贝-鱼-草生产型湿地沉积物中细菌群落结构特征分析

摘要 ［目的］研究“贝-鱼-草”生产型湿地处理养殖尾水工艺中的细菌群落结构变化特征。［方法］采用Illumina-MiSeq高通量测序技术对湿地不同单元沉积物中的细菌群落结构进行分析。［结果］幼贝高效净化单元和高密度贝类净化单元中的多样性和菌群丰度明显高于其他处理单元。在门水平分类单元上，湿地沉积物中的优势细菌门为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、放线菌门（Actinobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota）。冗余分析发现各单元沉积物中的TP含量是影响细菌群落结构的主要环境因子。［结论］湿地中投放的贝类可以减少沉积物中的氮磷营养盐，并且通过贝类的生物扰动作用可以提高沉积物中细菌群落的多样性和丰富度，研究结果为“贝-鱼-草”生产型湿地处理养殖尾水提供了科学依据。

关键词 养殖尾水；贝-鱼-草生产型湿地；细菌群落结构；生物扰动作用

中图分类号 Q938  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）14-0058-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.14.012

Characterization of Bacterial Community Structure in Sediments of Shellfish-fish-grass Productive Wetlands

GAO Na1，ZHAN Ming-fei2，ZHANG Huan2 et al

（1.Fisheries Research Institute，Anhui Academy of Agricultural Sciences，Key Laboratory of Freshwater Aquaculture and Enhancement of Anhui Province，Hefei，Anhui 230000;2.Anhui Shuiyun Environmental Protection Co.，Ltd.，Wuhu，Anhui 241000）

Abstract ［Objective］To study the bacterial community structure in sediments of “shellfish-fish-grass” productive wetlands.［Method］ The Illumina-MiSeq high-throughput sequencing technology was used to analyze the bacterial community structure in sediments of different units.［Result］ The diversity and richness of the bacterial community were significantly higher in the unit composed of juvenile shellfish and high-density shellfish purification unit than in the other treatment units.Proteobacteria，Chloroflexi，Acidobacteriota，Actinobacteriota and Bacteroidota were the dominant phylum of the bacterial community in the sediments.Redundancy analysis showed that the main driving factors of the change of bacterial community was the total phosphorus.［Conclusion］ The shellfish placed in the wetland can reduce the nitrogen and phosphorus content in the sediment，and the diversity and richness of the bacterial community in the sediment can be improved through the bioturbation of the shellfish，and the results of this study provide a scientific basis for the treatment of aquaculture tailwater in the “shellfish-fish-grass” productive wetlands.

Key words Aquaculture tail water;Shellfish-fish-grass productive wetlands;Bacterial community structure;Bioturbation

基金项目 安徽省重点研究与开发计划项目（2022107020008）；安徽省农业科学院青年英才计划项目（QNYC-202108）；国家现代农业产业技术体系专项（CARS-46）; 安徽省现代农业产业技术体系建设专项（皖农科函〔2021〕711号）。

作者简介 高娜（1989—），女，安徽阜阳人，助理研究员，博士，从事分子微生物学与生物技术研究。*通信作者，副研究员，硕士，从事养殖尾水治理研究。

收稿日期 2023-09-11

水产养殖是全球粮食安全和可持续发展的关键部分，目前，水产养殖鱼类产量占全球鱼类总产量的50%以上，预计在未来10年中这一比例将超过60%［1］。然而高密度的养殖伴随而来的水资源的过度使用、养殖排污、饲料浪费、成本增加等问题［2-4］，使得当下水产养殖业面临量质提升和绿色发展的双重挑战。

2019 年初，十部委共同提出《关于加快推进水产养殖业绿色发展的意见》，其中重点强调了改善养殖环境，推进养殖尾水治理。虽然目前常用的稳定塘和人工湿地等工艺能在一定程度上满足养殖尾水的处理要求，但稳定塘净化系统存在需要较长的水力停留时间以及处理效果受天气制约等缺陷［5］。人工湿地采用土建结构，占地面积大，构建和拆除的过程比较麻烦，且易受季节的影响，处理效率不高［6］。因此，在原有技术基础上迫切需要高效的养殖尾水深度处理技术。

安徽水韵环保股份有限公司发明的“贝-鱼-草”异位高效处理技术是一种以淡水贝类为核心的水质净化技术，它不同于传统的人工湿地净化技术，属于改进型人工湿地净化系统，其污染物削减负荷高于传统人工湿地。湿地中的贝类通过其滤水作用，吸收水体中的微藻和悬浮有机颗粒，还可通过生物扰动作用改变沉积物/水界面的物质交换，进而改变水生态系统环境。

在湿地生态系统中，沉积物是微生物和湿地系统中营养物质循环交换的载体。微生物是自然界物质循环的主要驱动力，在全球碳、氮、硫及其他各种元素的生物地球化学循环过程中起到了关键作用［7］。该研究拟利用高通量测序技术研究湿地表层沉积物中细菌群落组成及分布特征，探讨在不同处理单元中沉积物细菌群落对沉积环境变化的响应，以期为“贝-鱼-草”生产型湿地工艺高效处理养殖尾水提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

该研究采用的工艺流程如图1所示，“贝-鱼-草”生产型湿地占地5 hm2。设计日处理水量为15 000 m3/d，收集周边连片20 hm2的青虾养殖尾水。该工艺模式包括依次连接的“幼贝高效净化单元、鱼菌藻净化单元、营养转化塘1、低密度贝类净化单元、营养转化塘2、高密度贝类净化单元、水下森林”等处理单元。各单元的配置如图1所示。

1.2 沉积物的采集及理化因子分析

2023年4月中旬，分别从幼贝高效净化单元、鱼菌藻净化单元、营养转化塘1、低密度贝类净化单元、营养转化塘2、高密度贝类净化单元采集沉积物样品，命名为S1、S2、S3、S4、S5、S6，每组样品设置3个重复。采集的样品分成2份，一份用于沉积物理化因子测定，一份用于高通量测序分析。沉积物样品自然风干后，参照相关文献［8］进行pH、有机质（OM）、总氮（TN）和总磷（TP）的分析。

1.3 DNA提取及高通量测序

采用FastDNA SPIN Kit for Soil（MP Biomedicals，USA）试剂盒进行沉积物总DNA的提取。使用引物338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）扩增细菌16S rRNA基因的V3～V4高变区。测序得到的原始序列通过拼接、过滤去除非特异性扩增序列及嵌合体后得到有效序列。利用QIIEME软件将相似度>97%的序列定义为一个操作分类单元（OTU），采用RDP classifier对OTU进行物种分类。

1.4 数据分析

使用测序公司提供的在线软件包（Majorbio cloud，https：//cloud.majorbio.com/）进行相关数据分析。利用MOTHUR计算α多样性。细菌群落柱状图用于比较所有样本的细菌群落结构，样本之间的相似性通过主坐标分析（PCoA）来衡量。使用Vegan进行环境因子与细菌群落的冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 不同处理单元中沉积物的理化性质 从表1可以看出，沉积物理化性质指标TN、TP、OM的含量在生产型湿地处理系统中存在空间异质性。鱼菌藻净化单元（S2）沉积物中的TN、TP含量最高，幼贝高效净化单元（S1）沉积物中的TN、TP、OM含量最低。鱼菌藻净化单元中可能由于水生植物残饵及草鱼产生的粪便沉积导致较高浓度的氮磷。与李乾岗等［9］的研究一致，在幼贝高效净化单元中，幼贝的生物扰动作用使得沉积物中相当一部分氮磷释放到了上覆水中，还有一部分氮、磷可能通过贝类自身的吸附作用以及微生物活动从系统中去除。在其他贝类净化单元中，多采用悬浮式贝床系统投放贝类，减少了贝类对沉积物的扰动作用影响。

2.2 细菌群落的多样性与空间分布

在18个沉积物样品中，Illumina MiSeq测序共获得432 630条有效序列，对相似性>97%的序列进行分析，产生的OTU数量见表2。测序的覆盖率大于0.940，在测序条数达到24 000条以上时，Sobs稀释曲线基本趋向平坦（图2），但均未达到饱和，表明测序数据合理，基本能够覆盖样品中的大部分细菌，可能是由于沉积物中环境复杂，其中的物种多样性较高，存在一些未被测序检测到的物种。表2列出了样品的α多样性指数，其中Chao 1指数越大，代表物种种数越多，丰富度越高；Shannon指数越大，说明群落多样性越高。从表2可以看出，幼贝高效净化单元（S1）和高密度贝类净化单元（S6）中的多样性和菌群丰度明显高于其他处理单元，表明贝类的生物扰动作用可能会提高沉积物细菌群落的丰富度和多样性。Papaspyrou等［10］研究发现，2种活动能力不同的沙蚕可以使得其洞穴中

的细菌多样性较周边底泥分别高出1.8和2.3倍。沈辉［11］

研究也发现文蛤和沙蚕扰动组沉积物中的细菌序列数、微生物多样性指数 Chao 1和 Shannon指数均高于空白对照组。营养转化塘的菌群丰度和多样性均较低，可能是由于每周投加的菌藻占据了优势地位，限制了其他微生物的生长。

2.3 细菌群落组成特征

湿地不同单元沉积物中共检测到59个细菌门，所有检测到的细菌门的相对丰度（相对丰度>0.01）如图3所示，沉积物中的优势细菌门分别为变形菌门（Proteobacteria，23.71%）、绿弯菌门（Chloroflexi，14.34%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，12.76%）、放线菌门（Actinobacteriota，9.3%）、拟杆菌门（Bacteroidota，6.86%），这与不同河流湖泊的沉积物微生物群落组成类型相似［12-13］。变形菌门是湿地中相对丰度最高的优势细菌门，其作为细菌中的主要部分，普遍存在于水环境沉积物中，在众多人工湿地废水处理工艺中发挥主导作用［13］。由图3还可发现，绿弯菌门的相对丰度也较高，为第二大类群，在湿地不同单元沉积物样品（S1～S6）中所占比例依次为17.82%、14.92%、24.44%、12.33%、4.61%、11.91%，绿弯菌门在包括沉积物、温泉、产甲烷厌氧污泥消化池等厌氧栖息地中广泛存在，是沉积物中氮循环的重要参与者［14］，与拟杆菌门类群中的微生物参与一系列有机化合物的降解［15］。酸杆菌门最初是在酸性沉积物环境中被发现并命名的，但近年来有研究发现，不只是在酸性环境中，有些中性甚至碱性环境中也能检测出一些酸杆菌的基因序列［16］，这与该试验结果相同，表1显示湿地不同单元沉积物的pH呈中性至弱碱性，酸杆菌门在不同单元的沉积物中也占据优势地位。