李天才，趙晴云，江 瑞，付 梅，蘇勝齊*

(1.西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，重慶 400700；2.西南大學(xué)漁業(yè)資源環(huán)境研究中心，重慶 400700；3.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

【研究意義】隨著漁業(yè)養(yǎng)殖集約化程度的不斷提升，高密度投飼精養(yǎng)池塘中殘餌糞便在塘泥中持續(xù)累積使得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷升高[1-2]，最終造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、氨氮中毒、疾病爆發(fā)等系列養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)健康問(wèn)題也越來(lái)越顯著[3]。采用藥物對(duì)塘泥進(jìn)行改良、改造只是暫時(shí)性措施，生態(tài)調(diào)節(jié)才是解決問(wèn)題的可持續(xù)手段。因此，研究池塘生態(tài)系統(tǒng)中塘泥微生物群落特征具有非常重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】塘泥微生物不僅是池塘生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，也是生態(tài)修復(fù)的功能菌庫(kù)[4]，其在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程可消耗有機(jī)質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生的多種酶是有機(jī)質(zhì)分解的催化劑[5]，甚至可直接同化或降解有毒、有害物質(zhì)[6]。塘泥微生物雖對(duì)環(huán)境修復(fù)有積極作用，但也常常是水產(chǎn)品的病原菌或條件致病原庫(kù)[4]，甚至部分種類(lèi)會(huì)直接降低水產(chǎn)品品質(zhì)[7]，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中占據(jù)著特殊的地位。紫色土形態(tài)獨(dú)特，肥力豐富，是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)土壤資源[8]。四川盆地集中分布著我國(guó)51.53 %面積的紫色土[8]，其中四川盆地中的川渝地區(qū)是我國(guó)重要的池塘養(yǎng)殖區(qū)域，池塘的建造基本以紫色土為基礎(chǔ)。目前關(guān)于紫色土的研究多集中于肥力、水土保持等方面[9-11]，而對(duì)紫色土池塘生態(tài)系統(tǒng)的研究目前較少。【本研究切入點(diǎn)】本試驗(yàn)以蓬萊鎮(zhèn)組微堿性紫色土為底質(zhì)模擬紫色土池塘養(yǎng)殖過(guò)程，測(cè)定春、夏和秋季塘泥環(huán)境因子，鑒定塘泥微生物種類(lèi)，旨在解析紫色土塘泥微生物群落特征及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為紫色土池塘“泥—水”相調(diào)控提供依據(jù)和指導(dǎo)，同時(shí)為深入開(kāi)展不同紫色土的宜漁性評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)造

試驗(yàn)用紫色土取自大足區(qū)重慶市大足區(qū)(N 29.7264°，E 105.9689°)，分類(lèi)上屬蓬萊鎮(zhèn)組(J3s)，取土?xí)r將表層土壤刨去，挖取風(fēng)化而未經(jīng)耕作的0～20 cm土壤。把50 kg紫色土轉(zhuǎn)入不透明水族缸(豎切面為梯形，r1= 30 cm，r2= 40 cm，h=80 cm)中，加入曝氣自來(lái)水，土水比為1∶5[12]，土層厚12 cm[13]，覆水60 cm。每缸放養(yǎng)全長(zhǎng)(69.7±1.2) mm的湘云鯽7尾[14][尾均重為(9.57±0.08) g]，每天投喂3 %體重飼料，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，水族缸充氧，每月22日換水1/3。系統(tǒng)設(shè)置在室外有頂通風(fēng)平臺(tái)下。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間為2016年4月10日至9月22日，為期160 d，分別于5月22日、7月22日、9月22日使用柱狀采泥器收集塘泥樣本，將原始紫色土和試驗(yàn)收集的3組樣品分別編號(hào)為S0、春、夏和秋。

1.2 塘泥環(huán)境因子測(cè)定方法[15]

溫度：每天傍晚直接用溫度計(jì)測(cè)定塘泥溫度；pH：水土比為2.5∶1混合后使用phs-3c型pH計(jì)測(cè)量；氧化還原電位(O.R.P)：塘泥樣本取出后迅速用O.R.P計(jì)直接測(cè)量。

取回的塘泥先陰干，之后進(jìn)行碾磨并過(guò)0.25 mm篩網(wǎng)，收集100 g塘泥粉末用于測(cè)定營(yíng)養(yǎng)成分。有機(jī)質(zhì)、TN、TP、TK分別采用重鉻酸鉀法、重鉻酸鉀-硫酸消化法、氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法、火焰光度法進(jìn)行測(cè)定。

1.3 塘泥微生物培養(yǎng)與鑒定方法

微生物(指好氧或兼性厭氧微生物，下同)培養(yǎng)：挑取0.5 g塘泥37 ℃溶解于0.9 % NaCl溶液中制成2.5·10-4g/mL塘泥混合液，吸取0.5 mL混合液涂布于LB培養(yǎng)基上[16]，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，37 ℃無(wú)光培養(yǎng)24 h后統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)n[17]。

微生物總DNA提取[18]：稱(chēng)取1 g土樣與提取液于5 mL離心管中渦旋混合，之后迅速至于-81 ℃冷凍30 min，取出并65 ℃水浴融化，如此反復(fù)進(jìn)行裂解3～5次；加入8 μl蛋白酶K(25 mg/mL)，于37 ℃搖床上震蕩30 min(225 r/min)；加入1.5 mLSDS(200 g/L)，65 ℃水浴2 h，每15 min左右顛倒混勻；微微離心(20 g，20 s)后將液相轉(zhuǎn)入新的5 mL離心管中繼續(xù)室溫離心10 min(6000 g)；土樣繼續(xù)加入提取液和0.5 mL SDS，渦旋混合后65 ℃水浴10 min，接著室溫離心20 min(6000 g)，上清液與前次上清液合并；上清液加入等體積氯仿-異戊醇(24∶1)進(jìn)行抽提，之后室溫離心5 min(6000 g)；將液相轉(zhuǎn)入1.5 mL離心管中，加入0.6體積異丙醇后室溫沉積1 h，之后再進(jìn)行室溫離心10 min(10 000 g)收集核酸；用冷的700 mL/L乙醇洗滌沉淀，吹干，溶于50 μl滅菌超純水中， -20 ℃保存。

PCR[16]：于冰上向PCR管中加入40.5 μl去離子水、5 μl 10×PCR反應(yīng)緩沖液、1 μl模板、1 μl核酸、2 μl上下游引物(V3V4引物：341F 5′-CCTAYGGGRBGCASCAG-3′,806R 5′-GGACNNGGGTATCTA AT-3′)、0.5 μlTaq-DNA聚合酶后渦旋混合；設(shè)置94 ℃預(yù)變性2 min，97 ℃變性1 min，50 ℃退火1 min，72 ℃延伸 1 min，30輪循環(huán)，最后1循環(huán)結(jié)束后72 ℃延伸10 min。

檢測(cè)條帶：取10 μl擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，若無(wú)條帶則調(diào)節(jié)PCR反應(yīng)條件或再次提取微生物總DNA，直至檢測(cè)出現(xiàn)條帶。

高通量測(cè)序：樣品委托深圳市恒創(chuàng)基因科技有限公司代為進(jìn)行高通量測(cè)序(Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái))工作。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

微生物密度公式C=8n×103cfu/g使用SPSS19.0軟件對(duì)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan多重比較法檢驗(yàn)組間差異，設(shè)置重復(fù)的處理以均值(E±SD)為結(jié)果，在Excel2016軟件中制作圖表；塘泥微生物群落特征與環(huán)境因子之間的關(guān)系使用CANOCO4.5軟件進(jìn)行分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 塘泥環(huán)境因子

由表1可知，塘泥溫度春季最低，夏季最高，總體在19.3～33.4 ℃；塘泥試驗(yàn)初期由堿性快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹行裕蟠?、夏、秋季均穩(wěn)定在7.09～7.20；塘泥O.R.P持續(xù)升高，但始終保持強(qiáng)還原性；塘泥有機(jī)質(zhì)、TN、TP、TK等營(yíng)養(yǎng)成分含量均呈升高趨勢(shì)。綜合比較，夏、秋季塘泥環(huán)境因子數(shù)值相近，與春季差異較大。

2.2 塘泥微生物群落特征季節(jié)變化

2.2.1 塘泥微生物群落多樣性季節(jié)變化 由表2可知，春季塘泥微生物密度顯著高于夏季和秋季(P<0.05)，分別為2.954×106、1.587×106和1.504×106cfu/g；春、夏、秋季3次取樣過(guò)程中，塘泥Shannon、Chao和Observed species等群落多樣性指數(shù)均持續(xù)升高，而塘泥Simpson Index和Pielou Index多樣性指數(shù)夏季均為最低，但均接近于1。

2.2.2 塘泥中微生物門(mén)類(lèi)季節(jié)變化 經(jīng)取樣測(cè)序分析，春、夏、秋季塘泥中分別包括33、42、41門(mén)微生物，共歸屬44門(mén)，其平均豐度前15的門(mén)類(lèi)占總微生物比例超過(guò)94.0 %。由圖1可知，在春、夏、秋季塘泥中變形菌門(mén)和擬桿菌門(mén)均為優(yōu)勢(shì)門(mén)類(lèi)；酸桿菌門(mén)、梭菌、厚壁菌門(mén)和疣微菌門(mén)均為大量(大于1 %)微生物門(mén)類(lèi)；綠彎菌門(mén)、Elusimicrobia、螺旋體、Latescibacteria、芽單胞菌門(mén)和纖維桿菌門(mén)等微生物門(mén)類(lèi)在各季節(jié)豐度變化幅度較大；Saccharibacteria、硝化螺旋菌門(mén)和放線(xiàn)菌等3個(gè)微生物門(mén)類(lèi)在各季節(jié)豐度均低于1.0 %。不同季節(jié)塘泥中優(yōu)勢(shì)和大量微生物門(mén)類(lèi)相似。

2.2.3 塘泥中豐富前10微生物屬季節(jié)變化 對(duì)春、夏、秋3個(gè)樣本中塘泥微生物進(jìn)行屬級(jí)統(tǒng)計(jì)分析，并將不同季度占比前10的屬繪制成圖2。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)樣本中共檢測(cè)到2783種微生物(OUTs)，其中大多數(shù)為尚未定義或研究的類(lèi)群，可分類(lèi)到屬的共有323屬，可分類(lèi)到種的共有76種。由圖2可知，不同季度占比前10的屬共包括16個(gè)屬；未培養(yǎng)的腐螺旋菌科、噬氫菌屬、Draconibacteriaceae-uncultured和未培養(yǎng)的芽單胞菌科在春、夏、秋季占比均在前10之列；2個(gè)季節(jié)中占比均在前10之列的屬數(shù)量：春季和夏季有5個(gè)、春季和秋季有6個(gè)、夏季和秋季有8個(gè)。不同季節(jié)塘泥中占比前10的微生物屬差異明顯，相同的屬在不同季節(jié)占比也十分不同。

表1 塘泥環(huán)境因子季節(jié)變化

表2 塘泥微生物群落多樣性季節(jié)變化

圖1 塘泥中微生物門(mén)類(lèi)季節(jié)變化(%)Fig.1 Accounted for the phylum taxa abundance of the pond mud in different season at phylum level

2.2.4 塘泥中功能微生物季節(jié)變化 在池塘養(yǎng)殖過(guò)程中，許多微生物對(duì)漁業(yè)生產(chǎn)有其獨(dú)特的功能和作用，于生產(chǎn)有利的可歸為益生菌，而不利的則可歸為有害菌。由表3可知，春、夏、秋季塘泥中出現(xiàn)益生菌包括硝化菌和放線(xiàn)菌，有害菌包括黃桿菌、腸桿菌、氣單胞菌和假單胞菌；硝化菌和放線(xiàn)菌在春、夏、秋季塘泥中均有一定豐度，夏季塘泥中兩種益生菌占比均為最高，春季均最低；春季塘泥中4種有害菌占比均大于0.01 %，夏季塘泥中前3種有害菌占比大于0.01 %，秋季塘泥中僅有黃桿菌和氣單胞菌占比大于0.01 %。

對(duì)主要微生物屬編號(hào)，以便下文RDA分析作圖Numbered the main genus for RDA analysis and plotting圖2 塘泥中主要微生物屬比例季節(jié)變化(%)Fig.2 Accounted for the genus taxa abundance of the pond mud in different season at genus level

2.3 塘泥微生物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

在復(fù)雜情況下，微生物種群與多個(gè)環(huán)境因子之間的關(guān)系常使用Canoco軟件進(jìn)行多元統(tǒng)計(jì)分析，該軟件可以對(duì)環(huán)境因子和群落信息進(jìn)行綜合分析并分別指出它們間的相互關(guān)系[19]。

2.3.1 塘泥微生物群落多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系 由圖1可知(Lengths of gradient<3)，微生物密度與塘泥環(huán)境因子均呈負(fù)相關(guān)性，O.R.P、SOM、TN和AP與微生物群落多樣性呈較強(qiáng)的相關(guān)性，其它環(huán)境因子則較弱。由Canoco分析數(shù)據(jù)表明，僅SOM(-0.90)、TP(-0.87)和AP(-0.94)與第一排序軸相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值大于0.85，即在春、夏、秋季中塘泥SOM、TP和AP是影響微生物群落多樣性的主要環(huán)境因子，且與微生物密度呈顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)。

2.3.2 塘泥中微生物與環(huán)境因子的關(guān)系 由圖2可知(Lengths of gradient<3)，春、夏、秋季分別位于3個(gè)象限且距離較遠(yuǎn)，表明塘泥微生物群落季節(jié)差異十分明顯，而夏和秋季距離相對(duì)最近即塘泥微生物群落結(jié)構(gòu)相似性相對(duì)較高。從Canoco分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，僅T(0.87)、pH(0.89)和AP(0.86)與第一排序軸相關(guān)性系數(shù)絕對(duì)值大于0.85，即在春、夏、秋季中塘泥T、pH和AP是影響群落中豐度較高微生物分布的主要環(huán)境因子，而不同微生物與主要環(huán)境因子關(guān)系各有不同，總體上顯著負(fù)相關(guān)的微生物種類(lèi)較多(Fluviicola、噬氫菌屬、Fluviicoccus、Lacibacter和env.OPS17，P<0.05)，顯著正相關(guān)的微生物種類(lèi)較少(Hados.Sed.Eubac.3和硝化螺菌屬，P<0.05)。在春、夏、秋季中益生菌均與環(huán)境因子呈正相關(guān)性，有害菌中除腸桿菌屬與環(huán)境因子呈正相關(guān)性外，其它3種均與環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)性，且與主要環(huán)境因子顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。益生菌與夏季距離最短，與春季距離最長(zhǎng)，表明夏季益生菌豐度較高，春季最低；總體上有害菌與春季距離最小，即春季有害菌豐度最高。

表3 塘泥中功能微生物比例季節(jié)變化

圖3 塘泥微生物群落多樣性與環(huán)境因子RDA分析Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of seasonal variations of the microbial community diversity index with environmental factors

3 討論與結(jié)論

塘泥中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來(lái)自沉積和化能自養(yǎng)生物合成，而在養(yǎng)殖池塘中投飼殘餌、水產(chǎn)品排泄物和生物體沉積更為顯著，這是導(dǎo)致池塘塘泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷增加的主要原因[20-21]。試驗(yàn)中，春夏季期間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)劇增，而夏秋季變化不顯著，這可能是因?yàn)榇合钠陂g氣溫低且變化幅度大，魚(yú)攝食不積極且塘泥微生物和相關(guān)分解酶活性相對(duì)較低，導(dǎo)致殘餌大量沉積，而夏秋期間則氣溫較高，魚(yú)攝食積極且微生物和相關(guān)酶活性較高，使得沉積物變化不顯著。水體有機(jī)質(zhì)分解會(huì)大量消耗塘泥間隙和底層水的溶解氧，致使塘泥和底層水轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醯倪€原環(huán)境，在這種條件下有機(jī)質(zhì)分解往往產(chǎn)生有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸，導(dǎo)致塘泥酸化，pH降低[13]。故而在養(yǎng)殖過(guò)程中，養(yǎng)殖戶(hù)常向池塘投放生石灰以調(diào)節(jié)酸堿度。張金宗等[22]在研究廣東增城的池塘發(fā)現(xiàn)塘泥厚度以年均10～15 cm速度升高，這部分新增的淤泥含大量養(yǎng)殖殘餌、營(yíng)養(yǎng)成分豐富，可在清塘過(guò)程中將此收集、曬(烘)干并加工成有機(jī)肥料[23]。

塘泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化受微生物及其分泌酶的影響，而微生物群落結(jié)構(gòu)也受到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在內(nèi)的環(huán)境因子的作用，通常微生物生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需要求始終趨向于較高的C、N、P含量[24]。這與試驗(yàn)中Shannon、Chao、Observed species等多樣性指數(shù)均隨塘泥有機(jī)質(zhì)含量增大而升高現(xiàn)象相符。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境因子中SOM、TP和AP對(duì)塘泥微生物群落多樣性綜合影響達(dá)到顯著，即在紫色土池塘中SOM、TP和AP是塘泥微生物群落多樣性的主要環(huán)境影響因子。試驗(yàn)中培養(yǎng)的微生物密度逐季下降，即好氧或兼性微生物在塘泥中漸漸消亡，這表征出塘泥間隙和底層水環(huán)境中氧氣越來(lái)越低。所以在養(yǎng)殖過(guò)程中需注意天氣變化導(dǎo)致水層對(duì)流，避免底層水上升導(dǎo)致魚(yú)缺氧或中毒。主要及功能微生物屬與環(huán)境因子冗余分析發(fā)現(xiàn)，塘泥微生物群落差異表現(xiàn)為春季與夏、秋季間明顯，而夏、秋季間趨小，環(huán)境因子差異表現(xiàn)類(lèi)似差異，這充分說(shuō)明環(huán)境因子是微生物群落的影響因素，不同環(huán)境下相同微生物種群的豐度可能不同。本試驗(yàn)表明溫度、pH和AP是影響塘泥主要微生物類(lèi)群和功能微生物的主要因素，但這并不意味該4種環(huán)境因子一定是影響所有微生物的主要因素，同時(shí)其它環(huán)境因子仍然可能是影響某些微生物的主要因素[25]。從圖4可知，其它4種非主要環(huán)境因子與數(shù)種微生物屬之間的相關(guān)性同樣顯著。

圖4 塘泥微生物與環(huán)境因子的RDA分析Fig.4 Redundancy analysis (RDA) of pond mud microbial communities with environmental factors

研究[26-27]表明，硝化螺菌、亞硝化單胞菌和硝化螺旋菌等在底泥中仍可進(jìn)行硝化作用，將氮素轉(zhuǎn)化為易溶解和利用的NO3-N。試驗(yàn)中，硝化細(xì)菌與塘泥中TN含量變化趨勢(shì)一致，可能是與含氮有機(jī)物含量升高引起硝化細(xì)菌大量繁殖并將其氧化分解有關(guān)，這有利于池塘底泥的修復(fù)和緩沖能力的增強(qiáng)。放線(xiàn)菌在漁業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)中可以起到一定的抑制致病微生物滋生和改善水質(zhì)的功能[28-29]。黃桿菌屬包括多種魚(yú)類(lèi)致病細(xì)菌，其中柱狀黃桿菌可使幾乎所有淡水魚(yú)類(lèi)感染柱形病[30]，病魚(yú)將呈現(xiàn)爛鰓、體表潰瘍、組織壞死及鰭條腐爛等癥狀，致死率幾乎達(dá)100 %，具有極高危害性。陳霞等[31]還指出柱狀黃桿菌易致病溫度溫度為25～30 ℃，幾乎完全覆蓋試驗(yàn)過(guò)程中塘泥溫度區(qū)間，這提示紫色土池塘養(yǎng)殖過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)柱狀黃桿菌潛在致病管理。陰溝腸桿菌和阪崎腸桿菌是腸桿菌屬中常見(jiàn)的魚(yú)類(lèi)致病菌，研究指出[32-33]該 2 種微生物也是人畜的致病原，可導(dǎo)致多種嚴(yán)重疾病，故而需對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格管理，避免感染人畜。氣單胞菌屬隸屬于弧菌科，含多種可感染水產(chǎn)品的病原微生物，其中嗜水氣單胞菌、豚鼠氣單胞菌、溫和氣單胞菌等危害尤為顯著，可單獨(dú)或混合造成草魚(yú)腸炎、鰱打印病、鰱白皮病、草魚(yú)爛鰓、鰱出血感染及甲魚(yú)敗血癥等疾病，在預(yù)防和治療過(guò)程中應(yīng)注意精確診斷，聯(lián)合使用預(yù)防治療藥物[34]。銅綠假單胞菌和惡臭假單胞菌是假單胞菌屬在環(huán)境中常見(jiàn)的致病微生物，常造成赤皮病和爛鰓病，而沈錦玉等[35]研究指出惡臭假單胞菌還可造成網(wǎng)箱養(yǎng)殖大黃魚(yú)脾、腎臟出現(xiàn)大量白色結(jié)節(jié)而大面積死亡。以上對(duì)塘泥中功能微生物的分析表明，塘泥微生物既是塘泥生態(tài)修復(fù)功能菌庫(kù)，也是養(yǎng)殖水產(chǎn)品病原庫(kù)。試驗(yàn)中春季塘泥益生菌豐度最低且有害菌豐度最高，所以在利用紫色土建造池塘進(jìn)行養(yǎng)殖時(shí)應(yīng)做好春季疾病預(yù)防工作。