精养池塘碳氮循环特征及有机碳源对生物絮团降氮作用的影响机制

发布时间：2020-03-19 01:03

【摘要】：养殖池塘水体和底泥的特征微生物群落与其栖息的生态位的环境条件相适应,并且行使特殊的生态功能。研究微生物群落结构和他们的生态功能可以帮助我们理解池塘不同营养盐的生物地球化学循环过程和它们在原位的关联。由于有大量的外来有机碳(C)和有机氮(N)输入,C和N营养循环在池塘生态系统中尤其重要。为了更好地理解池塘中N素的地球化学循环过程,降低氮污染物对养殖对象的危害,调控氮素更多地流向水产品,我们调查了池塘C、N循环代谢通路及其功能微生物结构特征,分析了C、N代谢通路相互关联性,探索了有机碳源对生物絮团降氮作用的影响机制。主要研究结果如下:1.本研究使用宏基因组技术检测了华中地区经典草鱼(Ctenopharyngodon idellus)养殖池塘表层水体(surface water,SW)、底层水体(bottom water,BW)、表层底泥(surface sediment,SS)和深层底泥(deep sediment,DS)微生物群落特征和功能。总体上,池塘水层的群落结构和微生物过程与SS和DS有显著差异,Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria和Planctomycetes在池塘水体更丰富,而Deltaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Euryarchaeota(Archaea)和Nitrospirae在底泥中含量更高(P0.05)。我们在电脑中重建了功能潜力和N营养循环代表微生物。池塘水体较高的N同化、蛋白质合成和细胞增殖功能潜力可能为监测到的低氨氮浓度负责。氨氧化功能基因丰度非常低,并且主要在水层发现与Nitrosomonas(100%)相关。反硝化主要在SS中发现,涉及的主要物种是Rhodocyclales。N固定(nif基因)和硝酸盐异化还原成铵的功能潜力也主要在底泥中被发现,它们对于池塘生态系统的氨减少是不利的。总体上,这些结果为养殖池塘的微生物功能生态提供了更加详细的图景。2.使用宏基因组技术分析了养殖池塘C营养循环相关的功能潜力及其功能微生物。相对于自养光合生物Cyanobacteria和Cryptophyta,异养细菌Actinobacteria和Betaproteobacteria是池塘进行呼吸作用的主要微生物。底泥中的CO_2还原产甲烷菌Methanomicrobiales和硫还原细菌Syntrophobacterales的化能合成作用是池塘主要的碳固定过程。由于游离氨对产甲烷菌的选择抑制,氢营养的产甲烷菌Methanomicrobiales是池塘底泥主要的产甲烷微生物。在池塘水层,AOB(Nitrosomonadaceae)通过氧化途径,Ⅰ型嗜甲烷菌Methylococcaceae通过RuMP途径,Ⅱ型嗜甲烷菌Methylocystaceae通过丝氨酸途径利用CH_4。此外,本研究暗示外源有机碳的呼吸作用可能为池塘异养细菌的N同化作用和反硝化作用提供能量,Nitrosomonadales在池塘水体中扮演多种角色,不仅仅进行硝化作用也进行N矿化和甲烷氧化过程,Methanomicrobiales是池塘底泥主要的产甲烷、CO_2固定和N_2固定微生物。这些结果表明,池塘底泥氨氮的积累影响产甲烷过程,反过来有机碳及甲烷循环过程对氮循环过程也有显著影响。3.在得到养殖水体中有机碳源可以通过多种途径影响氮循环过程后,我们在应用生物絮团技术的零水体交换养殖桶中研究了不同碳源对微生物多样性的影响。本实验包含对照组和使用不同碳源的三种生物絮团系统,分别是木薯粉(tapioca starch,TS)处理组,植物纤维素(plant cellulose,PC)处理组,和木薯粉、植物纤维素混合(TS+PC)处理组,实验在12个300 L的圆形纤维加强塑料桶中进行了42天,平均体重38.1±5.9 g的黄颡鱼(Pelteobagrus vachelli)共72尾被随机分配到12个养殖桶中。通过对PCR扩增的16S rRNA基因片段进行Illumina MiSeq测序,我们研究了所有实验组的总细菌和氨氧化细菌的群落特征。结果表明对照组的氨氮浓度为3.6±4.6 mg/L,显著高于TS处理组(2.4±2.9 mg/L),PC处理组(1.8±2.4 mg/L)和TS+PC处理组(2.2±2.5 mg/L)(P0.05)。TS处理组的增重率显著高于对照组(P0.05),而PC和TS+PC处理组与对照组没有显著差异(P0.05)。Illumina Mi Seq测序结果表明添加植物纤维素的生物絮团处理组(PC和TS+PC处理组)总细菌多样性和细菌丰度显著高于对照组和TS处理组(P0.05)。对照组和TS处理组的Betaproteobacteria显著增高,而添加植物纤维素的处理组Alphaproteobacteria更高(P0.05)。Illumina测序分析氨氧化细菌同样检测到相对于对照组(Shannon index=0.84;Simpson index=0.6149),生物絮团处理组有更高的群落多样性(Shannon index1.21;Simpson index0.3949)。综上所述,生物絮团系统中的额外有机碳源可以减少氨氮浓度和提高总细菌和氨氧化细菌的群落多样性。4.为了更加细致的了解生物絮团系统中,有机碳源添加对水体微生物群落的影响。我们在混合种群的悬浮生长反应器中调查了生长阶段(growth period,GP)和维持阶段(maintenance period,MP)细菌群落组成伴随时间的演化过程。进一步的在处理阶段(treatment period,TP)检测了不同碳氮比率(C/N)的合成污水输入液对硝化细菌和潜在氨氧化速率的影响。结果表明,在10天的初始培育后,所有的生物絮团反应器(biofloc reactor,BR)系统都显示了非常高的氨氮(NH_4~+-N)移除效率(95%)。总体上,通过Illumina MiSeq测序从18个样品中获得了1 191895条有效序列(平均长418 bp)。PCA分析表明,接种的池塘水体(S0)与BR中的细菌群落明显分离,同时,S0中的细菌α多样性显著低于BR。在GP,绝大部分显著增加的细菌是异养菌,包括许多有氧反硝化细菌,例如,Zoogloea,Rhodobacter,Pseudomonas,Methyloversatilis和Terrimonas。在GP中,自养硝化细菌也显著积累并导致硝酸盐氮(NO_3~--N)在第28天达到峰值。在MP,有氧或兼性有氧反硝化细菌,主要是Rhodobacter,Hydrogenphaga和Sphaerotilus显著增加,并作为补充来移除增加的NO_3~--N。不同碳氮比率实验表明,Rhodobacter,Hydrogenphaga和Sphaerotilus与有机碳呈正相关,而自养硝化细菌与有机碳呈负相关。高C/N(20:1)处理组的潜在氨氧化速率显著高于低C/N(2:1)处理组,暗示了BR中可能存在Pseudomonas的异养硝化作用。我们的结果表明,有氧反硝化作用在生物絮团反应器的氮移除过程中扮演重要角色。
【图文】：

理化数据,实验池,垂直剖面,表层水体

图 2-1 实验池塘水层垂直剖面的理化数据。理化数据的误差线代表 6 个重复样本的标准差。缩写：ORP，氧化还原电位。表层水体 (深度 0.3 m) 是有氧的 (> 5.0 mg/L)，而底层水体 (深度 1.7 m) 是缺氧的 (1.0- 3.0 mg/L)。Fig. 2-1 Vertical profiles of physicochemical data in the water columns of the experimental pond.The error bars for the physicochemical data represents the standard deviation of six replicates.Abbreviation: ORP, Oxidation-Reduction Potential. The surface water (0.3 m depth) is hyperoxic (> 5.0 mg/L), whilethe bottom water (1.7 m depth) is hypoxic (1.0 - 3.0 mg/L).2.2.2 样本采集本研究中，，池塘表层水体 (surface water, SW；深度 0.2 - 0.4 m) 和底层水体(bottom water, BW；深度 1.6 - 1.8 m) 的水样 (各 2 个重复) 保存在 10-L 的塑料广口

完整性,基因组DNA,抽提,基因组

琼脂糖凝胶电泳检测基因组DNA完整性
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X172

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