解維俊, 趙玉庭, 劉元進(jìn), 胡順鑫, 姜海濱, 韓慧宗, 王騰騰, 王 斐, 李兆龍, 張明亮

大欽島不同養(yǎng)殖年限深水網(wǎng)箱沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)分析

解維俊1, 2, 趙玉庭2, 劉元進(jìn)2, 胡順鑫2, 姜海濱2, 韓慧宗2, 王騰騰2, 王 斐2, 李兆龍1, 2, 張明亮2

(1. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306; 2. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院, 山東 煙臺(tái) 264006)

為研究深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖年限對(duì)沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)的影響, 分別對(duì)大欽島海域養(yǎng)殖3、8、13、18 a網(wǎng)箱以及非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)表層沉積物(0～2 cm)進(jìn)行16S rDNA高通量測(cè)序。結(jié)果顯示, 長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖(13、18 a)區(qū)域沉積物菌群的豐富度和多樣性均顯著高于短期網(wǎng)箱養(yǎng)殖(3、8a)區(qū)域(<0.05)。隨著養(yǎng)殖年限的增加, 網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌門變化顯著(<0.05), 短期網(wǎng)箱養(yǎng)殖(3、8 a)和非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)沉積物主要優(yōu)勢(shì)菌門為擬桿菌門(Bacteroidota), 變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes), 長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖(13、18 a)沉積物主要優(yōu)勢(shì)菌門為擬桿菌門, 變形菌門、脫硫菌門(Desulfobacterota)。影響網(wǎng)箱養(yǎng)殖沉積物菌群結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)環(huán)境因子為Hg、Cd、有機(jī)碳以及石油類。冰鮮野雜魚的投喂可能是大欽島長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)環(huán)境惡化的重要因素之一, 應(yīng)推廣綠色環(huán)保型配合飼料的使用, 并采用微生物(以厭氧不產(chǎn)氧光合細(xì)菌為主的微生態(tài)制劑)、大型生物(刺參及大型藻類)相結(jié)合的協(xié)同治理手段進(jìn)行污染沉積物修復(fù), 推進(jìn)深水網(wǎng)箱的健康養(yǎng)殖和可持續(xù)發(fā)展。

深水網(wǎng)箱; 養(yǎng)殖年限; 沉積物; 微生物群落

淺海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是近海生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素之一[1]。殘餌、糞便等有機(jī)物質(zhì)在海底的沉降和堆積會(huì)導(dǎo)致底棲環(huán)境呈缺氧或無氧狀態(tài), 從而顯著改變底棲微生物群落結(jié)構(gòu)[2]。隨著底棲環(huán)境進(jìn)一步的惡化, 硫酸鹽還原菌將成為優(yōu)勢(shì)類群, 致使硫化物和非離子態(tài)的硫化氫大量富集, 極易產(chǎn)生毒害作用[3]。為了減輕網(wǎng)箱養(yǎng)殖帶來的生態(tài)危害, 中國(guó)近幾年大力發(fā)展深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖[4-5], 將養(yǎng)殖網(wǎng)箱從水深10 m以內(nèi)的淺海搬到水深20 m以上的深水區(qū)域。但深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖是否有利于海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù), 仍缺乏系統(tǒng)研究。盡管已有大量研究關(guān)注深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)底棲環(huán)境、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響, 如網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)可能會(huì)增加沉積物中總氮、總磷、有機(jī)碳和硫化物的含量[6]以及提高沉積物菌群的豐富度和多樣性[7], 并且對(duì)大型底棲生物的分布[8]存在明顯影響, 但中國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖開展較晚, 缺乏對(duì)長(zhǎng)期養(yǎng)殖環(huán)境效果的研究。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據(jù)養(yǎng)殖起始年份將大欽島網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)劃分為不同的采樣區(qū)域3、8、13、18 a以及非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)5個(gè)區(qū)域(表1), 采樣網(wǎng)箱自投放入海以來均以許氏平鲉幼苗(6 cm左右)為養(yǎng)殖對(duì)象, 餌料以冰鮮野雜魚為主, 于2021年6月進(jìn)行了調(diào)查取樣(圖1)。使用彼得森采泥器采集樣點(diǎn)的表層沉積物(0～2 cm), 每個(gè)采樣區(qū)域選取3個(gè)網(wǎng)箱表層沉積物作為平行樣品, 每個(gè)平行樣品由5點(diǎn)法采集混合而成, 將樣品放在無菌聚乙烯自封袋中, 置于便攜式冰箱帶回實(shí)驗(yàn)室分析。樣品分為2部分, 一部分存放在5 mL凍存管中置于–80 ℃冰箱用于微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析, 另一部分自然風(fēng)干后研磨存儲(chǔ)于4 ℃冰箱中用于理化性質(zhì)測(cè)定。

表1 大欽島網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)各采樣點(diǎn)詳細(xì)情況

圖1 大欽島網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)各采樣位點(diǎn)分布

1.2 沉積物理化指標(biāo)分析方法

測(cè)定了硫化物、有機(jī)碳、Cu、Zn、Cr、Hg、Cd、Pb、As及石油類等指標(biāo)。硫化物測(cè)定用亞甲基藍(lán)分光光度法(GB17378.5—2007), 有機(jī)碳測(cè)定用重鉻酸鉀氧化-還原容量法(GB17378.5—2007), Cu、Zn、Cr、Cd、Pb及As測(cè)定用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(HY/T147.2—2013), Hg測(cè)定用電子熒光法(GB17378.5—2007), 石油類測(cè)定用紫外分光光度法(GB17378.5—2007)。

1.3 高通量測(cè)序

將裝有沉積物樣品的5 mL凍存管送至上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司, 進(jìn)行PCR擴(kuò)增和高通量測(cè)序。土壤基因組由Magen核酸提取試劑盒(MagPure Soil DNA KF Kit)提取, 利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)其純度和完整度。針對(duì)V3-V4區(qū)域設(shè)計(jì)特異引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增, 前端引物為343F-5′- TACGGRAGGCAGCAG-3′, 后端引物為798R-5′- AGGGTATCTAATCCT-3′, 將樣品的PCR產(chǎn)物在Illumina Miseq平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.4 數(shù)據(jù)分析

將測(cè)序得到的原始FASTQ文件用Trimmo-matic[10]軟件過濾去除質(zhì)量低或模糊的堿基以及長(zhǎng)度小于50 bp的序列, 得到的雙端數(shù)據(jù)使用FLASH[11]軟件進(jìn)行拼接, 同時(shí)過濾去除Barcode和引物序列以及長(zhǎng)度小于200 bp的序列, 得到clean tags序列。最后用UCHIME[12]軟件去除嵌合體序列, 得到可用于后續(xù)劃分OTU的有效序列Valid tags。用VSEARCH[13]軟件將優(yōu)質(zhì)序列Valid tags以97%相似度進(jìn)行OTU分類, 隨后將個(gè)OTU中豐度最大的序列作為代表序列, 對(duì)比Silva (www.arb-silva.de), Greengene (http:// greengenes.secondgenome.com/)數(shù)據(jù)庫(kù)并使用RDP classifier軟件進(jìn)行物種比對(duì)注釋, 保留置信度>0.7的注釋結(jié)果, 采用QIIME[14]軟件對(duì)OTU進(jìn)行α多樣性指數(shù)分析。β多樣性和差異OTUs分析使用R語言(www.r-project.org)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

用 WPS Excle 2019處理數(shù)據(jù), Surfer繪制采樣點(diǎn)分布地圖, 并用SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和相關(guān)性分析,<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物理化性質(zhì)

各區(qū)域有機(jī)碳、Cu、Zn、Cr、Hg、Cd、Pb、As和石油類含量差異均不顯著(>0.05), 說明深水網(wǎng)箱長(zhǎng)年養(yǎng)殖并未對(duì)底棲環(huán)境造成深遠(yuǎn)影響(表2)。但養(yǎng)殖18 a區(qū)域硫化物含量最高, 且顯著高于對(duì)照區(qū)域(<0.05), 含量增長(zhǎng)了97.44%, 表明長(zhǎng)年養(yǎng)殖促進(jìn)了硫化物的積累。盡管養(yǎng)殖18 a區(qū)域硫化物含量仍符合一級(jí)海洋沉積物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(GB18668—2002), 但高濃度的硫化物將會(huì)對(duì)海洋生物產(chǎn)生危害, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖無疑增加了底棲環(huán)境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。除Cr外, 其余各監(jiān)測(cè)指標(biāo)均符合一級(jí)海洋沉積物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 但各區(qū)域Cr含量差異不顯著(>0.05), 表明該區(qū)域Cr本底值較高, 深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖并沒有明顯增加其含量。

表2 養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物理化因子測(cè)定結(jié)果

注: 表中同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)

2.2 高通量測(cè)序結(jié)果

不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物樣品經(jīng)高通量測(cè)序得到clean tags (拼接后的tags數(shù)目) 68 525～73 761條, 有效序列52 274～67 696條, 聚類于1 662～5 207個(gè)OTUs。樣品測(cè)序覆蓋率為96.52%～99.04%, 說明測(cè)序可以很好地覆蓋物種信息, 抽樣充分。養(yǎng)殖3、8、13、18 a以及非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)中分別測(cè)到的OTU個(gè)數(shù)為5 954、6 079、7 385、7 659和6 119個(gè)。不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物共有的OTU數(shù)目為1 807個(gè), 約占各采樣點(diǎn)總OTU數(shù)目的25%。5個(gè)采樣區(qū)域特有的OTU數(shù)目分別為: 904個(gè)(占3 a總OTU個(gè)數(shù)的15.2%)、1 317個(gè)(占8 a總OTU個(gè)數(shù)的21.7%)、1 325個(gè)(占18 a總OTU個(gè)數(shù)的17.9%)、1 512(占18 a總OTU個(gè)數(shù)的19.7%)、1 299個(gè)(占非養(yǎng)殖區(qū)總OTU個(gè)數(shù)的21.2%)。該數(shù)據(jù)表明, 各養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物特有的微生物種類較多, 微生物的組成存在差異性, 總體來說長(zhǎng)年養(yǎng)殖對(duì)網(wǎng)箱沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有明顯影響, 提高了沉積物微生物菌群的豐富度。

圖2 不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物中的微生物群落韋恩圖

2.3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖年限對(duì)沉積物微生物α多樣性的影響

采用Chao1、物種豐富度Richness、Shannon、Simpson等指數(shù)對(duì)沉積物樣本α多樣性進(jìn)行評(píng)估, 結(jié)果(表3)顯示。不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物菌群豐富度和多樣性都具有顯著性差異(<0.05), 隨養(yǎng)殖年限的增加, 養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物菌群的豐富度和多樣性均呈上升趨勢(shì), 且長(zhǎng)年養(yǎng)殖網(wǎng)箱(13、18 a)沉積物菌群豐富度和多樣性顯著大于其他區(qū)域(<0.05), 說明養(yǎng)殖年限可能是影響網(wǎng)箱沉積物細(xì)菌群落豐富度和多樣性的重要因素之一。

2.4 網(wǎng)箱養(yǎng)殖年限對(duì)沉積物微生物群落的影響

5個(gè)區(qū)域沉積物細(xì)菌在門水平上豐度排名前10的門類分別為擬桿菌門(Bacteroidota), 變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、脫硫菌門(Desulfobacterota)彎曲桿菌門(Campilobacterota)酸桿菌門(Acidobacteriota)、黏球菌門(Myxococcota)放線菌門(Actinobacteriota)NB1-j和芽孢桿菌門(Gemmatimonadota)(圖3)。不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物菌群組成在門水平上具有顯著差異, 養(yǎng)殖3、8 a以及非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)的主要優(yōu)勢(shì)菌門為擬桿菌門, 變形菌門和厚壁菌門(總相對(duì)豐度>61.77%), 養(yǎng)殖13、18 a的主要優(yōu)勢(shì)菌門為擬桿菌門, 變形菌門和脫硫菌門(總相對(duì)豐度>61.98%)。養(yǎng)殖3、8 a網(wǎng)箱沉積物厚壁菌門相對(duì)豐度分別為28.16%、32.70%, 養(yǎng)殖13、18 a網(wǎng)箱沉積物厚壁菌門相對(duì)豐度分別為5.60%、7.26%, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖顯著降低了厚壁菌門的相對(duì)豐度(<0.05)。養(yǎng)殖3、8 a網(wǎng)箱沉積物脫硫菌門相對(duì)豐度分別為9.90%、12.23%, 養(yǎng)殖13、18 a網(wǎng)箱沉積物脫硫菌門相對(duì)豐度分別為25.53%、16.80%, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖顯著提升了脫硫菌門的相對(duì)豐度(<0.05)。非養(yǎng)殖區(qū)沉積物檢測(cè)出的擬桿菌門相對(duì)豐度(37.60%)高于所有養(yǎng)殖區(qū)沉積物擬桿菌門相對(duì)豐度(<20.50%), 并且顯著高于其在養(yǎng)殖8、13 a沉積物中的相對(duì)豐度(<0.05)。變形菌門的相對(duì)豐度在5個(gè)區(qū)域差異不顯著(0.05), 其他菌門相對(duì)豐度較小, 不同區(qū)域差異也不顯著(0.05)。

表3 各位點(diǎn)沉積物α多樣性分析

注: 表中同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)

圖3 沉積物微生物群落組成(門水平)

菌屬水平下, 不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌屬(相對(duì)豐度>2%)呈現(xiàn)出顯著性差異(<0.05)(圖4)。養(yǎng)殖3 a網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌主要隸屬于硫卵菌屬(S)(10.45%)、嗜中溫溫暖桿菌() (5.54%)、擬桿菌屬()(5.40%)、毛囊菌屬()(3.84%)和(2.52%)。養(yǎng)殖8 a網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌主要隸屬于硫卵菌屬(10.71%)、(5.40%)、毛囊菌屬(4.40%)和毛螺菌科()(2.74%)。養(yǎng)殖13 a網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌主要隸屬于(9.16%)、硫卵菌屬(7.63%)、(2.97%)、(2.74%)、(2.29%)、海球菌屬()(2.26%)和伍斯菌屬()(2.08%)。養(yǎng)殖18 a網(wǎng)箱沉積物優(yōu)勢(shì)菌主要隸屬于硫卵菌屬(11.54%)、(5.49%)、毛囊菌屬(2.90%)、(2.40%)、伍斯菌屬(2.27%)和擬桿菌屬(2.20%)。非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)沉積物優(yōu)勢(shì)菌主要隸屬于擬桿菌屬(16.13%)、毛囊菌屬(11.81%)、另枝菌屬()(3.68%)、毛螺菌科(3.49%)和硫卵菌屬(2.93%)。5個(gè)區(qū)域沉積物優(yōu)勢(shì)菌屬均包含硫卵菌屬, 且其在4個(gè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱區(qū)域沉積物的相對(duì)豐度均顯著大于非養(yǎng)殖區(qū)(DZ) (<0.05)。僅是4個(gè)養(yǎng)殖網(wǎng)箱區(qū)域沉積物的優(yōu)勢(shì)菌屬, 且其在養(yǎng)殖8、13、18 a網(wǎng)箱沉積物的相對(duì)豐度均顯著大于非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)(1.66%)(<0.05)。擬桿菌屬、毛囊菌屬是非養(yǎng)殖區(qū)沉積物的優(yōu)勢(shì)菌屬且相對(duì)豐度較高, 顯著高于其在養(yǎng)殖區(qū)域沉積物的相對(duì)豐度(<0.05)。

圖4 沉積物微生物群落組成(屬水平)

選取樣品相對(duì)豐度前30的菌屬進(jìn)行聚類分析, 并繪制Heatmap圖(圖5)。在屬分類水平上可以看出, 硫卵菌屬隨養(yǎng)殖年限的增加呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì), 與硫化物含量變化趨勢(shì)一致。隨養(yǎng)殖年限的增加, 優(yōu)勢(shì)菌屬的數(shù)量也增加。由聚類結(jié)果可知, 養(yǎng)殖3、8 a可以聚為一支, 養(yǎng)殖13、18 a可以聚為一支, 隨后4個(gè)養(yǎng)殖區(qū)聚為一支, 非養(yǎng)殖區(qū)單獨(dú)為一支。同時(shí), 采用主成分分析(PCA)對(duì)不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物菌落結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行分析(圖6), 分析結(jié)果與聚類分析結(jié)果較為相似, 養(yǎng)殖3、8 a與非養(yǎng)殖區(qū)(DZ)在第一主成分上和養(yǎng)殖13、18 a被明顯地區(qū)分, 說明網(wǎng)箱養(yǎng)殖年限明顯影響沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。部分區(qū)域的3個(gè)重復(fù)樣品的聚集性較差, 組內(nèi)細(xì)菌群落組成存在差異, 原因是同一養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱區(qū)域面積過大, 取樣時(shí)為了更好地展示其真實(shí)菌落結(jié)構(gòu)情況, 取樣位置跨度較大所致。

圖5 沉積物微生物屬水平熱圖

2.5 養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物微生物群落與環(huán)境因子相關(guān)性

將養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物樣品中細(xì)菌豐度前15屬與沉積物理化因子進(jìn)行微生物環(huán)境因子分析(圖7), 采用協(xié)方差矩陣進(jìn)行計(jì)算。其中,與Hg含量呈顯著正相關(guān)(=0.034,=0.670)。與Cd含量呈顯著正相關(guān)(=0.049,=0.633)。另枝菌屬()與有機(jī)碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)(=0.040,=–0.655), 表明另枝菌屬受沉積物有機(jī)質(zhì)含量影響顯著。海球菌屬與石油類含量呈顯著正相關(guān)(=0.042,=0.650)。這表明Hg、Cd、有機(jī)碳以及石油類對(duì)不同養(yǎng)殖年限網(wǎng)箱沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有一定的影響。本研究中大部分菌屬與環(huán)境因子不具有顯著相關(guān), 這可能是因?yàn)樵撗芯恐形⑸锱c環(huán)境因子之間的關(guān)系可能受到混雜因素的影響, 使其作用可能難以區(qū)分。

圖6 沉積物微生物PCA分析

2.6 網(wǎng)箱養(yǎng)殖年限對(duì)硫酸鹽還原菌群落的影響

本研究根據(jù)高通量測(cè)序的結(jié)果篩選出其中的硫酸鹽還原菌(SRB), 選取樣品中發(fā)現(xiàn)的相對(duì)豐度前10的SRB菌屬分析(表4), 脫硫酸鹽橡菌屬()是養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物中豐度最高的SRB菌屬。我們?cè)谶M(jìn)行SRB菌屬篩選時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖13、18 a網(wǎng)箱沉積物SRB類群最多, 相對(duì)豐度最大, 如脫硫化凸菌屬()在養(yǎng)殖13、18 a網(wǎng)箱沉積物出現(xiàn)且相對(duì)豐度較高, 但在養(yǎng)殖3、8 a網(wǎng)箱和DZ未出現(xiàn)。這些結(jié)果說明長(zhǎng)年養(yǎng)殖網(wǎng)箱區(qū)(13、18 a)沉積物環(huán)境更適合嚴(yán)格厭氧的SRB菌屬生長(zhǎng)。

圖7 沉積物微生物群落與環(huán)境因子的RDA分析(屬水平)

表4 沉積物硫酸鹽還原菌豐度

3 討論

研究結(jié)果顯示, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖(13、18 a)網(wǎng)箱沉積物菌群豐富度和多樣性顯著大于短期養(yǎng)殖(3、8 a)和非養(yǎng)殖區(qū)(<0.05), 與顏婷茹[15]對(duì)象山港南沙港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)以及胡曉娟[16]對(duì)汕頭南澳島白沙灣養(yǎng)殖海域研究結(jié)果一致, 表明長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)底棲微生物群落具有促進(jìn)作用。這可能是養(yǎng)殖過程中魚類殘餌和排泄物在沉積物中的累積為細(xì)菌提供了合適的生長(zhǎng)基質(zhì), 刺激細(xì)菌的繁殖, 從而使菌群豐富度和多樣性指數(shù)更高[17-18]。

在本研究中, 隨著養(yǎng)殖年限的增加, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖(13、18 a)網(wǎng)箱沉積物中脫硫菌門的豐度顯著提高, 厚壁菌門的豐度顯著下降。脫硫菌門主要存在于缺氧的有機(jī)污染環(huán)境并參與硫循環(huán)與碳循環(huán)[19], 說明長(zhǎng)年養(yǎng)殖網(wǎng)箱沉積物處于嚴(yán)格厭氧狀態(tài)并存在豐富的有機(jī)物, 原因可能是由于網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動(dòng)給沉積物帶來豐富的還原性有機(jī)物, 大大地增加底棲環(huán)境的耗氧量, 裘瓊芬等[20]也發(fā)現(xiàn)象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物耗氧量是非養(yǎng)殖區(qū)沉積物耗氧量的2.5倍以上。厚壁菌門相對(duì)豐度的顯著下降意味著隸屬于厚壁菌門的乳酸菌屬()、芽孢桿菌屬()等典型益生菌由于不適應(yīng)養(yǎng)殖后期嚴(yán)格厭氧和高污染水平沉積物環(huán)境而導(dǎo)致其相對(duì)豐度下降, 這些益生菌有凈化水質(zhì)和增強(qiáng)水生動(dòng)物免疫力的功效[21], 益生菌相對(duì)豐度的顯著下降可能會(huì)使養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)一步惡化。

硫卵菌屬可以利用硝酸鹽將硫化物氧化為單質(zhì)硫, 有時(shí)還將硫化物/單質(zhì)硫氧化為硫酸鹽, 是一種典型的硫氧化菌[22], 硫卵菌屬和都驅(qū)動(dòng)著海洋沉積物中的硫循環(huán), 而它們?cè)?個(gè)養(yǎng)殖區(qū)沉積物的相對(duì)豐度均顯著大于非養(yǎng)殖區(qū)(<0.05), 說明養(yǎng)殖區(qū)沉積物中硫循環(huán)顯著活躍, 可能原因是大欽島漁民為了壓縮成本, 網(wǎng)箱養(yǎng)殖主要投喂冰鮮野雜魚[23], 餌料轉(zhuǎn)化率較低, 導(dǎo)致大量糞便和殘餌在網(wǎng)箱底部累積, 最終造成網(wǎng)箱沉積物中有機(jī)質(zhì)含量較高, 有機(jī)質(zhì)中的無機(jī)硫酸鹽被硫酸鹽還原菌分解產(chǎn)生硫化物[24], 硫化物的濃度的升高會(huì)刺激硫氧化菌的生長(zhǎng)繁殖[25], 從而加速驅(qū)動(dòng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物中硫循環(huán)。養(yǎng)殖后期(18 a)網(wǎng)箱沉積物中硫循環(huán)應(yīng)該主要集中在嚴(yán)格厭氧的硫酸鹽還原菌的硫酸鹽還原作用, 這也與本研究中所測(cè)得硫化物濃度變化趨勢(shì)一致, 說明長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域硫氧化菌和硫酸鹽還原菌的動(dòng)態(tài)關(guān)系無法維持, 生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破。

對(duì)于不同海區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)殖沉積物, 影響菌群結(jié)構(gòu)特征的環(huán)境因子不盡相同。如顏婷茹[15]發(fā)現(xiàn)象山港南山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物細(xì)菌群落特征主要與PO43–和SO42–存在顯著相關(guān)性; 胡曉娟[16]發(fā)現(xiàn)南澳白沙灣魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物的微生物群落組成主要受TN、TP、TOC影響顯著; 涂志剛[26]發(fā)現(xiàn)海南后水灣卵形鯧鲹()高密度網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子為總氮、總磷以及COD含量。在本研究中, 部分菌群相對(duì)豐度與環(huán)境因子存在顯著性相關(guān), Hg、Cd、有機(jī)碳以及石油類是影響沉積物細(xì)菌群落的主導(dǎo)因子, 但是與菌群的豐富度和多樣性不存在顯著相關(guān)(>0.05)。由于大欽島無陸源徑流輸入, 網(wǎng)箱養(yǎng)殖投喂的餌料成為沉積物有機(jī)質(zhì)和重金屬的主要來源, 因此冰鮮野雜魚可能是影響?zhàn)B殖網(wǎng)箱沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素。

應(yīng)當(dāng)將投喂餌料由傳統(tǒng)的冰鮮野雜魚轉(zhuǎn)變?yōu)楹兴a(chǎn)誘食劑(氨基酸、大蒜素等)和微生態(tài)制劑(酵母菌、EM等)的綠色環(huán)保型水產(chǎn)飼料, 控制未能及時(shí)被養(yǎng)殖動(dòng)物吸收利用的N、P等物質(zhì)進(jìn)入水體, 有利于預(yù)防長(zhǎng)年養(yǎng)殖網(wǎng)箱區(qū)水體和沉積物發(fā)黑發(fā)臭。在養(yǎng)殖后期(13、18 a)網(wǎng)箱沉積物中投放適量的厭氧不產(chǎn)氧光合細(xì)菌, 光合細(xì)菌是一類可以在厭氧光照條件下利用有機(jī)物、硫化物以及氨進(jìn)行光合作用的微生物, 實(shí)現(xiàn)對(duì)污染沉積物的初步改造, 使其適應(yīng)大型生物存活, 后續(xù)引入刺參()及大型藻類, 進(jìn)行大型生物修復(fù)。以刺參、沙蠶()、魁蚶()等沉積食性生物攝食沉積物有機(jī)質(zhì), 當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖品種海帶作為修復(fù)藻類吸收N、P礦化釋放營(yíng)養(yǎng)鹽, 構(gòu)建多營(yíng)養(yǎng)層次養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng), 提高生態(tài)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)箱沉積物有機(jī)質(zhì)的利用效率, 最終實(shí)現(xiàn)污染沉積物治理。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明, 長(zhǎng)年養(yǎng)殖(13、18 a)網(wǎng)箱沉積物菌群豐富度和多樣性顯著高于短期網(wǎng)箱養(yǎng)殖(3、8 a)區(qū)。Hg、Cd、有機(jī)碳以及石油類是影響沉積物細(xì)菌群落的主要環(huán)境因子。長(zhǎng)年網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物硫循環(huán)失調(diào)且處于嚴(yán)格厭氧狀態(tài), 主要原因可能是大欽島網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)長(zhǎng)期投喂冰鮮野雜魚導(dǎo)致, 應(yīng)及時(shí)推廣綠色環(huán)保型配合飼料, 同時(shí)構(gòu)建多營(yíng)養(yǎng)層次養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染沉積物的治理。

[1] 李洪鵬. 原生態(tài)復(fù)合菌對(duì)淺海養(yǎng)殖區(qū)氮和有機(jī)污染的凈化作用研究[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2008.

LI Hongpeng. Study on purification of eco-original bac-teria group on nitrogen and dissolved organic matter pollution in shallow sea aquaculture region[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2008.

[2] 徐永健, 錢魯閩. 海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 3: 532-536.

XU Yongjian, QIAN Lumin. Impacts of cage culture on marine environment[J]. Chinese Journal of Applied Eco-logy, 2004, 3: 532-536.

[3] RICHARDS C M, PALLUD C. Kinetics of sulfate reduction and sulfide precipitation rates in sediments of a bar-built estuary (Pescadero, California)[J]. Water Research, 2016, 94: 86-102.

[4] 操戈, 鄧衛(wèi)哲, 徐承旭. 海南大力發(fā)展深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖[J].水產(chǎn)科技情報(bào), 2017, 44(2): 109.

CAO Ge, DENG Weizhe, XU Chengxu.Hainan vigorously develops deep-sea net-pen aquaculture[J]. Fisheries Science & Technology Information, 2017, 44(2): 109.

[5] 高曉霞, 周國(guó)良. 打造深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖嶺南優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)帶——廣東召開深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱推進(jìn)會(huì)[J]. 海洋與漁業(yè), 2020, 6: 13-14.

GAO Xiaoxia, ZHOU Guoliang. Guangdong held a mee-ting to promote deep-sea aquaculture netting to create an advantageous industrial zone in Lingnan[J]. Ocean and Fishery, 2020, 6: 13-14.

[6] 黃小平, 郭芳, 黃良民. 大亞灣典型養(yǎng)殖區(qū)表層沉積物環(huán)境特征研究[J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2008, 27(5): 37-42.

HUANG Xiaoping, GUO Fang, HUANG Liangmin. Researches on surface sediment environment in marine culture area of Daya Bay[J]. Journal of Tropical Oceano-graphy, 2008, 27(5): 37-42.

[7] 孫超, 朱玲, 毛玉澤, 等. 象山港南沙島不同養(yǎng)殖模式沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)分析[J]. 漁業(yè)科學(xué)進(jìn)展, 2014, 35(4): 13-21.

SUN Chao, ZHU Ling, MAO Yuze, et al. The structures of sediment microbial communities in different mari-culture models at Xiangshan Bay of China[J]. Progress in Fishery Sciences, 2014, 35(4): 13-21.

[8] 丁敬坤, 薛素燕, 李加琦, 等. 基于大型底棲動(dòng)物的桑溝灣不同養(yǎng)殖區(qū)底棲生境健康評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 2020, 27(12): 1393-1401.

DING Jingkun, XUE Suyan, LI Jiaqi, et al. Health assessment of large-scale aquaculture on benthic habitats in Sanggou Bay[J]. Journal of Fishery Sciences of China, 2020, 27(12): 1393-1401.

[9] 胡志強(qiáng), 胡志興, 葛培義. 大欽島深水網(wǎng)箱養(yǎng)魚發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 齊魯漁業(yè), 2010, 27(9): 53-54.

HU Zhiqiang, HU Zhixing, GE Peiyi. Current situation and countermeasures for the development of deep-water net-pen fish farming on Dachin Island[J]. Shandong Fisheries, 2010, 27(9): 53-54.

[10] BOLGER A M, LOHSE M, USADEL B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data[J]. Bioinformatics, 2014, 30(15): 2114-2120.

[11] MAGO? T, SALZBERG S L. FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemb-lies[J]. Bioinformatics, 2011, 27(21): 2957-2963.

[12] EDGAR R C, HAAS B J, CLEMENTE J C, et al. UCHIME improves sensitivity and speed of chimera detection[J]. Bioinformatics, 2011, 27(16): 2194-2200.

[13] ROGNES T, FLOURI T, NICHOLS B, et al. VSEARCH: a versatile open source tool for metagenomics[J]. PeerJ, 2016, 4: e2584.

[14] CAPORASO J G, KUCZYNSKI J, STOMBAUGH J, et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data[J]. Nature Methods, 2010, 7(5): 335-336.

[15] 顏婷茹. 象山港南沙港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)沉積物微生物群落多樣性的時(shí)空分布規(guī)律研究[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2012.

YAN Tingru. The temporal and spatial distribution of microbial community in response to fish cage farming in Nansha Bay in East China Sea[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2012.

[16] 胡曉娟. 廣東典型海域微生物群落特征分析[D]. 廣州: 暨南大學(xué), 2013.

HU Xiaojuan. Analysis on microbial community characteristics in the typical sea areas in Guangdong Province[D]. Guangzhou: Jinan University, 2013.

[17] 廖紅芳, 鄭忠明, 馮堅(jiān), 等. 象山港大黃魚()網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)及鄰近海域沉積物中異養(yǎng)細(xì)菌生態(tài)分布[J]. 海洋與湖沼, 2014, 45(6): 1308-1316.

LIAO Hongfang, ZHENG Zhongming, FENG Jian, et al. Bacterial ecological distribution in sediment of a yellow croaker () cage farm and adjacent sites in Xiangshan Bay[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2014, 45(6): 1308-1316.

[18] VEZZULLI L, CHELOSSI E, RICCARDI G, et al. Bacterial com-munity structure and activity in fish farm sedi-ments of the Ligurian sea (Western Mediterranean)[J]. Aquaculture International, 2002, 10(2): 123-141.

[19] NEALSON K H. Sediment bacteria: who’s there, what are they doing, and what’s new?[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1997, 25(1): 403-434.

[20] 裘瓊芬, 張德民, 葉仙森, 等. 象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)近海沉積物細(xì)菌群落的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(2): 483-491.

QIU Qiongfen, ZHANG Demin, YE Xiansen, et al. The bacterial community of coastal sediments influenced by cage culture in Xiangshan Bay, Zhejiang, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(2): 483-491.

[21] 劉艷麗, 呂惠蓉, 李海東, 等. 溫度對(duì)大鱗副泥鰍腸道菌群組成的影響研究[J]. 中國(guó)水產(chǎn), 2022, 1: 94-97.

LIU Yanli, LV Huirong, LI Haidong, et al. Study on the effect of temperature on the composition of the intestinal flora of the paralarval loach[J]. China Fisheries, 2022, 1: 94-97.

[22] 方安琪, 賀志理, 王成, 等. 紅樹林沉積物中微生物驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)研究進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2020, 60(1): 13-25.

FANG Anqi, HE Zhili, WANG Cheng, et al. Progress in studying microbially-driven sulfur cycling in mangrove sedi-ments[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2020, 60(1): 13-25.

[23] 王凱. 長(zhǎng)島地區(qū)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖許氏平鲉主要疾病的流行病學(xué)調(diào)查與病原病理學(xué)研究[D]. 上海: 上海海洋大學(xué), 2018.

WANG Kai. Epidemiology, etiology and histopathology of black rockfish () major diseases in Changdao County offshore cage[D]. Shanghai: Shanghai Ocean University, 2018.

[24] 甘居利, 林欽, 黃洪輝, 等. 大鵬澳網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)底質(zhì)硫化物分布、變化和污染分析[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2003, 6: 570-574.

GAN Juli, LIN Qin, HUANG Honghui, etal. Distribution, variation and pollution of the sulfide in surfacial sediment at cage culture area in Dapengao Bay[J]. Jour-nal of Fisheries of China, 2003, 6: 570-574.

[25] 劉陽, 姜麗晶, 邵宗澤. 硫氧化細(xì)菌的種類及硫氧化途徑的研究進(jìn)展[J]. 微生物學(xué)報(bào), 2018, 58(2): 191-201.

LIU Yang, JIANG Lijing, SHAO Zongze. Advances in sulfur-oxidizing bacterial taxa and their sulfur oxidation pathways[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2018, 58(2): 191-201.

[26] 涂志剛. 海南后水灣深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)微生物多樣性及其養(yǎng)殖卵形鯧鲹“爛身病”研究[D]. ?？? 海南大學(xué), 2017.

TU Zhigang. Studies on microbial diversity and rot body disease ofin deep-sea cage aquaculture area in Houshui Bay, Hainan[D]. Haikou: Hainan University, 2017.

Analysis of the microbial community structure of deep-water net tank sediments of Daqin Island at different culture years

XIE Wei-jun1, 2, ZHAO Yu-ting2, LIU Yuan-jin2, HU Shun-xin2, JIANG Hai-bin2, HAN Hui-zong2, WANG Teng-teng2, WANG Fei2, LI Zhao-long1, 2, ZHANG Ming-liang2

(1. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Shandong Marine Resources and Environment Research Institute, Yantai 264006, China)

To investigate the effect of deep-water net-pen culture years on the sediment microbial community structure, 16S rDNA high-throughput sequencing was performed on the surface sediments (0–2 cm) of 3, 8, 13, and 18 a net-pen culture and nonculture areas (DZ) in Daqin Island waters. The results showed that the abundance and diversity of sediment flora were significantly higher (<0.05) in the long-year net box culture (13, 18 a) than in the short-term net box culture (3, 8 a). The dominant phyla in the sediment of the net pots changed significantly with increasing years of culture (<0.05). Bacteroidota, Proteobacteria, and Firmicutes were the dominant phyla in the sediment of the short-term net pots (3, 8 a) and the nonculture zone (DZ), while the dominant phyla in the sediment of the long-term net pots (13, 18 a) were Bacteroidota, Proteobacteria, and Firmicutes. The main dominant phyla in the sediments of the long-year net culture (13, 18 a) were Bacteroidota, Proteobacteria, and Desulfobacterota. The dominant environmental factors influencing the structure of the sediment flora in the net pens were Hg, Cd, organic carbon, and petroleum. The feeding of chilled wild fish may be one of the important factors contributing to the environmental degradation of the perennial net tank culture area on Daqin Island. The use of green and environmentally friendly compound feeds should be promoted, and a combination of microorganisms (microecological agents based on anaerobic nonoxygenic photosynthetic bacteria) and macroorganisms (spiny cucumbers and macroalgae) should be incorporated for the remediation of polluted sediments to facilitate the promotion of healthy culture and sustainable development of deep-water net tanks.

deep-water nets; cuture years; sediment; microbial communities

Mar. 21, 2022

s949

A

1000-3096(2022)12-0031-10

10.11759/hykx20220321003

2022-03-21;

2022-05-05

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020CXGC011404); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42176159); 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-47)

[Key Research and Development Project of Shandong, No. 2020CXGC011040; National Natural Science Foundation of China, No. 42176159; Construction of Modern Agricultural Industry Technology System of China, No. CARS-47]

解維俊(1996—), 男, 碩士研究生, 主要從事水生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究, E-mail: 1665039783@qq.com; 張明亮(1982—),通信作者, E-mail: zhangml1982@126.com

(本文編輯: 譚雪靜)