yōu)勢菌門.

由圖3(b)可知,在綱水平上分析,實驗期間對照組變化并不明顯,而有魚組β-變形菌占比有小幅上升,同時α-變形菌綱占比小幅下降.有魚組中芽孢桿菌綱占比升高,浮霉菌綱占比下降,且鲴鰱鳙組變化幅度大于鰱鳙組,實驗第30d時,兩組芽孢桿菌綱占比分別為24.18%和34.41%,上升幅度分別是17.46和25.52個百分點,而浮霉菌綱占比分別是4.59%和 1.64%,下降了7.24 和 8.45個百分點,同時鲴鰱鳙組中芽孢桿菌綱成為優(yōu)勢菌綱.

由圖3(c)可知,在屬水平上,實驗前期,對照組、鰱鳙組和鲴鰱鳙組均以假單胞菌屬()占比最高,有魚組中浮霉狀菌屬()占比僅次于假單胞菌.實驗后期,鰱鳙組硝化螺菌屬()有所上升至8.36%,假單胞菌屬占比下降.鰱鳙鲴組中假單胞菌屬基本保持不變,但動膠菌屬()占比明顯上升至8.17%.除此之外,鰱鳙組和鲴鰱鳙組中芽胞桿菌屬()占比明顯上升,分別達到22.6%和33.7%,并且鰱鳙鲴組的芽孢桿菌屬(Bacillus)與假單胞菌屬(Pseudomonas)總占比各組最高,為31.2%.

圖2 樣品差異性矩陣熱圖與PCoA分析

2.2 氮素在各相中的變化

2.2.1 水相變化(15N(氨氮),15N(硝酸鹽氮)) 由圖4可知,實驗開始后有魚組15N(氨氮),15N(硝酸鹽氮)開始上升,15N(氨氮)在10d達到最大值,鰱鳙組與鰱鳙鲴組分別為688.3‰、586.7‰,之后開始下降,最終鰱鳙組>鰱鳙鲴組;而對于15N(硝酸鹽氮)鰱鳙鲴組在20d達到最大值后下降至96.3%,鰱鳙組則一直保持上升,實驗結(jié)束時,鰱鳙組>鰱鳙鲴組.對照組15N(氨氮),15N(硝酸鹽氮)一直小幅上升并低于有魚組.

圖4 各組水相中δ15N的變化

2.2.2 生物相變化(15N(浮游藻類),15N(魚體)) 由圖5(a)可知,實驗開始后有魚組15N(浮游藻類)開始上升,在第5d來到最大值后開始下降,鰱鳙組在第10d開始停止下降并趨于穩(wěn)定,而鰱鳙鲴組持續(xù)緩慢下降,最終鰱鳙組>鰱鳙鲴組(<0.01);而對照組在前期大幅增長至15d達到最大值933.3‰,之后緩慢下降至實驗結(jié)束,但仍顯著高于實驗組(<0.01).

由圖5(b)可知,鳙魚的15N(魚類)變化基本一致,在前期短暫升高后,在后期略有下降并趨于平緩,而鲴魚在實驗期間不斷上升,最終遠高于兩組鰱鳙魚體內(nèi)15N含量(<0.01).

圖5 各組生物相中δ15N的變化

圖6 各組沉積物相中δ15N的變化

2.2.3 沉積物相變化(15N(底質(zhì)沉積物)) 由圖6可知,實驗初期,鰱鳙組和鰱鳙鲴組的15N(底質(zhì)沉積物)持續(xù)增長,10d時,鰱鳙組最大值865.4‰,隨后鰱鳙鲴組在15d也達到了最大值868.8‰,之后,雖然兩組值都有所下降,鰱鳙鲴組15N(底質(zhì)沉積物)在30d時,降至726.8‰,而鰱鳙組下降更加明顯并在30d時,鰱鳙組15N(底質(zhì)沉積物)極顯著小于鰱鳙鲴組(<0.01).對照組在前期同樣快速增長并在第20d達到峰值1356.8‰,并在實驗后期仍維持在較高水平,并極顯著高于有魚組數(shù)值(<0.01).

2.3 系統(tǒng)中15N的儲存量變化

選取第1,15,30d的數(shù)據(jù)進行15N含量變化的分析.由表1可知,實驗前期各組的沉積物腐殖質(zhì)中15N儲存量均為最高,對照組不斷增多,有魚組在15d達到最大值后,在30d有所下降,與15N-NH4+含量變化一致,而有魚組15N-NH4+含量不斷增加,可能是微生物活動造成的.除此之外,各組15N總量占比在15d達到最大值后,在30d有所下降,對照組達到投放量的70.76%,而鰱鳙組,鰱鳙鲴組僅能達到54.93%與50.21%,這說明系統(tǒng)中15N的含量與投放的15N含量收支間存在差距,相當部分15N已離開實驗系統(tǒng),微生物的活動是影響氮素移出水體的重要因素,進一步說明了微生物與系統(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化之間聯(lián)系密切.

表1 各實驗組不同相中15N含量與占比

注:不同字母表示差異顯著(<0.05).

2.4 不同細菌群落與水中的15N含量關(guān)系

為探究微生物對水體中氮素變化的影響,應(yīng)用CANOCO 5軟件,對微生物中相對豐度較高的菌數(shù)進行DCA判斷,選擇RDA模型對其與水體中的15N(氨氮),15N(硝酸鹽氮)進行冗余分析(RDA)[15].

如圖7所示,在分析結(jié)果中,兩因子射線之間夾角小于90°時,為正相關(guān),距離越近,相關(guān)性越高,之間夾角大于90°時,則成負相關(guān).對照組與鰱鳙組后期突然增長的偶氮氫菌屬()與15N(氨氮),15N(硝酸鹽氮)密切相關(guān);鰱鳙組中的硝化螺菌屬()與15N(硝酸鹽氮)密切相關(guān),但在鰱鳙鲴組中動膠菌屬()與芽胞桿菌屬()與15N(硝酸鹽氮)、15N(氨氮)呈負相關(guān)關(guān)系.

3 討論

3.1 微生物群落分析

物種多樣性分析與差異性分析有魚組的沉積物微生物群落與對照組相比具有很大差異.而研究[16]表明養(yǎng)殖團頭魴會通過排放糞便提供大量有機質(zhì),從而導(dǎo)致水體沉積物中微生物多樣性增加,養(yǎng)殖鰱鳙鲴魚也可以產(chǎn)生同樣影響.而鰱鳙鲴組微生物多樣性卻低于鰱鳙組,可能是鲴魚這種刮食性魚類造成的,D?rte等[17]研究表明,刮食性動物會對沉積物中的細菌進行攝食.但這也表明了,雖然混養(yǎng)魚類會提高沉積物中微生物的多樣性,但由于鲴魚的攝食,鰱鳙混養(yǎng)要比鰱鳙鲴混養(yǎng)時沉積物中微生物多樣性更好.但在之后鰱鳙鲴組微生物群落中,動膠菌屬()、假單胞菌屬()與芽胞桿菌屬()占比顯著高于鰱鳙組對應(yīng)菌屬,這是因為鲴魚等刮食類動物雖然可以攝食微生物,但據(jù)研究[18-19]表明這只是造成了生長繁殖緩慢的硝化類細菌的減少,而具有高生長率并且在魚類腸道內(nèi)高存活率的反硝化細菌并未受到太大影響.由此可見,混養(yǎng)鲴魚會降低沉積物微生物群落的多樣性但會提高反硝化菌屬等的占比.

3.2 系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化

通過對系統(tǒng)中各相15N含量的測量,可以清晰地看到氮素在系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化是一種以食物鏈為主體的物質(zhì)循環(huán)過程,被標記的微囊藻顆粒進入水體后,一部分被鰱鳙魚攝食后,以糞便的形式沉入水底,一部分以藻類碎屑的形式直接沉入水底,導(dǎo)致了15N(底質(zhì)沉積物)前期的增長;隨后通過微生物作用釋放產(chǎn)生15N-NH4+和15N-NO3-,進入水體后引起了15N(氨氮)和15N(硝酸鹽氮)前期大幅增長;水中的浮游藻類吸收了進入的氮素,導(dǎo)致15N(浮游藻類)的增大,這與flynn等[20]的研究結(jié)果一致.浮游藻類不論是自身的衰亡還是被鰱鳙魚攝食,都會重新沉入底部,同時魚類攝食同化也使15N進入魚體.這就是系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程.對于鰱鳙鲴組,鲴魚會在底部攝食鰱鳙魚糞便等碎屑[21]并排放糞便;而對照組由于缺少魚類形成的食物鏈,只能通過自然沉降使被標記的微囊藻碎屑進入沉積物中,再進行遷移轉(zhuǎn)化,而各相氮素變化也與陳少蓮等[22]的研究結(jié)果相符合.但是氮素總量在遷移轉(zhuǎn)化過程中是有所變化的,在15N的收支平衡分析中,系統(tǒng)中的氮素在不斷減少,這是因為沉積物中存在微生物,這些微生物會通過硝化-反硝化反應(yīng)將水體中的氮素轉(zhuǎn)化為氣態(tài)并移出水體,所以分析微生物在氮素遷移轉(zhuǎn)化過程中的作用成為研究重點.

3.3 沉積物中微生物對氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響

3.3.1 微生物對沉積物相中15N的影響 從圖6可以看出,對比對照組的15N(底質(zhì)沉積物),有魚組的15N(底質(zhì)沉積物)在后期有了下降趨勢并且水平較低,而圖3c微生物群落分析中,鰱鳙組與鰱鳙鲴組的沉積物中芽孢桿菌屬與假單胞菌屬占比總和在后期卻有所升高,達到28.6%與41.62%,較第15d相應(yīng)提高了約2.8倍與4倍.

有研究表明[23],在標記物碎屑沉積到水體底部后,會立即釋放大量的溶解性有機氮,這些有機氮75%以上為蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì),而更容易被微生物吸收利用的氨基酸、核苷酸等小分子物質(zhì)只有不到5%[24].從高分子物質(zhì)到小分子物質(zhì),需要許多酶的共同分工作用,氨化細菌分泌的蛋白質(zhì)水解酶等可能是其中的關(guān)鍵酶[25],它能將蛋白質(zhì)等高分子物質(zhì)分解為氨基酸等小分子物質(zhì).Bach等[26]發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬中的熒光假單胞菌、噬細胞菌屬都可以分泌金屬蛋白酶,除此之外,Watanabe等[27]也提出芽孢桿菌屬尤其是蠟狀芽孢桿菌分泌的肽酶是多肽降解的主要酶種.而當15N標記的高分子含氮物質(zhì)降解為小分子時,它會被微生物吸收并通過轉(zhuǎn)氨基-解聚-脫氨基作用轉(zhuǎn)化成銨離子(15N-NH4+)排出體外[28].鰱鳙鲴組沉積物中的假單胞菌屬與芽孢桿菌屬就是通過這種方式減少了底部沉積物中15N的含量,不僅如此,考慮到鲴魚的攝食活動[24]會導(dǎo)致部分含氮沉積物進入沉積物相深處,造成內(nèi)源氮素的累積,鰱鳙鲴組沉積物中的氮素仍能有所下降,這也說明了鰱鳙鲴組沉積物中增多的氨化細菌避免了混養(yǎng)鲴魚造成內(nèi)源氮素的累積,同時促使沉積物向水中加快釋放氮素,促進了氮素的遷移轉(zhuǎn)化.

3.3.2 微生物對水相中15N的影響 水中參與氮素遷移轉(zhuǎn)化過程的15N主要是由15N-NH4+和15N- NO3-形式組成.而沉積物中微生物致使系統(tǒng)氮素無法平衡,正是沉積物中的微生物群落對水中15N- NH4+和15N-NO3-產(chǎn)生影響,使部分15N以氣態(tài)的形式移出水體.通過占比較大的硝化與反硝化菌屬與15N(氨氮)、15N(硝酸鹽氮)變化的冗余分析來具體探究導(dǎo)致這種情況的原因.

微生物群落對15N(氨氮)、15N(硝酸鹽氮)的影響主要通過硝化、反硝化反應(yīng)進行.硝化反應(yīng)主要是通過沉積物中的硝化細菌將沉積物中產(chǎn)生的15N-NH4+氧化為15N-NO3-,硝化反應(yīng)一般發(fā)生在沉積物的上表層[29],是一種普遍的微生物反應(yīng),這也導(dǎo)致了各實驗組前期15N(硝酸鹽氮)的不斷上升.圖7b顯示的鰱鳙組后期占比增加的硝化螺菌屬(),與NO3-具有明顯的相關(guān)性,鰱鳙組后期15N(硝酸鹽氮)不斷增大,是因為它可以通過硝化反應(yīng)生成硝酸鹽[30-31],使底部釋放的15N-NH4+轉(zhuǎn)化為15N-NO3-,從而促進了氮素在系統(tǒng)中的循環(huán).

反硝化作用一般發(fā)生在富含硝酸鹽氮的區(qū)域,也即沉積物表層2～5cm[32].與硝化反應(yīng)不同,反硝化反應(yīng)是將硝酸鹽直接轉(zhuǎn)化為N2等含氮氣體,直接作用于水體中硝酸鹽氮[33].通過對鰱鳙鲴組的冗余分析(圖7),發(fā)現(xiàn)后期占比增加的動膠菌屬()與15N(硝酸鹽氮)明顯負相關(guān),高春娣等[34]研究發(fā)現(xiàn),動膠菌屬形成的菌膠團不僅減少水中懸浮物、COD,而且動膠菌屬好氧與化能異養(yǎng)的特性,能夠使其在厭氧條件下,在電子傳遞反應(yīng)中,分泌硝酸還原酶將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽.除此之外,在實驗后期占比較大的假單胞菌屬()其中一些菌種,也被發(fā)現(xiàn)具有反硝化特性,并且還被發(fā)現(xiàn)可以在好氧條件下,分泌各種還原酶,使硝酸鹽轉(zhuǎn)化為N2O的好氧反硝化反應(yīng)[35].由此可知,鰱鳙鲴組實驗后期15N(硝酸鹽氮)呈現(xiàn)的下降趨勢,是沉積物中的動膠菌屬與假單胞菌屬等反硝化細菌增多,導(dǎo)致好氧、厭氧反硝化反應(yīng)加強的結(jié)果.除了直接影響15N(硝酸鹽氮)的微生物之外,也有對15N(氨氮)產(chǎn)生影響的,在圖7冗余分析中,芽孢桿菌屬()與15N(氨氮)呈明顯負相關(guān),而芽孢桿菌屬是厚壁菌門中具有良好凈化能力的菌屬,好氧兼性厭氧的特性使其能夠利用有機碳源生長,并將水中含氮化合物轉(zhuǎn)化為硝酸鹽、亞硝酸鹽等,并同時進行好氧反硝化,直接將其異養(yǎng)硝化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為含氮氣體[36],蒙海林等[37]在養(yǎng)殖池塘中發(fā)現(xiàn)了能夠去除氨氮的芽孢桿菌屬菌株,這也再次證明,芽孢桿菌屬能有效降低鰱鳙鲴組水中的15N-NH4+,造成實驗后期鰱鳙鲴組15N(氨氮)持續(xù)下降.由此可知,實驗后期,鰱鳙鲴組的微生物群落通過增強反硝化反應(yīng),將水中15N-NO3-轉(zhuǎn)化為含氮氣體移出水體,導(dǎo)致遷移和轉(zhuǎn)化過程中氮素的不平衡.

一直以來,能夠?qū)Τ练e物造成擾動的生物被廣泛研究,它們被認為能夠加速碎屑中的氮素在水-泥兩相中循環(huán),加快氮的遷移轉(zhuǎn)化[38-39].Stief等[40]研究發(fā)現(xiàn)大型底棲水生生物通過擾動使底部好氧-厭氧界面增多,使水中的有機質(zhì)與營養(yǎng)鹽進入底部界面中,促進微生物耦合的硝化反硝化過程,使氮素轉(zhuǎn)移出水體[41].鲴魚的生物擾動也具有相同的效果,除此之外,在對沉積物微生物群落進行研究后,發(fā)現(xiàn)鲴魚還可以通過攝食、排泄等行為提高反硝化菌屬的占比.

由上述分析可知,鲴魚通過其攝食與排泄行為,增加了氨化細菌(假單胞菌屬、芽孢桿菌屬)的數(shù)量,增強了氨化作用,加快底質(zhì)沉積物中氮素的釋放;使生長繁殖緩慢的硝化類細菌減少,而具有高生長率并且在魚類腸道內(nèi)高存活率的反硝化細菌并未受到太大影響,造成了反硝化細菌(動膠菌屬、芽孢桿菌屬等)占比增加,增強了硝化-反硝化反應(yīng),使更多的氮轉(zhuǎn)移出水體.

4 結(jié)論

4.1 鰱鳙鲴混養(yǎng)增加了沉積物中氨化細菌(芽孢桿菌屬與假單胞菌屬)的數(shù)量,實驗結(jié)束時,與其它組相比,鰱鳙鲴組的芽孢桿菌屬()與假單胞菌屬()總占比最高,為31.2%,這增強了氨化作用,減少了沉積物中有機氮的含量,使得鰱鳙鲴組的15N(底質(zhì)沉積物)在實驗結(jié)束時降至726.8‰,從而加快了系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化.

4.2 鰱鳙鲴混養(yǎng)提高了沉積物中反硝化菌屬(動膠菌屬與芽胞桿菌屬)的數(shù)量,實驗結(jié)束,鰱鳙鲴組動膠菌屬()與芽胞桿菌屬()占比顯著高于鰱鳙組(<0.05),達到8.17%、33.7%,使得系統(tǒng)中反硝化反應(yīng)加強,使水體中更多的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮并轉(zhuǎn)移出水體,實驗結(jié)束時,與其它組相比,鰱鳙鲴組15N(硝酸鹽氮)降低至96.3‰,15N總含量也降低至6.94μmol,加快了系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化,并減少水中的氮素含量.

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The effects of microorganisms on the migration and transformation of nitrogen in the polyculture system of,and.

ZHANG Zhe1, GAO Yue-xiang1, ZHANG Yi-min1,2*, CHENG Ling-ling1, GUO Yan-min1, ZHU Yue-ming1, YU Jiang-hua2

(1.Nanjing Institute of Environmental Sciences,Ministry of Ecology and Environment,Nanjing 210000, China；2.School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Engineering, Nanjing 211800, China)., 2022,42(2)：897～906

The polyculture system of(Xenocypris microlepis),(Silver carp) and(bighead carp) was set up in simulated eutrophic water. The dynamics of microbial communities and their effects on the migration and transformation of nitrogen in the sediments were investigated by applying isotopic labeling and microbial analysis to reveal the underlying mechanism of the polyculture system. The results showed that:The polyculture of Xenocypris microlepis, silver carp and bighead carp couldincrease the proportion ofandinvolved in the ammonification process in the sediments. Comparing with the silver carp and bighead carp group, the total proportion ofandin the polyculture group was the highest (31.2%) at the end of experiment, showing that it enhanced ammonification process and thus, reduced the content of organic nitrogen in the sediments.Consequently, the15N(substrate sediment)of the polyculture group decreased to 726.8‰. The polyculture of Xenocypris microlepis, silver carp and bighead carp couldincrease the proportion of denitrifying bacteria (and) in the sediments. The proportion ofandin the polyculture group was significantly higher than that in the silver carp and bighead carp group (<0.05), reaching 8.17% and 33.7%, respectively. Therefore, the denitrification process was enhanced in the system, converting more nitrate into nitrogen gas in the water and finally releasing this gas from this water. At the end of the experiment, in the polyculture group, the15N(nitrate nitrogen)decreased to 96.3‰ and the total content of15N decreased to 6.94μmol.

,and；polyculture；stable isotope technique；nitrogen；microbial community

X524

A

1000-6923(2022)02-0897-11

張 哲(1996-),男,山東德州人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要從事水環(huán)境治理和流域生態(tài)保護研究.發(fā)表論文2篇.

2021-05-12

國家水體污染控制與治理重大專項(2017ZX07202006);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(GYZX200204)

* 責任作者, 研究員, zym7127@163.com