莲-鱼共养重塑池塘微生物组并提升相对于单养鱼的生态稳定性

《Frontiers in Microbiology》：Lotus-fish co-culture reshapes pond microbiota and improves ecological stability relative to fish monoculture

　　

引言：莲-鱼共养池塘（lotus-fish co-culture ponds, LP）是中国广泛应用的综合养殖系统。然而，关于莲塘养殖微生态的研究仍不充分。本研究探讨了LP与单养鱼池塘（monoculture ponds, MP）中有机质组成及藻类、细菌群落结构的动态模式。方法：研究共使用六口独立池塘：三口莲塘作为莲-鱼共养组（A1、A2、A3），另三口常规土塘作为单养鱼组（B1、B2、B3）。研究人员采用细菌与藻类群落调查、环境因子调查、细菌生物标志物筛选、功能预测及相关性分析，评估莲-鱼共养对池塘藻类、细菌及沉积物有机质组分的影响。结果：LP沉积物中总氮（TN）、总磷（TP）、总碳（TC）和有机质（OM）浓度较低，水体叶绿素a（chl a）含量也相对较低。LP藻类群落呈季节性变化，而MP以绿藻门（Chlorophyta）和蓝藻门（Cyanobacteriophyta）为主。两组的优势细菌门相同，但各月丰度不同。LP沉积物细菌生物标志物为α-变形菌纲（c_Alphaproteobacteria）、Vicinamibacteria纲（c_Vicinamibacteria）等，水体为γ-变形菌纲（c_Gammaproteobacteria）；MP沉积物为脱硫菌纲（c_Desulfobacteria）、Dehalococcoidia纲（c_Dehalococcoidia）等，水体为疣微菌纲（c_Verrucomicrobiia）、分枝杆菌目（c_Mycobacteriales）等。功能分析表明，LP细菌群落富集甲烷氧化（methanotrophy）、固氮（nitrogen fixation），MP群落更关联厌氧呼吸（anaerobic respiration）与光合过程。LP细菌网络呈依赖关键类群（keystone taxa）的模块化结构，MP具高度互连协作的细菌群落。LP沉积物中TC、TN、TP共同驱动细菌模块广分化；MP沉积物中TN对细菌组装起关键作用，TP为主要负向驱动因子。LP的终末体重（FBW）与终末体长（FBL）显著高于MP，而肥满度（CF）更低。讨论：上述发现表明，LP与MP微生物群落遵循不同的组装模式，在各自生态系统中的核心生态功能与环境偏好存在差异。

研究背景与立项依据：中国约47.98%的水产养殖产品来自池塘养殖，高密度精养带来有机污染、水质恶化与鱼品质下降等问题。莲-鱼共养作为生态循环系统，由植物水培、鱼类养殖与微生物化学过滤耦合而成，具备低投入、低碳与可持续优势。已有稻-鱼共养微生态研究较充分，但大面积莲-鱼共养池塘水体和沉积物的微生物群落结构与功能仍缺乏系统数据。为明确莲-鱼共养相对于单养鱼在微生态层面的差异，研究人员在湖南岳阳六口150亩池塘（三口植藕养草鱼、三口单养草鱼）中，于2023年9月至2024年7月每两月采样一次，系统比较有机质组分、藻类与细菌多样性、功能预测及共现网络。该研究发表于《Frontiers in Microbiology》，为莲-鱼共养提供首轮微生态基线数据，论证其提升生态稳定性的机制。

主要技术方法概括：研究以六口池塘（LP三组A1–A3、MP三组B1–B3）为样本队列，每池五点混样采集水体（0.3–0.5 m）与表层沉积物（0–0.1 m），水体经0.22 μm过滤、沉积物用土壤DNA试剂盒提取微生物DNA；扩增16S rRNA基因V3–V4区并Illumina MiSeq测序，SILVA138注释OTU（≥97%相似）；藻类按内陆水体技术规范计数与叶绿素a热乙醇比色测定；沉积物TC/TN/TP/OM分别用元素分析、凯氏定氮、碱熔钼锑抗比色与重铬酸钾氧化法；群落差异用PCA、PERMANOVA与ANOSIM，生物标志物用LEfSe（LDA>3.5），功能用FAPROTAX预测，共现网络用SPIEC-EASI+SparCC构建并以igraph/Gephi分析模块性与关键类群，环境驱动用RDA与WGCNA。

研究结果

3.1 沉积物有机质组分：线性回归与线性混合效应模型显示，MP中TN、TC、TP、OM无显著时间趋势且维持高位波动；LP中TN略降（7月短暂累积），TP与OM冬春暂降后缓升。表明莲-鱼共养降低底质养分背景值。

3.2 藻类鉴定与叶绿素a：LP检出6门67种，季节演替明显（硅藻、隐藻春优，裸藻夏现，蓝藻7月达峰），优势属含Aulacoseira、Scenedesmus、Pseudanabaena、Cryptomonas；MP以蓝藻Merismopedia与绿藻Scenedesmus为主（62种）。LP叶绿素a 8–37 mg/m³，MP 20–126 mg/m³，莲遮光抑藻降低水华风险。

3.3 细菌群落多样性与组成：LP沉积物Shannon略降非显著、Simpson显著升；MP沉积物两指数剧变（Shannon极降、Simpson极升）；LP水体Shannon升、Simpson降。PCA显示养殖模式解释β多样性主变异（沉积物79.94%、水体84.89%），PERMANOVA中池塘因素大于月份因素。优势门沉积物为Chloroflexota、Pseudomonadota、Acidobacteriota；水体为Cyanobacteriota、Pseudomonadota、Actinomycetota、Bacteroidota。LP沉积物富norank_c_Subgroup_18等，水体富CL500-29_marine_group、Cyanobium_PCC-6307、Flavobacterium；MP沉积物富Clostridium_sensu_stricto_1，水体富Acinetobacter、Mycobacterium。

3.4 生物标志物与功能：LEfSe得LP沉积物21个标志物（如c_Gammaproteobacteria、g_Candidatus_Methylopumilus、g_Rhodoluna），水体11个（c_Alphaproteobacteria、c_Vicinamibacteria）；MP沉积物14个（g_Cyanobium_PCC-6307、g_Mycobacterium），水体9个（c_Desulfobacteria、g_Candidatus_Competibacter）。FAPROTAX示LP沉积物富集甲基营养（methylotrophy）、甲烷氧化、固氮、反硝化；MP沉积物富金属氧化还原、硫代谢、硝化及人畜病原相关功能。LP水体富木聚糖降解、烃降解、Fe/H₂厌氧光合；MP水体以硫依赖光合与锰氧化为主。

3.5 共现网络：LP网络节点多但边稀疏、模块性高、平均路径长，关键类群（connectors/module-hubs/network-hubs）数多（36+26+2）；MP网络聚类系数高、路径短、平均度大。鲁棒性测试下LP在靶向删除高degree节点时自然连通性崩塌更快，但整体脆弱性更低；MP靠密集正协同缓冲随机扰动，但负协同随月份飙升（MW负凝聚R²=0.52）。

3.6 沉积物细菌-有机质相关：VIF剔OM后RDA留TC/TN/TP，解释36.83%变异。LP中TC/TN/TP对模块正负驱动广，Module3/4响应碳氮；MP中TN为正驱、TP为负驱、TC弱。莲残体多元碳源拓宽选择压力。

3.7 鱼类生长：1龄草鱼LP终末体重707.37±37.39 g、体长31.28±0.656 cm，显著高于MP的640.10±35.32 g、29.04±0.81 cm；WGR与SGR无差，CF显著更低（0.0231 vs 0.0261），体形更修长。

讨论浓缩：莲快速生长期（3–6月）吸收铵、亚硝与溶磷降低底质负荷，7月枯落物暂积，8–11月根茎收获导出养分，根泌物提效微生物碳利用。LP藻类以绿藻、硅藻等有益藻为主，MP蓝藻Merismopedia占优具产毒风险。LP沉积物关键属（Candidatus_Methylopumilus硝酸盐同化、Rhodoluna视紫红质光合、Limnohabitans双异养）与水柱Beijerinckiaceae（甲烷氧化+固氮）形成分层C–N–S耦合；MP沉积物Cyanobium_PCC-6307促富营养、Competibacter致磷滞留、Mycobacterium为机会病原。网络层面LP依赖keystone的分层模块结构，MP靠高密度正协同但负凝聚累积更易劣化。RDA/WGCNA印证LP多养分广滤、MP受TN单驱与TP抑制。生长上莲遮阴调温、补天然饵料、降氨亚硝，故终重与体长优而CF低。

结论翻译：莲类植被为昆虫与浮游动物提供栖息繁殖场，与植物碎屑构成天然饵料池补充人工饲料。相较单养鱼池塘，莲-鱼共养鱼终末体重与体长更高、体形更修长且肥满度更优。莲直接吸水氮磷缓解沉积物磷过积，避免单养高磷应激致微生物失衡，维持稳定水境。莲残体多元有机碳驱动沉积物细菌分化为C–N–P耦合功能模块，高效降解残饵与碎屑；脱氮微生物降低氨与亚硝酸盐毒害、改善底氧、缓鱼应激与病害。多元碳源筛选具分明营养偏好的菌组，微生物群对养分波动缓冲力强，从底质微生态端降低生长迟滞与群体发病风险。