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羅非魚混養(yǎng)對廣西三江傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境及其菌群多樣性的影響

2024-05-23 22:42:59王淼莫潔琳韋領(lǐng)英莫航楊世宇衣萌萌范梓健張紫玥盧邁新
水生態(tài)學雜志 2024年2期
關(guān)鍵詞:高通量測序羅非魚底泥

王淼 莫潔琳 韋領(lǐng)英 莫航 楊世宇 衣萌萌 范梓健 張紫玥 盧邁新

摘要:研究羅非魚混養(yǎng)對廣西三江傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境的影響,可為科學推廣稻田金邊鯉-羅非魚混養(yǎng)模式提供基礎(chǔ)。2021年5-10月設(shè)置3個試驗組和1個對照組研究不同密度混養(yǎng)對種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境及菌群多樣性的影響,其中試驗組內(nèi)進行羅非魚和金邊鯉的混養(yǎng),對照組為鯉單養(yǎng)組。結(jié)果表明,金邊鯉的生長未受到羅非魚混養(yǎng)的影響;高通量測序結(jié)果顯示水體中的主要菌群為變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria),其次為擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和藍菌門(Cyanobacteria),主要功能為化能異養(yǎng)和有氧化能異養(yǎng);底泥中的主要菌群為變形菌門和綠彎菌門(Chloroflexi),其次為酸桿菌門(Acidobacteria)、廣古菌門(Euryarchaeota)和藍菌門,主要功能類群為甲烷生成和化能異養(yǎng)。羅非魚高密度混養(yǎng)組稻田底泥中的總氮和硝酸鹽氮含量有所下降,水體中Polynucleobacter等水質(zhì)良好的指示物種相對豐度增加,羅非魚混養(yǎng)對稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境及其菌群產(chǎn)生了有益的影響。

關(guān)鍵詞:稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng);羅非魚;鯉;水體;底泥;菌群;高通量測序

中圖分類號:S917.1? ? ? ? 文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1674-3075(2024)02-0141-07

我國是世界上稻漁共作最發(fā)達的國家,2020年,我國稻田養(yǎng)成魚面積達到256萬 hm2,產(chǎn)量達325萬 t,占淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量的10.5%(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)漁政管理局等,2021)。稻田養(yǎng)魚能充分利用稻田里的水資源和昆蟲、雜草等生物資源,降低種養(yǎng)殖對外界環(huán)境的影響,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。同時稻田養(yǎng)殖的魚類活動于稻田間,可達到除草、除蟲和增肥等效果,生態(tài)效益顯著(盧升高和黃沖平,1988)。廣西壯族自治區(qū)三江侗鄉(xiāng)人民自古以來就有稻田養(yǎng)魚的傳統(tǒng),延續(xù)至今已有超千年的歷史(吳良勇等,2019)。三江地區(qū)稻漁綜合種養(yǎng)以金邊鯉(Cyprinus carpio var. Jinbian)為主,品種單一,并且養(yǎng)殖密度較低,產(chǎn)量較低(張秋明等,2019),因此亟需改善養(yǎng)殖模式,提高水產(chǎn)品產(chǎn)量。

鯉是我國淡水養(yǎng)殖的主要經(jīng)濟魚類之一,也是稻田養(yǎng)殖的主要魚類品種。金邊鯉是廣西壯族自治區(qū)水產(chǎn)引育種中心針對稻田養(yǎng)殖以融水田鯉為基礎(chǔ)群體而選育的鯉新品系(文衍紅等,2019)。鯉食性雜,能攝食水生昆蟲和底棲動物等動物性餌料(趙惠玲等,2006)。羅非魚為雜食性魚類,食譜廣,但通常以攝食浮游植物為主(王天宇,1981)。三江地區(qū)稻田中的浮萍豐富,浮萍與稻苗搶肥明顯,在稻田中單養(yǎng)金邊鯉無法充分利用浮萍資源,而作為偏植食性的魚類,羅非魚偏好浮萍等植物性餌料。因此,在傳統(tǒng)稻鯉綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中混養(yǎng)羅非魚可以充分利用稻田水體中的生物餌料,提高資源利用率(莫潔琳等,2019)。研究表明,羅非魚、鯉混養(yǎng)可以顯著提高稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益(Frei et al,2007)。在廣西三江傳統(tǒng)稻鯉綜合種養(yǎng)系統(tǒng)中混養(yǎng)羅非魚后,經(jīng)濟效益顯著高于單養(yǎng)鯉(莫潔琳等,2019)。在廣西三江地區(qū),稻田羅非魚的售價達到30元/kg,遠高于池塘養(yǎng)殖羅非魚的價格,稻田養(yǎng)殖羅非魚的市場前景良好,適于進行大規(guī)模示范推廣。但羅非魚混養(yǎng)對稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)的稻田水和底泥的理化指標和菌群多樣性的影響還未見報道,因此本研究擬探討不同羅非魚混養(yǎng)密度對廣西三江地區(qū)傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境及其菌群結(jié)構(gòu)的影響,以期為科學推廣相關(guān)技術(shù)提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究對象

試驗在廣西壯族自治區(qū)三江侗族自治縣“中國水產(chǎn)科學研究院珠江水產(chǎn)研究所稻漁健康生態(tài)研發(fā)基地(三江)”進行,選取20塊面積各(423.33±37.33)m2(X±SE)的相鄰稻田,水田開挖10 m2左右魚坑,魚坑深度0.8 m,開“十”字形或“國”字形魚溝,魚溝寬0.5 m,深0.3 m。試驗設(shè)置3個試驗組(高密度混養(yǎng)組A、中密度混養(yǎng)組B、低密度混養(yǎng)組C),1個對照組(鯉單養(yǎng)組D),每組5個重復(fù),按照表1進行魚種放養(yǎng),試驗組進行吉富羅非魚(Oreochromis niloticus, GIFT strain)、金邊鯉混養(yǎng)試驗,對照組按照傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式只放養(yǎng)鯉。鯉放養(yǎng)時間為2021年5月22日,羅非魚放養(yǎng)時間為2021年6月16日,鯉和羅非魚收獲時間為2021年10月20日,在整個試驗過程中不投餌料。追肥時,排淺田水,使魚集中在魚溝或魚坑內(nèi)再施肥,所施的化肥被水稻和泥土吸收,補水到正常深度。

1.2? ?樣品采集

養(yǎng)殖試驗結(jié)束后,分別于每塊試驗田隨機撈取鯉和羅非魚各5尾,對照組D試驗田僅撈取鯉5尾,測量試驗魚體重。在每塊試驗田4個角選取4個點,用2 L的采水器采集表層水體,用直徑為10 cm的采泥器采集表層底泥,將4個點的樣品混合,作為該塊試驗田的檢測樣本,水樣和泥樣各取2份,水樣2份各100 mL,泥樣1份50 g,1份1 g。100 mL水樣和50 g泥樣用于理化指標檢測,4 °C保存,于1周內(nèi)檢測。另外1份100 mL水樣和1 g泥樣用于菌群的16S rRNA測序,其中水樣經(jīng)0.22 ?m的微孔濾膜過濾,將濾膜和底泥樣品于-80°C保存待測。

1.3? ?水體和底泥理化指標測定

測定水樣中氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝酸鹽氮(NO2--N)、總氮(TN)、總磷(TP)的濃度,具體操作參照北京連華永興科技發(fā)展有限公司的試劑盒說明書(LH-N2N3-100;LH-NO3-100;LH-NO2-100;LH-NT-100;LH-P1P2-100)。

測定底泥中的NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN的含量,將底泥自然風干后過20目篩,研磨成粉后取10 g,溶于100 mL 1 mol/L KCl,以160 r/min震蕩處理1 h,3 000 r/min離心10 min,取上清液測定,測定方法參照北京連華永興科技發(fā)展有限公司的試劑盒說明書。

1.4? ?菌群的16S rRNA測序分析

采用Quick-DNA?通用試劑盒(Zymo Research,美國)從樣品中提取總DNA。使用515f/806r引物(5-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3和5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)進行PCR擴增,擴展區(qū)域為V4區(qū)。用兩輪擴增法進行PCR擴增,使用 AMPure XP Beads 對第2輪擴增產(chǎn)物進行純化,用ABI StepOnePlus Real-Time PCR System(Life Technologies,美國)進行定量,根據(jù) Novaseq 6000 的 PE250 模式上機測序。使用FLASH軟件對16S rRNA測序原始數(shù)據(jù)進行拼接,用QIIME軟件包和UPARSE平臺進行序列分析。

1.5? ?數(shù)據(jù)分析

使用軟件R的VEGAN軟件包分析菌群α多樣性,通過基于加權(quán)UniFrac距離的主坐標分析(PCoA)評估菌群β多樣性。用Sigmoplot對魚體重量和水體、底泥理化指標進行作圖。用SPSS 21對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析;數(shù)據(jù)采用X±SE表示。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?不同混養(yǎng)密度對鯉和羅非魚生長的影響

單因素方差分析結(jié)果表明不同組的羅非魚和鯉收獲體重均無顯著差異(表2)。羅非魚收獲平均體重均高于鯉收獲平均體重,高密度混養(yǎng)組的產(chǎn)量是鯉單養(yǎng)組的3.3倍。

2.2? ?不同混養(yǎng)密度對稻田水體和底泥理化指標的影響

單因素方差分析結(jié)果表明,羅非魚混養(yǎng)提高了稻田水體中NO3--N含量,降低了水體中的TP含量,但差異均不顯著(圖1);羅非魚混養(yǎng)降低了稻田底泥中的TN和NO3--N含量,其中羅非魚高密度混養(yǎng)組(A組)和羅非魚中密度混養(yǎng)組(B組)稻田底泥中的NO3--N含量顯著低于羅非魚低密度混養(yǎng)組(C組)和鯉單養(yǎng)組(D組)(P<0.05)(圖2)。

2.3? ?種養(yǎng)系統(tǒng)水體和底泥菌群結(jié)構(gòu)特征

2.3.1? ?菌群多樣性? ?利用ACE、Chao、Shannon、Simpson等指數(shù)對水體和底泥菌群的α多樣性進行評估,底泥菌群的4個指數(shù)值均高于水體,說明底泥菌群的物種豐富度高于水體(圖3)。利用主坐標分析(PCoA)評估β多樣性,結(jié)果表明,底泥的樣點有明顯聚集,而水體的樣點未出現(xiàn)明顯聚集(圖4)。

2.3.2? ?基于門水平的水體和底泥微生物群落結(jié)構(gòu)

在門水平上,水體中的變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度最高,其次為擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)和藍菌門(Cyanobacteria)。底泥中的變形菌門和綠彎菌門(Chloroflexi)的相對豐度最高,其次為酸桿菌門(Acidobacteria)、廣古菌門(Euryarchaeota)、藍菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、浮霉菌門(Planctomycetes)、放線菌門和疣微菌門(Verrucomicrobia)(圖5-a)。

2.3.3? ?基于屬水平的水體和底泥微生物群落結(jié)構(gòu)? ?在屬水平上,水體中Aurantimicrobium、Polynucleobacter、分枝桿菌屬(Mycobacterium)、Pseudarcicella、Clostridium_sensu_stricto_1、Sediminibacterium為主要菌屬(圖5-b)。Polynucleobacter和Clostridium_sensu_stricto_1的相對豐度在對照組最低,分枝桿菌屬的相對豐度在對照組最高。底泥中Methanobacterium、Rhodomicrobium、Geobacter、Aquisphaera為主要菌屬(圖5-b)。Geobacter和Clostridium_sensu_stricto_1的相對豐度在對照組最低,Rhodomicrobium的相對豐度在對照組最高。

2.3.4? ?基于屬水平的細菌群落相關(guān)性? ?相關(guān)性分析結(jié)果表明,水體中的Polynucleobacter、Pseudarcicella和TP具有顯著相關(guān)性(r=-0.468, P<0.05;r=-0.440, P<0.05),Cyanobium_PCC-6307和TN具有極顯著相關(guān)性(r=0.643, P<0.01)。底泥中的Polynucleobacter、Pseudarcicella、Exiguobacterium、Candidatus_Competibacter、Cyanobium_PCC-6307、 Acidovorax和NO2--N具有顯著相關(guān)性(r=-0.456, P<0.05; r=-0.538, P<0.01;r=-0.437, P<0.05;r=-0.445, P<0.05;r=-0.500, P<0.05;r=-0.453, P<0.05),Aquisphaera、Exiguobacterium、Cyanobium_PCC-6307和NH4+-N具有顯著相關(guān)性(r=0.422, P<0.05;r=-0.536, P<0.05;r=-0.468, P<0.05)(圖6)。

2.3.5? ?基于FAPROTAX的菌群功能預(yù)測? ?利用FAPROTAX對菌群功能類型進行注釋,結(jié)果顯示,底泥菌群功能類型占比較高的為甲烷生成、化能異養(yǎng)、氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷、葉綠體固氮功能、二氧化碳還原的甲烷生成、暗氫氧化、鐵呼吸和發(fā)酵,水體菌群功能類型占比較高的為化能異養(yǎng)、需氧化能異養(yǎng)、葉綠體固氮功能、甲基營養(yǎng)、發(fā)酵和碳氫化合物降解(圖7)。

3? ?討論

由于羅非魚生長速度快,本研究設(shè)置的最大養(yǎng)殖密度為廣西三江地區(qū)傳統(tǒng)稻鯉養(yǎng)殖密度的3倍,但產(chǎn)量是鯉單養(yǎng)產(chǎn)量的3.3倍,達到752 kg/hm2(莫潔琳等,2019)。在孟加拉國,稻田羅非魚的產(chǎn)量為200~400 kg/hm2(Frei & Becker,2005; Frei et al,2007);在越南,稻田羅非魚的產(chǎn)量為291~374 kg/hm2(Vromant et al,2002)。本研究混養(yǎng)組產(chǎn)量高于前人報道的稻田養(yǎng)殖羅非魚,且羅非魚混養(yǎng)并未影響傳統(tǒng)金邊鯉的產(chǎn)量,驗證了該模式在我國廣西三江地區(qū)的可行性。

由于羅非魚對底層水的擾動作用,羅非魚混養(yǎng)還能改善底泥的環(huán)境質(zhì)量。本試驗結(jié)果顯示,稻田底泥TN和NO3--N的含量跟羅非魚的放養(yǎng)密度有關(guān),放養(yǎng)密度較小的 C 組和金邊鯉單養(yǎng)組與放養(yǎng)密度較大的 A、B 組差異明顯。

高通量測序結(jié)果發(fā)現(xiàn),變形菌門和放線菌門是種養(yǎng)系統(tǒng)水體中的優(yōu)勢菌門,而底泥中相對豐度最高的菌門為變形菌門和綠彎菌門,這和前人對稻田環(huán)境菌群的研究結(jié)果一致(黃錦等,2020; 聶志娟等,2020; 王曉彤等,2021; Wang et al,2021)。在屬水平上,底泥中Methanobacterium、Rhodomicrobium、Geobacter、Aquisphaera為主要菌屬。其中Methanobacterium、Rhodomicrobium和Geobacter屬細菌是稻田中的主要固氮菌(Magingo & Stumm,1991; 戴相林,2020)。Aurantimicrobium、Polynucleobacter、分枝桿菌屬、Pseudarcicella、Clostridium_sensu_stricto_1、Sediminibacterium為稻田水體中的主要菌屬。研究表明,Polynucleobacter屬是淡水環(huán)境中的一個常見菌屬(Hahn et al,2011),這類寡營養(yǎng)超微生物專門利用腐殖物質(zhì)的光氧化產(chǎn)物,并能夠?qū)⒐庾鳛槟茉础4送?,該屬的另一個重要特征是它往往不參與水華的發(fā)生,因此被認為是水質(zhì)良好的指示物種(Hahn et al,2012; Salcher,2014)。本研究發(fā)現(xiàn)了這個菌屬的相對豐度和稻田水體中的TP含量和底泥中的NO3--N含量呈負相關(guān),且該菌屬的相對豐度在鯉單養(yǎng)組中最低,表明羅非魚混養(yǎng)對廣西三江傳統(tǒng)稻漁綜合種養(yǎng)環(huán)境的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有益的影響。Pseudarcicella屬細菌被認為是湖泊水質(zhì)良好的指示菌(Guo et al,2021),本研究也發(fā)現(xiàn)其相對豐度和稻田水體中的TP含量和底泥中的NO3--N含量呈負相關(guān)。

細菌在稻田生態(tài)系統(tǒng)中起著非常重要的作用。研究稻田水體和底泥菌群的生態(tài)功能,有助于理解細菌群落的作用。稻田是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中甲烷的主要排放源之一,其中甲烷氧化菌的氧化作用是稻田產(chǎn)生甲烷的途徑之一(賈仲君和蔡祖聰,2003)。本研究發(fā)現(xiàn),具有甲烷產(chǎn)生功能的菌群是底泥的主要功能菌群,而水體中的主要功能菌群為化能異養(yǎng)型?;墚愷B(yǎng)菌可消化分解養(yǎng)殖廢水中的有機物,對于生態(tài)系統(tǒng)中的有機物質(zhì)循環(huán)至關(guān)重要(Kampfer et al,1993),這種功能菌群也是人工濕地系統(tǒng)水體中的主要功能菌群(王飛鵬等,2022)。Purkamo等(2020)報道與化能異養(yǎng)功能和有氧化能異養(yǎng)功能相關(guān)的菌群包括變形菌門、放線菌門和厚壁菌門,這幾個菌門也是本研究稻田水體的主要菌門。

本研究將羅非魚按照不同密度和金邊鯉混養(yǎng),研究了羅非魚混養(yǎng)對廣西三江傳統(tǒng)稻鯉綜合種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境及其菌群多樣性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),羅非魚混養(yǎng)并未影響金邊鯉的生長,且有益于稻田環(huán)境及其菌群結(jié)構(gòu);并首次報道了種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境的菌群結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)具有甲烷產(chǎn)生功能和化能異養(yǎng)功能的菌群是該系統(tǒng)水體和底泥的主要功能菌群。

參考文獻

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(責任編輯? ?熊美華)

收稿日期:2022-02-22? ? ? 修回日期:2023-09-05

基金項目:財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項目(CARS-46);中國水產(chǎn)科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項(2021ZX04);國家重點研發(fā)計劃(2020YFD0900302)。

作者簡介:王淼,1984年生,女,副研究員,水產(chǎn)養(yǎng)殖專業(yè)。E-mail:miaowfly@163.com

通信作者:盧邁新,男,研究員。 E-mail:mx-lu@163.com

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羅非魚 年總產(chǎn)量全國第三位
川明參輪作對煙地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
多穗柯轉(zhuǎn)錄組分析及黃酮類化合物合成相關(guān)基因的挖掘
人參根際真菌群落多樣性及組成的變化
LncRNAs作為miRNA的靶模擬物調(diào)節(jié)miRNA
底泥吸附水體中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮研究進展
冪律流底泥的質(zhì)量輸移和流場
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