《Scientific Reports》：Effects of the photovoltaic fishery breeding model on intestinal microbiota structure and diversity in Litopenaeus vannamei
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本研究针对光伏渔业养殖模式对水生生物影响机制不清的问题，通过对比传统池塘与光伏遮荫养殖模式下凡纳滨对虾(Litopenaeus vannamei)的肠道微生物生态系统变化，发现光伏遮荫虽导致对虾生长速率减缓，但显著改变了肠道菌群结构，降低了潜在致病菌丰度，增强了微生物网络稳定性。该研究为优化可持续光伏-水产一体化系统提供了重要理论依据。
在全球能源转型与粮食安全双重挑战下，光伏渔业养殖模式作为一种创新解决方案应运而生。这种将太阳能发电与水产养殖相结合的模式，既能实现清洁能源生产，又能提高土地利用率，可谓一举两得。然而，光伏板遮荫导致的水体光照条件改变，究竟会对水生生物产生怎样的影响？特别是对作为光伏渔业主要养殖品种的凡纳滨对虾而言，其肠道微生物生态系统会如何响应这种环境变化？这些问题至今尚未得到明确解答。
肠道微生物作为水生动物的"第二基因组"，在营养吸收、免疫调节和病原抵抗等方面发挥着至关重要的作用。已有研究表明，光照强度变化会影响甲壳动物的生理活动，如日本囊对虾(Marsupenaeus japonicus)在完全黑暗环境下生长最佳，而四脊光壳螯虾(Cherax quadricarinatus)在全黑暗条件下存活率最低。同时，水温作为影响对虾环境适应性的关键非生物因子，其波动会改变宿主肠道微生物群落的丰度和代谢物浓度。那么，在光伏渔业养殖模式下，光照和水温的协同变化会如何影响凡纳滨对虾的肠道菌群结构及其功能？这正是本研究要解决的核心科学问题。
为了回答这些问题，研究人员在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们设计了一项为期80天的对照实验，比较了光伏板遮荫组(ZG)与传统露天池塘组(CK)养殖的凡纳滨对虾的生长性能和肠道微生物变化。实验采用标准化水泥池(单池面积800 m2)，每组设4个重复，养殖密度为80尾/m3，盐度控制在15-18‰。通过高通量16S rRNA测序技术分析微生物组成、多样性和预测功能谱，系统评估了光伏渔业养殖模式对凡纳滨对虾肠道微生物生态系统的影响。
研究采用的主要技术方法包括：养殖环境控制实验(设置光伏遮荫组和传统养殖对照组)、对虾生长性能监测(体长体重测量)、水环境参数记录(温度自动监测)、肠道样本采集(无菌条件下获取肠道内容物)以及微生物群落分析(16S rRNA基因V3-V4区扩增和Illumina NovaSeq 6000平台测序)。通过生物信息学分析手段(包括α多样性指数计算、β多样性分析、指示物种鉴定和功能预测等)系统解析了微生物群落特征。
3.1 不同光照条件下凡纳滨对虾的生长状况
水温监测显示，CK组平均表层水温(32.38±1.83°C)和底层水温(30.06±1.42°C)均显著高于ZG组。形态测量分析表明，养殖20天后，ZG组对虾体长(4.94±0.06 cm)显著小于CK组(4.98±0.06 cm)；养殖16天后，ZG组体重(0.781±0.00 g)也显著低于CK组(0.844±0.00 g)。实验结束时，ZG组对虾体长和体重分别为(10.54±0.37) cm和(20.00±1.15) g，而CK组达到(12.32±0.54) cm和(22.98±0.64) g。
3.2 不同光照条件下凡纳滨对虾肠道微生物的16S rRNA测序数据
从8个对虾肠道样本中共获得1,032,822条优质标签，经去嵌合体后获得960,147条有效标签。所有样本的覆盖率均超过99.94%，表明测序深度足够。稀释曲线显示测序数据量合理，能够反映样本中微生物的真实情况。
3.3 不同光照条件下凡纳滨对虾肠道微生物组成的差异
微生物组成分析显示，前10个优势菌门的累积丰度超过94%，其中变形菌门(Proteobacteria)为最优势菌门。与CK组相比，ZG组变形菌门和厚壁菌门(Firmicutes)丰度降低，而疣微菌门(Verrucomicrobiota)丰度增加。在属水平上，ZG组气单胞菌属(Aeromonas)、弧菌属(Vibrio)、芽孢杆菌属(Bacillus)和葡萄球菌属(Staphylococcus)丰度降低，而LD29、硫藏菌属(Thioclava)和红杆菌属(Rhodobacter)丰度增加。两组共有244个细菌属，Oceanobacillus被确定为CK组的指示物种，Candidatus_Electronema为ZG组的指示物种。
3.4 不同光照条件下凡纳滨对虾肠道微生物多样性分析
α多样性分析显示ZG组的Chao1指数和Shannon指数有所增加，但无显著差异。β多样性分析表明两组肠道微生物群落存在显著差异，主坐标分析(PCoA)显示组间样本明显分离，而组内样本聚集紧密。系统发育树分析发现ZG组中Fimbriiglobus、Butyrivibrio、Desulfomicrobio、Bdellovibrio和Chryseolinea等菌属丰度显著高于CK组。
3.5 不同光照条件下凡纳滨对虾肠道微生物功能预测
功能预测分析显示，代谢和细胞过程在所有组中均占主导地位。ZG组在细菌趋化性、细菌分泌系统、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、核黄素代谢、氮代谢等8个功能方面的丰度显著降低。微生物网络分析显示，CK网络包含227个节点和2,497条边，而ZG网络仅有192个节点和1,379条边，表明CK网络连通性显著更高。
研究结论表明，光伏渔业养殖模式通过改变水环境光照和温度条件，显著影响了凡纳滨对虾的肠道微生物生态系统。虽然光伏遮荫导致对虾生长速率减缓，但促进了微生物群落向更稳定、更具抗病性的方向演替。具体表现为潜在致病菌(弧菌属和气单胞菌属)丰度降低，有益菌(硫藏菌属和疣微菌门)丰度增加，以及Candidatus_Electronema作为ZG组特异性生物标志物的富集。
讨论部分深入分析了光温协同效应对微生物群落的影响机制。在光伏模型下，较低的水温可能减缓了微生物代谢速率，有利于K策略菌群(如疣微菌门)的生长；而传统池塘较高的温度则促进了r策略菌群(如变形菌门)的繁殖。同时，光伏遮荫导致的光合作用抑制可能影响了光依赖性细菌种群(如红杆菌属)的丰度。微生物功能预测结果显示ZG组在多种代谢通路上的功能丰度降低，可能与对虾生长减缓存在内在联系。
这项研究首次系统揭示了光伏渔业养殖模式对凡纳滨对虾肠道微生物生态系统的影响机制，为优化光伏-水产一体化系统提供了重要科学依据。研究表明，在光伏渔业模型中，对虾生长性能的短期降低可能是一种生态权衡，换取的是更稳定的微生物群落和增强的抗病能力。未来研究应着重于开发优化光照方案，平衡生长性能与微生物群落稳定性，推动光伏渔业养殖模式的可持续发展。
该研究的创新之处在于将环境因子(光照、温度)、宿主生长性能与肠道微生物生态系统三者有机结合，为理解光伏渔业养殖模式的生态效应提供了新视角。研究结果不仅对凡纳滨对虾的健康养殖具有指导意义，也为其他水产养殖品种在光伏环境下的适应性管理提供了参考框架。通过合理调控光温条件，有望实现光伏发电与水产养殖的双赢，推动农业-能源一体化系统的可持续发展。
