水产养殖系统中有机肥料引发的真核生物群落营养驱动变化

《Regional Studies in Marine Science》:Nutrient-Driven Shifts in Eukaryotic Community Induced by Organic Fertilizers in Aquaculture Systems

【字体: 时间:2025年11月07日 来源:Regional Studies in Marine Science 2.4

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  不同有机肥料显著改变养殖水体浮游生物群落结构和多样性,氮磷钾含量差异驱动α/β多样性变化,Chlorophyta、Alveolata等类群响应特征不同,环境因子如pH、氨氮、硝酸盐和磷酸盐对群落组成有显著影响。

  
刘坤宏|涂康|王春忠|孙福林|黄琼叶|范蕾蕾
中国福建省莆田市莆田市水产科学研究所

摘要

本研究系统评估了三种具有不同营养成分的有机肥料(SGC:高氮-磷;WH:高钾-钙;XM:离子平衡)对水产养殖系统中真核生物群落结构和多样性的短期影响。肥料施用显著改变了真核生物群落的α多样性,多样性指数随肥料成分的不同而变化。主坐标分析(PCoA)显示,在肥料处理下,β多样性和群落结构分化也发生了显著变化(P < 0.01)。不同类群的反应各异,包括绿藻门、肺泡虫门、根足虫门和纤毛虫门。富含氮和磷的肥料迅速促进了对营养敏感的类群(如绿藻门)的发展,这些类群在实验早期和中期占主导地位,而根足虫门和纤毛虫门在实验后期变得更为普遍。在属水平上,SchizochlamydellaAnsanellaOocystisTintinnopsis对不同肥料表现出明显的时间动态响应。关键营养物质(氮、磷和钾)的可用性被认为是影响水产养殖水中真核生物群落结构的主要因素。典型对应分析(CCA)和相关性分析进一步证实,pH值、铵离子、亚硝酸盐和磷酸盐等环境因素对群落组成也有显著影响。这些发现为了解有机肥料处理下水产养殖系统中真核生物群落变化背后的营养驱动机制提供了新的见解。

引言

在水产养殖生态系统中,真核生物群落(包括原生动物、藻类和浮游动物)在生态系统功能和水质调节中起着至关重要的作用(Moriarty 1997)。这些生物不仅是养殖水生动物的主要食物来源,还对生物地球化学循环、营养转化和能量流动有重要贡献(Moriarty, 1997, Arrigo, 2004)。真核生物通过其多样的代谢活动参与氮和磷等营养物质的循环和转化,从而维持水产养殖水的生态平衡和整体健康(Falkowski, 1994, Litchman et al., 2015)。例如,浮游植物通过光合作用固定无机碳,成为初级生产者,而浮游动物将这些能量传递给更高营养级,并促进有机物的分解和再矿化(Buchan et al. 2014)。
在水产养殖中,施肥是一种关键的管理措施,用于提高初级生产力并促进水生生物的生长。通过向水中添加氮和磷等关键营养物质,可以有效增加浮游植物的生物量,进而增加养殖动物的食物来源。然而,过度或不当的施肥可能导致营养积累,引发富营养化并引发一系列生态问题(Cole et al., 2009, Khan and Mohammad, 2014)。近年来,随着水产养殖业的快速发展,关于施肥对水产养殖生态系统影响的研究也在不断增加(Boyd, 2018, Green, 2022, Hussian and Goher, 2023)。一些研究表明,施肥不仅影响水中的营养浓度,还通过改变水质化学环境、微生物活动和生物群落结构间接影响水产养殖生产和质量(Porchas-Cornejo et al., 2013, Martínez-Córdova et al., 2015, Boyd, 2018)。特别是在集约化养殖条件下,水中氮和磷的过量积累会引发有害藻类爆发,破坏底栖环境,阻碍养殖动物的生长,甚至导致疾病爆发(Pillay, 2004, Sellner and Rensel, 2018)。尽管人们认识到施肥对水产养殖生态系统有影响,但目前仍缺乏关于肥料成分如何影响水中真核生物群落结构及其多样性的系统研究,以及这些变化如何进一步影响生态平衡和生产力方面的研究。
随着高通量测序技术的进步,以往的研究已经探讨了水产养殖系统中微生物群落的变化及其对环境变化的响应(Sun et al., 2020a, Sun et al., 2020b, Sun et al., 2022, Sun et al., 2024)。然而,关于真核微生物对水产养殖环境中肥料响应的研究仍然较少。这一研究空白限制了对肥料成分与微生物群落之间关系的全面理解。本研究旨在通过结合高通量测序的施肥实验,探究不同有机肥料对水产养殖水中真核生物群落结构和多样性的影响。本研究的主要目标是:(1)评估三种有机肥料对真核生物多样性的时间效应;(2)评估真核生物对肥料处理的分类学响应;(3)探索真核生物类群与关键水质参数之间的相关性。通过阐明肥料成分与真核生物群落结构之间的关系,这些发现将为优化肥料管理和提高水产养殖生态系统的可持续性提供科学依据。

实验设计

该实验在中国莆田市的一个水产养殖研究设施进行。从养殖池塘中采集水样,并转移到实验室的600个塑料容器中。肥料被溶解并均匀分布到每个容器中,施用量为每100吨水2.5公斤。实验期间实验室保持恒定的光照条件,并持续供应空气。实验设计包括一个自然对照组

肥料成分和水质变化

对肥料成分的分析显示了三种肥料类型之间的差异,尤其是在TN、P?O?、K?O和Ca的含量方面(图1a)。SGC组的TN(21.81%)和P?O?(0.66%)含量最高,但K?O(1.35%)和Ca(0.57%)含量相对较低。相比之下,WH组的K?O(10.66%)和Ca(1.74%)含量较高,而TN含量较低(7.21%)。XM组的K?O(14.14%)和Ca

讨论

肥料在水产养殖中广泛用于通过促进浮游植物生长来提高初级生产力并支持水生食物网(Cheung et al., 2010, Boyd, 2018)。在池塘系统中,有机肥料的施用可以有效增加营养浓度并加速浮游生物群落的形成。本研究表明,不同的有机肥料对真核生物的多样性和结构有明显影响,这突显了营养成分的作用

结论

本研究揭示了不同有机肥料显著改变了水产养殖水中真核生物群落的多样性和结构。氮、磷和钾含量的变化强烈影响了群落组成。肥料引起的α多样性和β多样性变化凸显了营养成分在塑造群落动态中的关键作用。本研究强调了肥料对真核生物群落的短期影响,但未来需要进一步的研究

作者贡献声明

黄琼叶:研究工作。孙福林:撰写初稿、数据可视化、监督、资金获取、概念构思。王春忠:数据可视化、监督、方法学、研究工作、资金获取、概念构思。涂康:数据可视化、方法学、研究工作、数据管理、概念构思。刘坤宏:数据可视化、方法学、研究工作、概念构思。范蕾蕾:正式分析、数据可视化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了福建省科技厅指导项目(2025N0031)、国家自然科学基金(42576135)、广东省自然科学基金(2023A1515012004和2024A1515011203)以及贵州省科技项目(黔科合志成[2024] General 173)的支持。
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