魚菜共生系統(tǒng)中植物根系微生物及氮轉(zhuǎn)化影響因素研究進展

邱楚雯，王韓信，施永海

(上海市水產(chǎn)研究所 上海市水產(chǎn)技術(shù)推廣站，上海 200433)

魚菜共生是水產(chǎn)養(yǎng)殖與水耕栽培結(jié)合的一種綠色養(yǎng)殖模式，該模式可以同時生產(chǎn)兩種經(jīng)濟作物(包括水產(chǎn)品和菜).魚菜共生模式通過蔬菜將養(yǎng)殖水體中殘餌、糞便等產(chǎn)生的過剩營養(yǎng)物質(zhì)(氮、磷等)轉(zhuǎn)化為植物能量，凈化池塘水質(zhì)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的雙贏[1].為實現(xiàn)水生動物和水培植物的合理搭配及大規(guī)模種養(yǎng)，國際上的主流做法是將養(yǎng)殖池和種植區(qū)域分離，養(yǎng)殖池和種植區(qū)域通過水泵實現(xiàn)水循環(huán)和過濾.在栽培部分，主要的技術(shù)模式有營養(yǎng)膜管道栽培、深水浮筏栽培或浮筏栽培、基質(zhì)栽培等[2].盡管有關(guān)魚菜共生系統(tǒng)的研究越來越多，但魚菜共生系統(tǒng)中有關(guān)植物根系微生物的研究相對滯后.在魚菜共生系統(tǒng)中，微生物發(fā)揮著重要的作用[3]，其中植物根系微生物有助于促進植物生長，抑制病原菌生長[4-7].與此同時，植物根系微生物的群落結(jié)構(gòu)受到環(huán)境因子的影響.隨著各種“組學”技術(shù)(宏基因組組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學等)的發(fā)展，有助于更深入地認識魚菜共生系統(tǒng)中的植物根系微生物群落結(jié)構(gòu)，這對今后進一步推廣魚菜共生綠色養(yǎng)殖新模式具有重要意義.

1 魚菜共生系統(tǒng)概述

2 魚菜共生系統(tǒng)中的植物根系微生物

在魚菜共生系統(tǒng)中微生物是連接水生動物排泄物(高濃度銨)和植物肥料(低銨和高硝酸鹽的組合)的橋梁[20].魚菜共生系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)需要微生物參與，而植物要吸收營養(yǎng)物質(zhì)則需要根系微生物的參與.

2.1 水培植物根系微生物

植物根系微生物通常包括3個部分: 與外界土壤接觸的根際微生物、根系表面的根表微生物和根系內(nèi)部的根系內(nèi)生菌.根際微生物主要生活在外界的環(huán)境中，將環(huán)境中的無機物轉(zhuǎn)化為有機物，為植物生長提供養(yǎng)料.根表微生物主要生活在根系的表面，可形成厚密的套膜，保護內(nèi)部的根系，抵御病原物入侵.在魚菜共生系統(tǒng)中種植作物后，微生物利用植物分泌物、營養(yǎng)液和植物殘體，其群體會迅速擴大.植物微生物群落的建立是植物與根際微生物相互作用的結(jié)果[21-23].在魚菜共生系統(tǒng)中，植物生長促進微生物(Plant Growth Promoting Microbes, PGPM)可提高植物吸收養(yǎng)分的能力[24].水培系統(tǒng)中植物根際促生細菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria, PGPR)常見種類有假單胞菌屬(Pseudomonas)[25]，芽孢桿菌屬(Bacillus)[26]，腸桿菌屬(Enterobacter)[27]，鏈霉菌屬(Streptomyces)[28]，黏帚霉屬(Gliocladium)[29]，木霉屬(Trichoderma)[30].水培體系中的PGPR可以固氮，能夠從環(huán)境中吸取養(yǎng)分，促進植物生長，還能夠控制環(huán)境脅迫，與病原菌競爭實現(xiàn)生物防治，可用作生物肥料、生物控制劑和生物介質(zhì).Urakawa等研究發(fā)現(xiàn)生物浮床的植物根系微生物群落還包括魚腥藻(Anabaena)、根瘤菌(Rhizobium)和紅桿菌(Rhodobacter).其植物根系的微生物群落與周圍水樣的微生物群落較為相似[31].

2.2 植物根系微生物的作用

2.2.1 抵抗病原

魚菜共生技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是疾病控制.由于使用高濃度的植物保護劑可能會對水生動物有害，魚菜共生系統(tǒng)需要利用微生物對植物進行生物防控.將PGPM整合到魚菜共生系統(tǒng)中可緩解系統(tǒng)中微量營養(yǎng)素的波動，防止植物病原體的大量繁殖，達到生物防治的目標.在魚菜共生系統(tǒng)中假單胞菌是很重要的植物根系微生物.它能夠增強抗性誘導，產(chǎn)生抗菌化合物，爭奪生存空間和營養(yǎng)，保護其生長的表面免受疾病(如由腐霉(Pythium)引起的根腐病)[32-34]傷害，起到生物防控的作用.Schmautz等對魚菜共生系統(tǒng)的植物根系微生物進行宏基因組檢測，發(fā)現(xiàn)根中伯克霍爾德菌(Burkholderiales)、黃桿菌(Flavobacteriales)和假單胞菌屬分布相對較多，表明生菜植株可能選擇了一個能夠?qū)ζ涓M行內(nèi)在生物控制的群落[34].假單胞菌對赤霉病菌和根腐病菌有拮抗作用.水栽番茄、黃瓜、生菜和馬鈴薯經(jīng)過假單胞菌的處理可使根和莖重增加，根腐病減輕[35-37].Lee等通過在水培生菜根部周圍使用綠針假單胞菌(Pseudomonaschlororaphis)，可增強植物的抗感染能力，促進植物健康[38].在水培辣椒上引入綠針假單胞菌能有效地抑制腐瓜果霉(Pythiumaphanidermatum)和寬雄腐霉(Pythiumdissotocum)的侵染，控制根腐病[39].芽孢桿菌也可起到預防或減弱植物致病菌的作用[40].Niazi等研究表明芽孢桿菌基因組通過產(chǎn)生植物激素和抗菌/抗真菌化合物，促進植物生長和抑制植物病害[41].叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizaefungi)可抑制鐮刀菌(Fusariumspp.)對水培番茄根腐病的誘導作用，對水培植物的健康起到重要的作用[42].在黃瓜和番茄水培系統(tǒng)中，生物防治劑鏈孢黏帚霉(Gliocladiumcatenulatum)對防治由腐霉屬或鐮刀菌引起的根病有顯著效果[28-29].還有木霉菌對根的處理也可減輕黃瓜葉斑病癥狀[30].

2.2.2 促進生長

魚菜共生系統(tǒng)中缺乏鐵元素，熒光假單胞菌Pf-5(PseudomonasfluorescensPf-5)可以增加根系的鐵載體的產(chǎn)量，促進鐵進入植物根系[43]，對植物生長有利.Pf-5被認為是一種有價值的PGPM，可以改善鐵缺乏造成的影響[24].Lee等研究也發(fā)現(xiàn)水培植物系統(tǒng)的PGPM有許多能夠產(chǎn)生鐵載體的物種，可提高植物對養(yǎng)分的利用率[44].除了能夠促進鐵吸收的PGPM之外，魚菜共生的植物根系中還存在促進磷吸收的PGPM——叢枝菌根真菌.魚菜共生系統(tǒng)中磷濃度較低，叢枝菌根真菌可促進磷的吸收，對植物生長有利[45-46].芽孢桿菌也可促進植物生長.Gül等研究發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌能提高番茄的水分利用效率[47].還有地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)可增加番茄和辣椒的直徑和重量，促進了作物高產(chǎn)[48].除此之外，固氮菌也被認為是促進作物生長的重要因子[49].根瘤菌是主要的固氮菌，同時被認為是PGPM成員之一.

2.2.3 促進氮利用

在魚菜共生系統(tǒng)中3種主要的硝化細菌為硝基桿菌(Nitrobacter)、亞硝基單胞菌(Nitrosomonas)和硝基螺菌(Nitrospira)[53].過去研究認為硝化作用要由AOB和NOB分兩步進行，硝基桿菌是主要的AOB，硝基桿菌或硝基螺菌是主要的NOB.但實際上由氨到硝酸鹽的一步完全硝化作用比兩步硝化作用更有利[51].目前，有關(guān)硝基螺菌可作為完全氨氧化劑的觀點不斷被證實.Blackburne等發(fā)現(xiàn)在亞硝酸鹽和銨離子濃度較低的環(huán)境中，硝基螺菌比硝基桿菌更普遍[54].Bartelme等發(fā)現(xiàn)在循環(huán)水養(yǎng)殖的生物濾池中，硝基螺菌是最主要的硝化細菌，而未檢測到硝基桿菌[55].今后可研究魚菜共生系統(tǒng)中植物根系硝基螺菌的不同菌株，并確定這些菌株的存在對NUE的影響.此外，可否在水培植物根系構(gòu)建生物膜促進營養(yǎng)物質(zhì)的吸收也有待進一步研究.

2.3 其他

在魚菜共生系統(tǒng)中，過量的固體廢物增加了對氧的需求，導致根際缺氧，并可能產(chǎn)生有毒的氨和亞硝酸鹽.魚菜共生系統(tǒng)要適當?shù)倪M行固體廢物管理，保持植物根部周圍的氧氣梯度，促進PGPM定植，防止植物病原生長.與土壤栽培相比，水培植物由于懸浮在水里，水環(huán)境更有利于病原體的均勻分布和遷移，增加了病原體內(nèi)化的風險.食源性病原體可能更有機會接觸植物根系后再附著其上，造成食品安全風險.因此，需要關(guān)注魚菜共生系統(tǒng)中農(nóng)產(chǎn)品的食品安全問題[56].

從基因?qū)用嫔?，PGPR腸桿菌科和假單胞菌功能注釋的基因預測結(jié)果顯示，PGPR含有參與合成硫化氫(H2S)的基因，這些基因有助于植物生長.PGPR攜帶有碳水化合物代謝基因，表明PGPR能有效利用根系分泌物等有機物質(zhì)作為能量來源.PGPR還具有產(chǎn)生抗氧化酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的基因[57].此外，微生物群落的微小變化還可能對宿主的健康產(chǎn)生巨大影響.如經(jīng)過熒光假單胞菌處理的擬南芥，其基因型發(fā)生巨大變化[58].

3 魚菜共生系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化的影響因素

魚菜共生系統(tǒng)的植物根系微生物在氮轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要的作用，其中硝化細菌、反硝化細菌等微生物可以促進氮循環(huán).魚菜共生系統(tǒng)中影響氮轉(zhuǎn)化的各種因素(pH、DO、水力負荷(Hydraulic Loading Rate, HLR)、碳氮比(C∶N)等)及其與生物物種的關(guān)系如圖1所示.

圖1 魚菜共生系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化示意圖

3.1 pH

在魚菜共生系統(tǒng)中，pH是影響水生動物代謝、微生物活動和植物利用氮源效果的主要因素[59-60].然而，系統(tǒng)中的3種主要生物體(魚類、硝化細菌和植物)的最適pH值范圍有所不同.魚菜共生系統(tǒng)中最常見品種尼羅羅非魚的最佳pH值7.0～9.0；3種主要硝化細菌(硝基菌屬、亞硝基梭菌屬和亞硝基螺旋藻屬)的最適pH值范圍分別為7.5，7.0～7.5和8.3[61-62].硝化效率受pH值的影響.硝化作用的最佳pH值范圍為7.0～9.0，處在較高pH值時硝化效率更高.水培植物可生長的pH范圍為5.5～6.5，最適pH值為5.8～6.2.溶液的pH值影響營養(yǎng)物的溶解性，特別是微量金屬.當pH值超過7.0時，植物對鐵、錳、銅、鋅和硼等基本營養(yǎng)物質(zhì)的可利用性較差，在pH<6.0時，磷、鈣、鎂、鉬的溶解度急劇下降.為平衡硝化作用和養(yǎng)分利用率的要求，魚菜共生系統(tǒng)pH值可維持在接近7.0較為合適[16].

3.2 溶解氧(DO)

由于好氧微生物(如: 硝化細菌和異養(yǎng)生物)和水生生物的活動，魚菜共生系統(tǒng)的植物根區(qū)周圍以及生物濾池的DO降低.當DO低時會導致氮受反硝化作用而損失.為了維持硝化細菌活性，生物濾池的DO應該在1.7mg/L以上[63].Kim等利用TAN含量225～450mg/L的合成廢水進行研究，結(jié)果表明當DO低于4mg/L時，AOB活性降低；而當DO低于2mg/L時NOB活性降低[64].在魚缸和生長床入口DO含量未達到5～6mg/L時會對魚類和植物造成壓力[65].因此，在魚菜共生系統(tǒng)中，經(jīng)過植物后的水進入養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)之前需要復氧，使DO達到5mg/L以上.

3.3 水力負荷(HLR)

水力負荷是指沉淀池、生物濾池或植物生長床等單位表面積中的液體流量.在水中，微生物和營養(yǎng)物與植物根系的最佳接觸時間受HLR控制[66].Endut等研究發(fā)現(xiàn)當魚菜共生系統(tǒng)中HLR為1.28m/d時，植物的NUE最高[67].當HLR低時會導致缺氧，引起反硝化作用，導致氮從水中流失；當HLR高時會減少了循環(huán)水與植物根系的接觸時間，同時水還會沖走附著在植物根系和生物濾池介質(zhì)上的微生物[67-68].

3.4 氮濃度

4 魚菜共生系統(tǒng)中根系微生物群落的研究手段

由于魚菜共生系統(tǒng)是由水產(chǎn)養(yǎng)殖、水培植物及微生物組成的多元結(jié)構(gòu)，植物根系微生物群落復雜多樣，對微生物群落的分析可為改進優(yōu)化魚菜共生系統(tǒng)提供指導.自然界中可在實驗室條件下培養(yǎng)的細菌很少，要反映環(huán)境中菌群的結(jié)構(gòu)組成不能僅僅依靠傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)方法[73].目前，環(huán)境微生物的研究多數(shù)采用新一代的高通量測序技術(shù)，其能夠較準確地定性和定量分析微生物多樣性和豐度，有利于深入準確地了解環(huán)境微生物[74-76].利用宏基因組和轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對原核生物多樣性的分析.特別是基于種內(nèi)細菌16S rRNA基因的擴增和序列分析，被認為是分類和鑒定細菌物種的“金標準”.細菌以外的微生物，除了使用18S(真核生物)，26S(真菌)和16S與26S(酵母)rRNA克隆文庫來描述微生物群落，還可以利用宏基因組學[77].利用分子生物學方法，可以開展植物PGPR的全基因組鑒定、微生物群落分析以及基因型的改變的研究.下一代測序(Next Generation Sequencing, NGS)可通過分析群體樣本基因組數(shù)據(jù)(宏基因組學)來表征微生物群落，揭示時空系統(tǒng)發(fā)育變化和跟蹤病原體.NGS還可用于在水生動物中追蹤特定的菌株，消除攜帶有毒菌株的種群，同時保留其他菌株的攜帶者[78].宏基因組學方法可用于研究以前無法培養(yǎng)的物種.蛋白質(zhì)組學還可通過與共生微生物群落相關(guān)的分泌蛋白的分析，來研究特定環(huán)境條件下細菌種類或菌株的致病性或共生關(guān)系[79].在特定環(huán)境條件下微生物群落的代謝組學研究揭示了營養(yǎng)物質(zhì)的生物地球化學循環(huán)和變化效果.將代謝組學與基因功能研究相結(jié)合在推進魚菜共生系統(tǒng)植物根系微生物研究方面具有巨大的潛力[80].

5 展 望

隨著魚菜共生研究的不斷深入，未來的魚菜共生系統(tǒng)中植物根系微生態(tài)群落研究可以選擇從以下幾個方面入手:(1)根的健康對植物的生存至關(guān)重要.魚菜共生系統(tǒng)中微生物在根的定植是PGPM的一個重點研究領(lǐng)域；(2)魚菜共生系統(tǒng)中PGPM的研究應注重PGPM參與下系統(tǒng)中營養(yǎng)成分動態(tài)變化，及其對植物作用的相關(guān)機制，有利于創(chuàng)造更多價值；(3)健壯菌種，篩選性能優(yōu)良、對植物生長有利的PGPM，將其生產(chǎn)分離并加以應用；(4)與基于復雜的土壤栽培系統(tǒng)相比，魚菜共生系統(tǒng)在高度監(jiān)控和控制的環(huán)境中運行(例如，pH、溫度、水力保持時間、營養(yǎng)濃度等)，這為PGPM研究提供了可擴展、可高度復制和可調(diào)節(jié)的實驗環(huán)境，在這樣的研究環(huán)境中獲得的發(fā)現(xiàn)可以更直接地轉(zhuǎn)移到工業(yè)或?qū)嶋H應用中.