微生物菌肥对养殖底泥中重金属含量和微生物群落结构及功能的影响.pdf
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1、相对于人为施用的化肥、农药、抗生素及饲料等会污染养殖环境,导致养殖生态系统失衡,损害水产养殖 健康发展,微生物菌肥具有改善养殖环境、提高水产养殖动物产量的作用。然而,微生物菌肥对养殖底泥中重金属 含量和微生物群落结构及功能的影响仍未知。通过测定施加微生物菌肥前后养殖底泥的理化特性、重金属含量、细菌和真菌微生物群落结构及功能等,深刻剖析微生物菌肥对养殖底泥中重金属含量和微生物群落及功能的影 响。结果表明:施加微生物菌肥后养殖底泥中有机质、氨氮、有效磷和总磷等营养化合物含量均有所下降;施加微 生物菌肥前养殖底泥中重金属猛、碑、铜、汞和镉的含量均超过中国土壤重金属背景值,施加微生物菌肥后底泥中 这五
2、种重金属的含量分别下降了 22.81%、U.93%、22.73%,20.84%和1&00%,并能使底泥中猛、铜和镉的含量 恢复到正常水平;施加微生物菌肥前后养殖底泥中微生物群落结构及功能具有明显的差异,施加微生物菌肥后底 泥中Chloroflexi,Proteobacteria,Firmicutes等能诱发河道水华、黑臭和耐重金属细菌的丰度下降了 10.41%34.01%,Chytridiomycota、Ascomycota 和 Basidiomycota 等致病真菌的丰度降低了 77.21%8&79%。可见,微生 物菌肥能有效改善水生态系统平衡和养殖环境,降低水产养殖产品的发
3、病概率,该研究结果可为水产养殖生态修 复治理提供理论依据。关键词:微生物菌肥;养殖底泥;重金属;微生物群落结构和功能中图分类号:X172 文章编号:1671-1556(2023)03-0234-10 收稿日期:2022-03-10DOI:10.13578/ki.issn.1671-1556.20220258 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Effect o f Micro bial Fertilizer o n Heavy Metal Co ntent,Micro bial Co mmunity Structure and Functio n in Aquacultural Sedim
4、entHE Mingh ua ng1,XI Wenxia ng1,WANG Da n1,PAN Ho ngzh o ng1,ZHU Xia nbin1*,LIU Ziwei2(1.Hubei Ke y L abo rato ry o f Petro leum Geo c h emistry and Enviro nment Yang tze University,Wuh an 430100 9Ch ina;2.Sc h o o l o f Enviro nmental Stud ies,Ch ina University o fGeo sc ienc es(Wuh an),Wuh an 430
5、078,CAz na)Abst r ac t:Co mpa re d wit h a rt if ic ia l a pplic a t io n o f c h emic a l f ert ilize rs?pes t ic ide s a nt ibio t ic s a nd f eeds t h a t po llut e t h e a qua c ult ure env iro nment,lea d t o imba la nc e in t h e a qua c ult ure ec o s ys t em,a nd h a rm t h e h ea lt h y dev
6、 elo pment o f a qua c ult ure,mic ro bia l f ert ilizer c a n impro v e t h e a qua c ult ure env iro nment a nd inc rea s e t h e yield o f a qua c ul t ure a nima ls.Ho we v er,t h e ef f e c t o f mic ro bia l f ert ilizer o n h ea v y met a l c o n t ent a nd mic robia l c o mmunit y s t ruc t
7、ure a nd f unc t io n in a qua c ult ura l s ediment is s t ill unk no wn.Th is s t udy c o nduc t s a pro f o und a na lys is o f t h e ef f ec t s o f mic ro bia l f ert ilizer o n a qua c ult ura l s ediment by det ermining t h e ph ys ic o-基金项目:湖北省教育厅科学技术研究计划青年人才项目(Q20211310)作者简介:何明皇(1998),男,硕士研
8、究生,主要研究方向为微生物生态修复。E-ma il:201971302ya ngt zeu.edu.c n通讯作者:祝贤彬(1992),女,博士,讲师,主要从事微生物生态修复方面的研究。E-ma il:zh uxia nbinya ngt zeu.edu.c n第3期何明皇等:微生物菌肥对养殖底泥中重金属含量和微生物群落结构及功能的影响235c h emic a l c h a ra c t e ris t ic s,h ea v y met a l c o nt ent,s t ruc t ure a nd f unc t io n o f ba c t eria l a nd f unga
9、 l c o mmunit ie s bef o re a nd a f t er it s a pplic a t io n.Th e res ult s s h o w t h a t t h e nut rient c o mpo unds s uc h a s t o t a l o rga nic c a rbo n,NH ef f ec t iv e ph o s ph o rus,t o t a l ph o s ph o rus o f s ediment a f t er t h e a pplic a t io n o f mic ro bia l f ert ilizer
10、 dec rea s e Th e c o nt ent o f h ea v y met a ls s uc h a s Mn,As9Cu,Hg a nd Cd in t h e a qua c ult ure s ediment exc eeds t h e ba c k gro und v a lue o f h ea v y met a ls in Ch ines e s o il bef o re a dding mic ro bia l f ert ilizer,dec rea s e s by 22.81%、11.93%、22 73%、20.84%,a nd 1&00%r
11、es pec t iv ely a f t er a dding mic ro bia l f ert ilize r,a nd t h a t o f Mn,Cu,a nd Cd c a n be res t o red t o no rma l lev el.Th ere a re s ignif ic a nt dif f erenc es in mic ro bia l c o mmunit ies bef o re a nd a f t er t h e us e o f mic ro bia l f ert ilizer Th e h e a v y met a l一res is
12、t a nt ba c t eria s uc h a s Ch lo ro f le xi 9 Pro t eo ba c-t e ria,a nd Firmic ut es wh ic h c a n induc e riv er f lus h ing a nd bla c k o do r in t h e s ubs t ra t e a f t er t h e a ddit io n o f ba c t eria l f ert ilizer dec rea s e by 10.41%34.01%,a nd Ch yt ridio myc o t a,As c o myc o
13、t a,Ba s idio myc o t a a nd o t h er pa t h o genic f ungi dec rea s e by 77.21%88.79%.Th e res ea rc h res ult s s h o w t h a t mic ro bia l f ert ilizer c a n ef f ec t iv ely impro v e t h e ba la nc e o f wa t er ec o s ys t e m a nd a qua c ult ure env iro nment,a nd reduc e t h e c h a nc e
14、o f dis ea s e o a qua c ult ure pro duc t s.Th e res e a rc h c a n pro v ide s o me t h eo ret ic a l ba s is f o r a qua c ult ure ec o lo gic a l res t o ra t io n a nd ma na gement.Key wo r ds:mic ro bia l f ert ilizer;a qua c ult ura l s ediment;h ea v y met a l;mic ro bia l s t ruc t ure a nd
15、 f unc t io n近年来,海洋及内陆淡水渔业一度呈现出过度 捕捞的态势,致使天然渔业资源逐渐匮乏,海洋及淡 水捕捞产量远远不能满足人类的需求3。水产养 殖行业快速发展并逐渐替代捕鱼业,人工养殖的水 产品成为人类蛋白质的主要来源在规模化、集 约化不断加强的水产养殖模式下,人为施用有机 肥、无机化肥、农药、抗生素等使得养殖环境受到污 染,养殖生态系统失去平衡旳。一方面,养殖底泥作 为污染物的“汇”,收纳了大量的污染物金门。另一方 面,养殖底泥作为养殖产品生长环境的一部分,与养 殖产品宜接接触,能够宜接影响其健康和品质金如o 重金属作为养殖底泥中具有生物累积性且不可降解 的污染物,可通过食物
16、链不断富集,对水产品甚至人 类的危害极大切,因此关注养殖底泥中重金属的 含量是很有必要的。规模化、集约化的养殖模式下,养殖区水质恶 化、水产品病害以及施用化肥、农药、抗生素产生的 负面影响等一直是困扰水产养殖行业的难题,而微 生物菌肥的使用被认为是解决这些问题的有效途径 之一。杨思芹等口通过试验探究了施用益微 制剂对人工养殖中国对虾的影响,结果表明适当添 加益微制剂可使中国对虾的养殖产量每亩增加 5.01-15.50 k g;郑梅清等在养殖水质原位自净 微生物诱导的相关研究中发现,有益微生物复合菌 群可使养殖水体中亚硝酸盐氮、氨氮的清除率达到 99%以上;桂远明等”使用益微制剂(JylO、Jy
17、31复 合制剂)作为水产养殖饲料添加剂,开展了饲料添加 剂对提高人工养殖鲤抗病力的影响研究,结果表明 使用益微制剂可有效促进鲤鱼生长,提高其免疫力 和抗病力。目前多数研究关注的是施加微生物菌肥 后对养殖水体的改善以及对养殖产品的肉质及病虫 害抗性等的影响,有关微生物菌肥的使用对养殖底 泥的影响还鲜有报导,因此施加微生物菌肥对养殖 底泥中重金属含量、微生物群落结构及功能的影响 还值得进一步的研究。江汉平原地处长江中游,汉江中下游,水系发 达,其48%以上的耕地为水田,自古就有淡水养殖 的传统,被称为“鱼米之乡”,水产养殖是当地农业经 济的重要组成部分,但近年来随着水产养殖的快速 发展,有机无机化
18、肥大量的使用等因素导致养殖环 境中氮、磷、硫及重金属污染等问题,威胁着水产品 健康和品质,造成了巨大的经济损失如。因此,本 文选择江汉平原地区某精养虾塘作为研究区进行微 生物菌肥试验,探究施加微生物菌肥对养殖底泥的 理化特征、重金属含量和微生物群落结构及功能等 的影响,以期为通过合理使用微生物菌肥解决养殖 环境污染问题提供思路和科学依据。1材料与方法1.1养殖底泥样品采集本研究选择湖北省荆州市公安县某精养虾塘作 为研究区进行微生物菌肥试验研究,该池塘面积为 600 n?。2020年前池塘使用常规有机肥料施肥,施 肥量为5.0 k g/500 m2;2020年3月通过施加微生 物菌肥(2.5 k
19、 g/500 m?)进行肥塘,并于半月后将虾 苗投放到池塘中,放养密度为10万尾/500 m2,且在 虾苗下塘后,每隔3天追施1次肥,试验周期为6个 236安金与琢燼工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷月。在2020年3月和2021年9月分别采集池塘养 殖底泥样品1 k g左右,并命名为CK和MFO养殖 底泥样品一式两份,并迅速送回实验室,一部分底泥 样品于4 C保存,用于理化组分分析及重金属含量 测定;另一部分底泥样品于一80 C冰箱保存,用于 DNA提取及微生物群落结构测定。试验所用清水 1号微生物菌肥(粉剂)(执行标准:GB 20287-2006)由清水华明公司研发
20、生产,其中菌肥有效活菌 数高于30亿/mg,主要成分为有益微生物活菌、腐 殖酸钠、微量元素和维生素复合而成,具有肥水、改 善水质、提高机体免疫力的功能。其中,有益微生物 活菌包括枯草芽鞄杆菌、短小芽抱杆菌、巨大芽抱杆 菌、地衣芽抱杆菌、凝结芽抱杆菌、苏云金芽抱杆菌、侧抱芽抱杆菌、康氏木霉菌、绿木霉菌和酿酒酵母 等。1.2养殖底泥样品的理化特性分析养殖底泥样品的pH值采用酸度计测定,水土 比为2.5:1;底泥样品中有机碳含量采用TOC仪(CS230,LECO,USA)测定;底泥样品中硝态氮和钱 态氮含量采用氯化钾溶液提取-分光光度法测定,即 称取6 g过2 mm筛的风干土,加入1 mo l/L
21、KC1溶 液10 mL,振荡1 h后过滤,采用连续流动分析仪进 行测定;底泥样品中有效磷和全磷含量分别采用硫 酸-高氯酸消煮-钮佛抗比色法和碳酸氢钠提取-铝诱 抗比色法(Ols e n法)测定。1.3养殖底泥样品中重金属含量测定养殖底泥样品中重金属含量(除Hg外)参考中 国国家标准方法(GB/T 1713417141)测定,具体 测定方法为:准确称取0.1 g底泥样品置于50 mL 聚四氟乙烯堆堀中,加入少许超纯水润湿后,再加入 混酸(HC1:HF:HNO3:HCLO4=4:4:2:1)15 mL;将堆竭置于220乜恒温电热板上加热溶解 约3 h,待白烟散尽后加热至内容物呈湿盐状,取下 稍冷后
22、加入1 mL 50%硝酸溶液,利用余温将底泥 样品中盐类充分溶解,用2%硝酸定容至25 mL;取 部分溶液过0.45 滤膜待测,利用四极杆电感耦 合等离子体质谱仪(ICP-MS,Agilent Tec h no logies,Sa nt a Cla ra,CA,USA)测定底泥样品中重金 属元素的含量。底泥样品中Hg含量采用美国环境 保护署(USEPA)推荐的王水消解法测定,具体测定 方法为:称取0.1 g底泥样品,加入5 mL超纯水润 湿,再加入混酸(HNO3:HC1=4:1)5 mL,置于40 C电热板上加热4 h;冷却后加超纯水定容,摇匀,澄清后取上清液待测,利用海光原子荧光分析仪测 定
23、底泥样品中Hg含量。1.4养殖底泥样品中微生物群落结构测定使用 Fa s t DNA SPIN Kit f o r So il 试剂盒(MP Bio medic a ls,U.S.)提取养殖底泥样品中微生 物群落基因组DNA,具体步骤参考说明书。采用 1.5%琼脂糖凝胶检测其DNA的完整性,采用 Na no Dro plOOO紫外可见分光光度计检测其DNA 的浓度和纯度。采用GeneAmp 9700 PCR仪(ABI,CA,U.S.)扩增微生物的16S rRNA基因高变区 V3-V4,引物为 515F(5-GTGYCAGCMGCCGCG-GTAA-3)和 806R(5-GGACTACNVGGG
24、T-WTCTAAT-3);采用 ITS1F(5Z-CTTGGTCATT-TAGAGGAAGTAA-3)和 ITS2R(5-GCTGCGT-TCTTCATCGATGC-3)为引物对真菌ITS区进行 PCR扩增,对真菌的转录内间隔区进行测序。回 收、纯化PCR产物后,送至上海美吉生物医药科技 有限公司测序(Illumina His eq PE300平台)。1.5数据分析养殖底泥样品的理化特性和重金属含量数据均 通过方差分析进行统计学检验,3次重复试验的平 均数采用 IBM SPSS St a t is t ic s 22.0 软件进行 Dun-c a n检验。细菌和真菌物种注释所使用的数据库分 别
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