对虾养殖水体生物絮团介导硝化过程的功能微生物解析及调控研究

Ammonia nitrogen and nitrite pollution is a bottleneck restricting healthy aquaculture of shrimp. Biofloc technology provides a new biological control method for solving this difficult issue. The theoretic foundation is the nitrification driven by microbes. At present, microbial community characteristics of biofloc involved in nitrification process in aquacultural water remains unclear, and how do the addition of organic carbon regulate microbial function of biofloc also needs deep research. The project aims at functional microbes analysis and regulation of the biofloc involved in nitrification process in shrimp aquacultural water: 1) choose representative shrimp ponds, analyze microbial community structure of the biofloc in aquacultural water by high-throughput sequencing, and thereby determine typical biofloc; 2) trace microbes of the biofloc involved in nitrification process by stable isotope probing, and then analyze active microbial community structure of the biofloc involved in nitrification process; 3) design shrimp culture experiment under different levels of organic carbon addition, use high-throughput sequencing to analyze community structure diversity and functional genes diversity of the biofloc involved in nitrification process, reveal change mechanism of the structure and function of the biofloc communities affected by organic carbon addition in aquacultural water, and then propose application strategy. The results of this study can provide theoretical guidance on microbial transformation and control of ammonia nitrogen and nitrite in shrimp aquacultural water.

水体氨氮和亚硝酸盐污染是制约对虾健康养殖的瓶颈之一。生物絮团技术为解决这一难题提供了新的生物调控方法，其中的理论基础是微生物驱动的硝化作用。目前，养殖水体生物絮团介导硝化过程的微生物群落特征尚不明晰，外加有机碳如何调控生物絮团微生物功能也亟待研究。本项目拟开展对虾养殖水体生物絮团介导硝化过程的功能微生物解析及调控机制研究：1）选择代表性对虾养殖池，采用高通量测序分析水体生物絮团微生物群落结构，并确定典型生物絮团；2）通过稳定性同位素示踪生物絮团驱动硝化过程的微生物，解析生物絮团介导硝化过程的功能微生物结构特征；3）通过设置不同有机碳添加水平下的对虾养殖实验，采用高通量测序分析水体生物絮团中硝化微生物种群结构多样性与硝化功能基因多样性的变化规律，揭示外加有机碳影响生物絮团微生物结构与功能变化的作用机制，并提出应用策略。研究结果可为对虾养殖水体氨氮、亚硝酸盐的微生物转化与控制提供理论指导。

水体氨氮、亚硝酸盐等内源性污染物是集约化水产养殖首要调控的水质因子。养殖系统微生态失衡，硝化作用过程受阻，是导致水体氨氮、亚硝酸盐积累的根本原因。生物絮团技术作为一种微生物生态调控技术，可通过诱导和强化硝化过程等微生物途径转化和控制水体氨氮、亚硝酸盐，以促进对虾养殖水体的自我净化。本项目从氮素转化的微生物生态学角度出发，首先，调查了室内工厂化跑道池和室外集约化高位池两种对虾养殖模式，分析了养殖水体中生物絮团微生物群落结构特征及各形态无机氮浓度变化，预示了水体中微生物群落结构的快速演变以及硝化型生物絮团的自我重建和驯化成熟；其次，采集典型硝化型生物絮团样品带回实验室，以15NH4+为底物半原位培养生物絮团，通过15N-DNA-SIP标记和高通量测序，解析了生物絮团介导硝化过程的氨氧化古菌类群主要有Candidatus Nitrosopelagicus属和亚硝化侏儒菌属，氨氧化细菌类群主要有亚硝化单胞菌属，亚硝酸盐氧化菌类群主要有硝化杆菌属；最后，通过设置不同有机碳添加水平下的凡纳滨对虾生物絮团养殖实验，分析了养殖水体生物絮团中硝化微生物和硝化功能基因多样性、丰度的变化规律及其与水环境因子的相关关系，揭示了在对虾养殖水体中添加有机碳以提高碳氮比，会促进生物絮团量的增长，但同时对生物絮团中硝化微生物功能菌属组成和多样性产生不利影响，而且抑制了生物絮团中氨氧化古菌、氨氧化细菌及亚硝酸盐氧化菌数量的增长，进而影响生物絮团介导的硝化过程，导致养殖水体比硝化速率下降，提示在对虾生物絮团养殖实践中，适当控制有机碳添加量有利于生物絮团中硝化微生物生长及其介导的硝化过程。本项目研究结果可为对虾集约化养殖水体氨氮、亚硝酸盐的微生物转化与控制提供理论指导，也为基于生物絮团技术的水产生态健康养殖模式构建提供重要的实践依据。