膳食调控淡水蛤肠道微生物群增强壳质生物矿化与碳封存能力的研究

《Aquaculture Reports》：Dietary modulation of gut microbiota enhances shell biomineralization and carbon sequestration in the freshwater clam Unio douglasiae taiwanicus

本研究通过四种饲料（普通小球藻、等鞭金藻、发酵酸菜汁和螺旋藻）干预台湾杜氏珠蚌，系统评估了其对生长、存活、肠道菌群及碳封存的影响。30天实验显示，虽然短期饮食干预未显著改变碳封存，但不同饲料塑造了生理特征和微生物群落，为可持续水产养殖和生态系统服务中的膳食策略提供了新见解。

　　

在当今全球气候变化和食品安全双重挑战下，可持续水产养殖的发展备受关注。双壳贝类，如淡水蚌类，因其独特的滤食习性，在水体净化、营养循环等方面扮演着“生态系统工程师”的角色。更为重要的是，它们通过形成碳酸钙（CaCO₃）外壳，将无机碳固定下来，理论上具备碳封存的潜力，这为水产养殖业贡献负碳排放提供了可能。然而，关于贝类养殖究竟是“碳汇”还是“碳源”的争论一直存在，其碳封存的实际贡献度和影响因素尚不明确。同时，在水产养殖实践中，饲料是影响贝类生长、健康和产量的关键因素，而肠道微生物群作为连接宿主与环境的桥梁，对宿主的营养吸收、免疫和生理状态具有深远影响。但迄今为止，很少有研究将膳食、肠道微生物群和贝类的碳封存潜力三者联系起来，尤其是在淡水蚌类中。台湾杜氏珠蚌（Unio douglasiae taiwanicus）作为一种重要的淡水经济贝类，其相关研究更是匮乏。为了解决这一知识空白，来自国立高雄科技大学海洋生物技术系的研究团队在《Aquaculture Reports》上发表了他们的最新研究成果，旨在探究不同膳食来源如何影响台湾杜氏珠蚌的生长、存活、肠道微生物群及其碳封存能力。

研究人员主要运用了实验动物饲养与表型分析、碳含量化学分析（EDTA滴定法测定壳中CaCO₃含量并换算为碳封存量）、微生物群落分析（通过16S rRNA基因V3-V4区高通量测序，并结合QIIME2和SILVA数据库进行生物信息学分析）以及微生物功能预测（使用Tax4Fun2工具预测KEGG通路和COG功能）等关键技术方法。实验所用蛤苗来自大洋星生物科技股份有限公司。

3.1. 不同营养源对台湾杜氏珠蚌生长的影响

研究人员测量了蛤蜊在30天实验期内的壳长和壳宽变化。结果显示，所有饮食组的蛤蜊均表现出生长，初始壳长约20毫米，30天后达到60-70毫米。虽然饲喂Chlorella vulgaris和Isochrysis galbana的组在早期生长略快，但最终各组间壳长和壳宽均无统计学显著差异。这表明，在短期（30天）内，膳食组成对台湾杜氏珠蚌的壳体线性生长影响有限。

3.2. 不同营养源对台湾杜氏珠蚌存活的影响

存活率是评估饲料适用性的另一关键指标。在整个实验期间，所有组都保持了较高的存活率。最终，Arthrospira platensis（螺旋藻）组的存活率最高（95%），其次是酸菜汁组（90%）、Chlorella vulgaris组（85%）和Isochrysis galbana组（75%）。尽管存在数值差异，但统计分析表明各组间存活率无显著差异。这说明在本实验条件下，不同饲料未对蛤蜊的生存造成显著影响，螺旋藻可能因其免疫刺激成分表现出更好的支持作用。

3.3. 基于不同营养源的台湾蛤肠道微生物群分析

这是本研究的核心发现之一。通过16S rRNA测序分析肠道微生物群组成，发现饮食显著塑造了微生物群落结构。在门水平上，酸菜汁饮食显著富集了Flavobacteriales（黄杆菌目）；而微藻饮食（Chlorella vulgaris和Arthrospira platensis）则倾向于富集Corynebacteriales（棒状杆菌目）和Clostridiales（梭菌目）。主坐标分析（PCoA）显示，酸菜汁组和Isochrysis galbana组的微生物群落与其他组明显分离，而Chlorella vulgaris和Arthrospira platensis组的群落结构较为相似。Alpha多样性分析进一步揭示，Isochrysis galbana喂养的蛤蜊其肠道微生物的丰富度和均匀度（如Chao1, Shannon指数）显著高于Chlorella vulgaris组，表明不同微藻对微生物多样性的影响存在差异。

3.4. 不同饮食下台湾杜氏珠蟾的COG功能变异分析

为了解微生物群落的功能差异，研究人员进行了直系同源簇（COG）功能分析。结果显示，不同饮食组间的微生物功能谱存在明显变异。例如，酸菜汁组中与多重药物外排泵（COG0845）相关的功能变异度最高，提示发酵产物可能诱导了微生物的应激反应。Chlorella vulgaris组则在与金属离子转运（COG2072）相关的功能上表现出较大变异。这些发现表明，饮食不仅改变了微生物的物种组成，也影响了其潜在的功能特性，尤其是与物质转运和应激反应相关的功能。

3.5. 跨饮食组的肠道微生物群KEGG通路分析

通过Tax4Fun2预测KEGG代谢通路，研究人员发现了一些有趣的趋势。抗生素生物合成通路在所有组中都是最丰富的通路之一，尤其在Arthrospira platensis组中含量最高。Isochrysis galbana组在RNA降解、卟啉和叶绿素代谢通路上有较高活性。Chlorella vulgaris组则显示出苯甲酸降解等途径的增强。而酸菜汁组的特点是碳水化合物消化和吸收通路的活性较高，这与其富含可发酵糖类和有机酸的特性相符。这些通路差异反映了微生物群落对不同饮食化学成分的代谢适应。

3.6. 通过Tax4Fun2进行功能预测揭示不同的微生物代谢潜力

对预测功能谱的进一步分析确认了上述发现。除了抗生素生物合成，Isochrysis galbana组在丁酸盐代谢（与短链脂肪酸生产相关）上相对丰富，Chlorella vulgaris组在氨基苯甲酸降解和异生素生物降解方面有所富集，而酸菜汁组则表现出更强的碳水化合物代谢特征。这清晰地表明，饮食制度显著地塑造了肠道微生物群落的代谢潜力。

3.7. 台湾杜氏珠蚌的碳酸钙积累与碳封存

最引人注目的发现来自于对蛤蜊壳碳封存能力的测量。尽管酸菜汁组的壳体线性生长并非最快，但其单位蛤蜊壳中积累的二氧化碳（CO₂）当量却最高（平均4.6克/蛤），其次是Isochrysis galbana组（4.2克/蛤）、Chlorella vulgaris组（3.9克/蛤），Arthrospira platensis组最低（3.0克/蛤）。虽然这些差异未达到统计显著性，但趋势表明，饮食可能影响了蛤蜊将碳转化为壳质碳酸钙的效率，酸菜汁饮食或许能促进更有效的生物矿化过程。

在讨论部分，作者对上述结果进行了深入分析。他们指出，微藻饮食（特别是C. vulgaris和I. galbana）支持了更快的壳体生长，这与其富含蛋白质、碳水化合物和必需脂质（如Isochrysis富含DHA）有关。而Arthrospira platensis（螺旋藻）组的高存活率可能得益于其免疫刺激化合物。饮食对肠道微生物群的强烈塑造作用与已知的微生物代谢功能一致：Flavobacteriales擅长降解植物多糖，Clostridiales参与发酵，而Corynebacteriales可利用复杂生物分子。

关于碳封存，作者强调了一个关键点：虽然酸菜汁饮食组的蛤蜊线性生长较慢，但其单位个体的碳酸钙沉积量更高，这表明该饮食可能促进了更有效的碳向壳质的转化。作者推测，这可能是由于酸菜汁塑造的特定肠道微生物群（如富集的Flavobacteriales）通过其代谢活动（如发酵产生碳酸氢盐、有机酸，或产生脲酶升高局部pH值）间接促进了生物矿化过程。这提出了一个新颖的观点：肠道微生物群可能是贝类壳质生物矿化的一个未被充分认识的参与者。

然而，作者也谨慎地指出，贝类碳酸钙壳的形成（生物矿化）过程本身会释放CO₂，因此评估其净碳封存效益需要综合考虑系统内其他过程，例如通过滤食和生物沉积作用将有机碳埋藏在沉积物中。尽管如此，增强的壳质生产本身能够形成长期（数十年至数百年）的碳库，并提供栖息地结构，具有积极的生态意义。

本研究首次在淡水蚌类中整合评估了膳食干预对生长、存活、肠道微生物群和碳封存潜力的综合影响。结论表明，膳食是调控台湾杜氏珠蚌生理表现、肠道微生物群结构乃至碳封存潜力的关键驱动因素。特别是，发酵酸菜汁虽未带来最快的生长，却可能通过调控微生物群促进了更有效的壳质生物矿化。这些发现为通过膳食策略（例如开发混合饲料或添加益生元/益生菌）同时提升水产养殖生产力和贝类生态服务功能（如碳封存）提供了科学依据。未来研究可延长实验周期、探索组合膳食，并进一步阐明宿主-微生物-生物矿化之间的具体分子机制，从而为发展环境可持续的水产养殖业提供新思路。