养殖场沉积物中微生物群落如何响应污染时间地点变化？| 微生物专题
发表时间：2022.02.01
发表期刊：science of the total environment
（IF 9.963）
研究对象：养殖场沉积物微生物群
研究方法：16S rRNA基因测序
中国是最繁荣的水产养殖国家，占全球水产产量的70%以上，水产品给全世界数百万人带来了巨大的经济效益和收入。
然而，养殖过程中饲料中的营养物质不能被养殖动物完全吸收，因此在池塘及周围互通沟渠中的沉淀物中会有大量营养物积累。
沉积物中的营养物质主要由其中的微生物进行分解并降解有毒金属，因此沉积物微生物群落对于鱼类健康以及养殖场的生态循环具有重要的作用。
目前关于微生物群落对养殖场及其相连的沟壑系统变化的响应尚不清楚，在本文中作者在一个具有30年历史的养殖场中不同地点收集了61个沉积物微生物样本并进行二代测序。
实验结果发现微生物多样性与沉积物中的氮、磷浓度呈负相关。
养殖池塘中的微生物多样性比养殖沟渠中的更稳定；相对丰度较低的微生物属可能成为沉积物生态系统中微生物群落的关键类群。
本研究中使用的养殖场位于中国江苏省，已运营约30年。研究人员从11个采样点（池塘1号、4-6号和11号；水沟2号、3号和7-10号）的不同深度分别采集了三份沉积物样品后彻底混合并分为两部分。
其中一部分放入50 mL无菌离心管中，密封，并在-80°C下储存，以进行进一步的16S rRNA分析。另一部分经空气干燥后经过100目筛网以去除植物残留物和碎屑，研磨剩余部分以测定沉积物中的重金属、总磷（mg P/kg）和总氮（gN/kg）的浓度。
从相应沉积物采样点的表面采集水样。水样在3-5°C下储存前用1%硝酸固定，然后立即送往实验室，并测定CODcr、NH4+、TN和TP的浓度。
采样地点
1. 地表水和沉积物样品的物理化学特征
为了更好地了解养殖场营养物质在时间和空间上的变化，研究人员记录了不同采样时间采样地点的地表水样本的特征，如温度、溶解氧（mgO2/L）、CODcr（mgCOD/L）、NH4+-N（mgN/L）、总氮（mgN/L）,15N/L）和TP（mgP/L）等参数。
采样点的温度取决于采样的季节，最高温度（29.4±3.1°C）出现在2018年8月，而最低温度（4.8±0.8°C）出现在2019年1月。
溶解氧和总磷量的平均浓度波动幅度较小，表明这两个特征对季节变化或鱼类养殖过程不敏感。
图1 采样期间的水体样本特征
除了时间上的变化之外，地表水特征在空间上也呈现出一些变化差异。如图2所示，2018年11月CODcr、NH4+、TN和TP的浓度表现出不同的空间特征。
池塘中的养分浓度高于周围沟渠中的浓度，表明这些养分在池塘中积累并转移到周围沟渠中。
同时，作为排水沟，2号沟渠的CODcr（712 mg COD/L）、NH4+（5.9 mg N/L）、TN（14.4 mg N/L）和TP（3.4 mg P/L）浓度高于其他池塘或沟渠（1号池塘和7号沟渠除外）。
这表明多余的养分通过水流转移，最终在2号沟渠汇合。这条排水沟中的高浓度营养物质可能已导致邻近的水源受到污染和富营养化。
地表水中营养物质的时间和空间浓度变化可能会对沉积物中的营养物质水平和微生物群落产生重大影响。
因此，营养素与微生物群落之间的关系需要进一步研究探讨。
图2 采样期间地表水样特征的空间变化
2. 微生物群落的多样性、丰富度和组成
对61个沉积物样本中的微生物群落分析发现变形菌门（平均丰度为36.33%）是所有沉积物样品中的主要细菌。
在2018年4月和2018年6月，即鱼塘准备期，观察到变形菌门的平均相对丰度最高，分别为39.35%和39.82%。
另外2018年11月（成熟期）观察到类杆菌门的相对丰度（26.32%），而2018年8月（中期）观察到类杆菌门的平均相对丰度最高（17.02%）。这些结果证明了季节和培养阶段对微生物群落组成的影响。
同时，沟渠沉积物中变形菌门的平均相对丰度在所有季节都高于池塘沉积物中的平均相对丰度。
与门水平相比，属水平的聚类分析呈现出不同的相似性，表明微生物属水平的数据比门水平的数据更复杂。
图3 沉积物样品微生物的门和属
3. 环境因子和沉积微生物的RDA模型分析
通过RDA模型计算分析微生物群落与营养物质时空变化之间的相关性。ACE、Chao1、Shannon和Simpson指数与覆盖率呈强正相关，而与覆盖率呈负相关。
CODcr、NH4+-N、TN和TP的浓度呈强正相关，与黄杆菌、地杆菌、脱氯单胞菌和硫杆菌的丰度呈正相关。
然而，沉积物中TN和TP的浓度与上述细菌呈负相关，表明这些细菌的代谢在沉积物中TN和TP的同化过程中起着关键作用。沉积物中TP的浓度与reads 读数呈负相关。
同时，沉积物中TN和TP的浓度也与ACE和Chao 1呈负相关。这些结果表明增加微生物多样性有助于促进水体和沉积物中营养物质的降解。
图4
所有沉积物样品中关键微生物群落和重金属间的RAD分析结果如图5所示。水产养殖池塘和沟渠中的所有沉积物样本，RDA轴的前两个轴占总变化的20.2%，RDA轴1占总变化的10.8%。Cr浓度与类杆菌的相对丰度呈负相关。
亚硝基假丝酵母的相对丰度与铅和汞的浓度呈显著正相关。除重金属外，不同微生物种类的相对丰度也表现出很强的相关性。
图5
为了进一步探索特定地点沉积物的差异，研究人员分别分析了养殖池塘和沟渠的沉积物中关键微生物群落与重金属的相关性。
由于池塘和沟渠沉积物的污染程度不同，特定地点的微生物群落与重金属之间的相关性存在差异。池底沉积物中的亚硝基假丝酵母与铅呈极显著正相关。
然而，沟渠沉积物中的硝基假丝酵母对汞（正相关）和pH值（强负相关）更为敏感。
沟渠中的拟杆菌门与砷和汞呈正相关，与铬呈负相关。这些不同的相关性表明，沉积物中不同重金属的累积水平可能决定了重金属（富集或抑制）对微生物群落的影响。
4. 通过t-SNE分析重金属与沉积物中的微生物群落聚类
为了进一步了解重金属积累对沉积物微生物群落的影响，采用t-SNE方法识别具有高度相似性的关键沉积物样品。
如图6所示，t-SNE分析仅识别出一个聚类，表明这些沉积物样本的微生物群落和重金属数据具有高度相似性。
同时，t-SNE法中的其他沉积物样品在空间上均匀分布，表明他们不具备内在的一致性。
图6
聚类样本中的锌（84.74-101.87 mg/kg）、铬（97.15-154.66 mg/kg）和镉（0.31-0.39 mg/kg）浓度高于所有沉积物样本中的锌（43.48 mg/kg）、铬（43.48 mg/kg）和镉（0.09 mg/kg）的平均浓度。
然而，这些集群样本中的铅（15.98-21.62 mg/kg）和汞（0.054-0.154 ug/kg）浓度低于所有沉积物样本中的铅（22.26 mg/kg）和汞（15.13 ug/kg）平均浓度。高浓度的锌、铬和镉，以及低浓度的铅和汞导致类杆菌（9.1%-16.7%）、氯屈曲菌（10.2%-21.2%）和变形菌（31.2%-48.5%）的富集。
从2018年4月至2018年8月，这些采样点的锌和铬浓度呈现相同的上升趋势，而汞浓度显著下降。随着锌、铬和汞含量的变化，所有沉积物样品中的假丝酵母都呈下降趋势。
这些结果与RDA分析相一致，其中硝基假丝酵母（变形菌门）的相对丰度与汞浓度呈正相关。在整个采样期间，氯弯藻门的相对丰度相对稳定，RDA分析结果也显示氯屈曲的相对丰度与这些重金属无关。
然而，氯屈曲的相对丰度与变形杆菌门的相对丰度呈强负相关。此外，拟杆菌门的相对丰度与黄杆菌门的丰度呈强正相关，与铬浓度呈负相关。
这些结果可能解释了2018年11月6号池塘、3号池塘、8号池塘和9号沟渠中类杆菌的相对丰度急剧增加。
本项研究证实了沉积物微生物群落的时间和地点特异性组成。了解特定地点条件对水生和沉积物环境中微生物群落组成的影响对于水产养殖系统中的微生物调控和污染修复至关重要。
图7
本研究在一年时间中分析了相互连通的水产养殖池塘和沟渠中沉积物微生物群落的时空变化。
研究结果表明，在水产养殖沉积物中，变形菌、拟杆菌和氯屈曲菌是最丰富的门。
CODcr、NH4+-N、TN和TP的浓度与黄杆菌、地杆菌、脱氯单胞菌和硫杆菌的丰度呈正相关，沉积物中总氮和总磷的浓度与这些细菌呈负相关。
网络分析从时空变化的角度进一步揭示了沉积物微生物之间的内在联系。本文揭示了水产养殖沉积物中微生物群落的多样性和组成，这为水产养殖生态系统中微生物群落的调节提供了基础。
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