牡蛎壳滤料对凡纳滨对虾养殖系统水质和微生物群落结构的影响

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凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)是全球范围内重要的水产养殖品种,然而近年来养殖环境恶化、病害频发,严重影响了对虾养殖业的健康发展。生物膜法应用到水产中可以去除水体有毒的氨氮和亚硝酸盐,减少养殖换水量并降低从外源引入病原的风险,是解决传统养殖体系各种风险问题的有效措施。在众多生物膜滤料中,牡蛎壳(Crassostrea gigas)因其化学性稳定、比表面积大、来源广、价格低廉等成为了理想的生物膜滤料,可以用于对虾养殖系统调控水质。牡蛎壳生物膜微生物在净化养殖水质中发挥重要作用,然而其中的微生物群落结构仍不清楚。基于此,本研究将牡蛎壳滤料应用到凡纳滨对虾成虾和育苗养殖系统中,形成了稳定的生物膜,利用高通量测序技术,研究了牡蛎壳添加对养殖水体以及仔虾虾体微生物群落的影响,并利用PICRUSt2功能预测技术,揭示了牡蛎壳添加对养殖体系中氮磷等元素代谢的潜在影响,主要研究结果如下:(1)牡蛎壳原位添加(1.5%养殖水体容积)调控对虾成虾养殖实验中,牡蛎壳添加显著降低了养殖水体中氨氮、亚硝酸盐和叶绿素a,牡蛎壳组对虾存活率达到97.2%,显著高于对照组的92.5%。牡蛎壳原位调控下水体α-变形杆菌的相对丰度显着增加,而放线菌、δ-变形杆菌和蓝细菌的相对丰度则显著降低;水温、盐度、亚硝酸盐和磷酸盐含量是驱动水体细菌群落变化的最重要的物理因素。在构建的共现网络中,牡蛎壳组水体细菌群落共现网络包含361个节点及2639条边,其中心性和中介中心性值均显著高于对照组,而接近中心性值显著低于对照组;对照组和牡蛎壳组的共现网络主要由黄杆菌科和红杆菌科构成。群落构建机制的中性模型分析发现,牡蛎壳组和对照组中符合中性模型的OTUs分别占84.5%和85.5%,中性过程主导养殖水体细菌群落的构建。(2)添加不同容量牡蛎壳(2处理组,1%和2%养殖水体容积)调控对虾育苗实验中,添加牡蛎壳显著降低了对虾育苗水体中氨氮、亚硝酸盐的含量,提高了仔虾的存活率,且2%牡蛎壳添加优于1%牡蛎壳组。牡蛎壳添加提高了水体细菌的多样性,显著改变了水体细菌群落结构,主要提高了黄杆菌科、盐单胞菌科等相对丰度。构建共现网络发现,牡蛎壳生物膜细菌群落网络复杂性显著高于其对应的水体,同时牡蛎壳提高了水体细菌群落共现网络复杂性。通过中性模型分析微生物群落构建机制,发现牡蛎壳添加降低了中性过程在育苗水体细菌群落构建中的作用,对照组、1%牡蛎壳组、2%牡蛎壳组水体细菌群落中性分布OTUs的占比分别为86.3%、79.2%和79.0%;但2%牡蛎壳组仔虾细菌群落中为76.9%,高于对照组的73.8%。(3)成虾养殖水体细菌群落中氮代谢主要的功能基因是NADH脱氢酶、NADH醌氧化还原酶和反硝化过程编码的基因;磷代谢主要的功能基因为GAPDH、his C、pls C和ppx-gpp A。对虾育苗实验水体细菌群落中氮代谢的关键基因为亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶编码的基因;磷代谢相关的功能基因是GAPDH、his C、thi E、pls C和ppx-gpp A。添加牡蛎壳对成虾养殖水体和育苗水体细菌群落氮代谢中的反硝化过程、亚硝酸盐同化过程和硝酸盐同化及异化还原过程具有显著影响,并推动氮和磷代谢相关功能基因的演替。育苗实验牡蛎壳微生物膜中的细菌群落氮代谢的关键基因为亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶编码的基因;磷代谢主要的功能基因为GAPDH、his C、pls C、ppx-gpp A和pst S。牡蛎壳的添加量对育苗实验牡蛎壳微生物膜中细菌群落氮代谢的反硝化过程和亚硝酸盐异化还原过程具有显著影响,环境因子的变化推动氮和磷代谢相关功能基因的演替过程。综上,本研究证实通过牡蛎壳滤料原位添加,可显著影响对虾生长及养殖体系水质状况,进一步探究了牡蛎壳添加后,牡蛎壳生物膜、水体及对虾微生物群落的发展演替规律,解析了水体理化因子-牡蛎壳生物膜微生物群落-水体微生物群落-虾体微生物群落-对虾生长之间的关系,对揭示牡蛎壳调控对虾养殖环境的作用及微生物机制具有重要帮助,对未来将牡蛎壳广泛应用于从育苗到成虾的全周期养殖提供了科学依据。此外,利用PICRUSt2功能基因预测技术,进一步揭示了氮、磷代谢相关功能潜力的变化及主要影响因素,对阐明牡蛎壳原位添加对对虾养殖系统的微生物群落结构影响具有重要意义。
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