海馬齒對不同鹽度水質(zhì)的碳匯作用以及不同形態(tài)氮利用的研究*

劉旭佳 何緒剛 賴俊翔 黃國強 侯 杰 熊向英 劉 京

海馬齒對不同鹽度水質(zhì)的碳匯作用以及不同形態(tài)氮利用的研究*

劉旭佳1,2,3,4何緒剛2①賴俊翔1,5黃國強6侯 杰2熊向英1, 3劉 京4

(1. 廣西科學院 廣西海洋科學院 廣西近海海洋環(huán)境科學重點實驗室 廣西南寧 530007; 2. 華中農(nóng)業(yè)大學水產(chǎn)學院 湖北武漢 430070; 3. 廣西海洋研究所有限責任公司 廣西北海 536000; 4. 北部灣大學海洋學院 廣西海洋生物多樣性養(yǎng)護重點實驗室 廣西欽州 535011; 5. 北部灣海洋產(chǎn)業(yè)研究院 廣西防城港 538000; 6. 廣西中醫(yī)藥大學海洋藥物研究院 廣西南寧 530200)

鹽度; 海馬齒; 碳匯; 氮

海馬齒(), 屬番杏科海馬齒屬, 主要生長在海邊沙地或鹽堿地帶的多年生匍匐性肉質(zhì)耐鹽堿高等植物, 具有非常強的生長能力與較廣的生態(tài)適應特征。由于可在不同鹽度環(huán)境中進行水培(張艷琳等, 2009; 曾碧健等, 2017; 劉煒等, 2021), 海馬齒依靠發(fā)達根系吸附水體中懸浮顆粒物, 降低養(yǎng)殖水體氮磷含量(楊芳等, 2019), 通過吸收氮磷同化為自身生物量并形成碳匯, 被應用在立體生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)中具有較高的生物安全性與景觀生態(tài)服務功能(李衛(wèi)林等, 2019; 楊芳等, 2019)。海馬齒近年來被廣泛應用于生態(tài)修復領域, 比如養(yǎng)殖廢水、海水養(yǎng)殖池塘以及養(yǎng)殖網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水質(zhì)修復應用(曾碧健等, 2016; 王進進, 2017; Boxman, 2018; 楊芳等, 2019; Zhang, 2022)。

植物生存的土壤環(huán)境中, 80%以上氮素為有機氮形式, 其中氨基酸態(tài)氮占20%～40%(馬林, 2004)。池塘養(yǎng)殖過程中會產(chǎn)生很多溶解態(tài)有機質(zhì)、無機氮等物質(zhì), 養(yǎng)殖過程輸出的溶解性有機物(DOM)主要由殘餌、糞便以及代謝產(chǎn)物釋放的蛋白質(zhì)樣熒光產(chǎn)物(酪氨酸和色氨酸)組成, 這種DOM可高度降解(Nimptsch, 2015)。國內(nèi)有研究報道湖泊中水溶性有機質(zhì)(WSOM)主要是類色氨酸物質(zhì)(馮偉瑩等, 2016; 張博等, 2018), 因此研究海馬齒對色氨酸的利用具有重要的現(xiàn)實意義。近年來, 許多學者關注鹽度對海馬齒生長的研究, 主要針對耐鹽機理、形態(tài)結(jié)構(gòu)變化響應、生長以及生理生化指標等(Lokhande, 2010; 李衛(wèi)林等, 2019; 劉煒等, 2021)。目前關于海馬齒在不同鹽度水質(zhì)中的有機元素積累以及對無機氮與色氨酸利用情況未見報道。因此, 本文主要研究不同鹽度條件下海馬齒有機元素含量、積累速率以及根際與無機氮、色氨酸吸收關系, 探討海馬齒碳匯作用以及根際對不同形態(tài)氮的利用, 同時為海馬齒在不同鹽度水域修復中的應用提供科學數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與培養(yǎng)

海馬齒于2021年6月11日在廣西北海市竹林鹽場蝦塘邊采摘, 帶回實驗室, 地上部分保留10 cm左右, 每株海馬齒2～3個莖節(jié)淹沒在250 mL錐形瓶中水里進行單株水培。6月11日至30日, 進行鹽度0、10、20、30、35水培馴化, 鹽度30海水取自廣西海洋研究所有限責任公司竹林增養(yǎng)殖基地的砂濾天然海水, 通過添加超純水(PTB-375G, 成都沛億)進行低鹽水調(diào)配, 鹽度35通過添加海鹽(Instant Ocean?Aquarium Systems, Inc.)進行配制。每天提高或者降低鹽度2～3。實驗過程水溫范圍28.5～31.2 °C。水培過程添加霍格蘭營養(yǎng)液(Phygene, 福州)。每5日更換相應鹽度的新水。

1.2 實驗設計

選擇生長均勻的海馬齒, 鮮重為(3.16±0.26) g/ind., 每個鹽度組選擇18株海馬齒, 并進行單獨編號, 海馬齒水培時間為6月11日至9月1日, 共82 d, 在實驗開始和終末時, 將5個鹽度處理組海馬齒各取9株, 60 °C烘干至恒重, 記錄單株海馬齒干重, 然后粉碎過80目篩, 測定海馬齒有機碳、有機氮和有機磷含量。

每個鹽度處理組分為對照組、對照抑菌組、海馬齒根際菌組、海馬齒抑菌組, 每組設3個重復試樣。抑菌組通過添加氨芐青霉素200 mg/L, 頭孢噻肟100 mg/L用于抑制細菌生長。每個鹽度組培養(yǎng)水經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾, 添加初始濃度霍格蘭營養(yǎng)液, 然后經(jīng)過高壓滅菌鍋121 °C, 20 min滅菌, 待冷卻后在超凈工作臺進行分裝, 每個錐形瓶分裝300 mL水, 立刻使用硅膠塞密封, 將相對應鹽度培養(yǎng)的海馬齒插在硅膠塞中央孔, 最后用凡士林密封。對照組用無孔硅膠塞密封, 所有錐形瓶用錫箔紙包裹遮光。

對照組代表細菌和非生物因子作用, 對照抑菌組代表非生長因子的作用, 海馬齒根際菌組代表海馬齒、根際菌、細菌和非生物因子作用, 海馬齒抑菌組代表海馬齒和非生物因子的作用。對照組減去海馬齒根際菌組代表海馬齒根際菌聯(lián)合作用, 對照抑菌組減去海馬齒抑菌組代表海馬齒單獨作用。

1.3 樣品測定

1.3.1 海馬齒植株有機碳、有機氮和有機磷測定 有機碳、有機氮采用元素分析儀(VarioEL III CHONS analyzer, Germany)測定。有機磷采用灰化法測定(Zhou, 2003)。

1.3.3 色氨酸測定 采用對二甲氨基苯甲醛比色測定法, 在酸性條件下, L-色氨酸與對二甲氨基苯甲醛產(chǎn)生縮合反應, 生成藍色希夫堿化合物, 然后加入亞硝酸鈉進行重氮化反應藍色繼續(xù)加深, 在一定范圍內(nèi)與L-色氨酸濃度成線性相關, 593 nm分光光度法定量測定(李陽, 2009)。

1.3.4 海馬齒根與根際培養(yǎng)水細菌測定 剪取S0、S10、S20、S30、S35處理組的海馬齒新根, 剪刀用75%乙醇進行消毒處理。將5個鹽度處理組海馬齒根際5日培養(yǎng)水各取1 L(分別標記為SW1、SW2、SW3、SW4、SW5), 分別經(jīng)過0.45 μm、0.22 μm濾膜過濾。細菌樣品放入液氮中保存。

將每個樣品剪碎, 用E. Z. N. A Water DNA Extraction Kit試劑盒(Omega Bio-Tek, USA)提取DNA。對16S rDNA基因可變區(qū)V3～V4區(qū)進行PCR擴增, 所用引物序列為細菌特異性引物: 341F(5′-CCT AYGGGRBGCASCAG-3′)和806R(5′-GGACTACNNG GGTATCTA AT-3′)。PCR產(chǎn)物使用2%濃度的瓊脂糖凝膠電泳檢測, 送百邁克生物信息公司(北京)進行基于Illumina HiSeq2500測序平臺, 利用雙末端測序的方法, 構(gòu)建小片段文庫進行測序。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有結(jié)果數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示, 采用EXCEL進行分析作圖, 并對不同處理組之間的數(shù)據(jù)進行LSD方差檢驗, 以< 0.05作為差異顯著標準。

細菌群落數(shù)據(jù)分析首先使用Trimmomatic v0.33軟件, 對測序得到的Raw Reads進行過濾; 然后使用cutadapt 1.9.1軟件進行引物序列的識別與去除, 得到不包含引物序列的高質(zhì)量Reads; 使用FLASH v1.2.7軟件, 通過overlap對每個樣品高質(zhì)量的Reads進行拼接, 得到的拼接序列即Clean Reads; 使用UCHIME v4.2軟件, 鑒定并去除嵌合體序列, 得到最終有效數(shù)據(jù)(effective reads)。使用Usearch軟件對Reads在97.0%的相似度水平下進行聚類、獲得OTU。以SILVA為參考數(shù)據(jù)庫使用樸素貝葉斯分類器對特征序列進行分類學注釋, 得到每個特征對應的物種分類信息。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽度條件下海馬齒干重變化

不同鹽度處理組海馬齒初重與終末干重變化見圖1。6月11日5個鹽度組海馬齒植株初始干重間無顯著差異(d=4,=1.452,=0.226)。實驗終末時, 5個鹽度處理組之間海馬齒干重差異顯著(d=4,=14.896,=0.000), 其中S10鹽度處理組顯著高于其余處理組(0.05), S35鹽度處理組顯著低于其余處理組(0.05), 其余組間差異不顯著(0.05)。

2.2 不同鹽度條件下海馬齒植株有機碳、有機氮、有機磷含量

實驗開始時, 不同鹽度處理組海馬齒有機碳、有機氮、有機磷含量見表1。不同鹽度處理組海馬齒有機碳、有機氮、有機磷含量間差異不顯著(d=4,=1.381,=0.249; d=4,=1.160,=0.336; d=4,=0.966,=0.431)。實驗結(jié)束時, 不同鹽度處理組有機碳含量差異顯著(d=4,=20.189,=0.000; d=4,=43.571,=0.000; d=4,=41.459,=0.000)。S10處理組有機碳含量顯著高于其余處理組(0.05), S0處理組顯著高于S30、S35處理組(<0.05), 且S30處理組顯著高于S35處理組(<0.05)。S0、S10處理組有機氮含量顯著高于其余處理組(<0.05), 且S20、S30處理組有機氮含量顯著高于S35處理組(<0.05)。S0、S10處理組有機磷含量顯著高于其余處理組(<0.05), 且S20處理組有機磷含量顯著高于S30、S35處理組(<0.05)。

不同鹽度處理組海馬齒干重有機碳、有機氮、有機磷積累速率見表2。不同鹽度處理組海馬齒干重有機碳、有機氮、有機磷積累速率差異顯著(d=4,=14.307,=0.000; d=4,=26.854,=0.000; d=4,=37.016,=0.000)。S10處理組海馬齒干重有機碳積累速率顯著高于其余處理組(0.05), S35處理組顯著低于其余四個處理組(<0.05)。S0、S10處理組海馬齒干重有機氮積累速率高于其余處理組(0.05), S35處理組顯著低于其余四個處理組(<0.05)。S0、S10處理組海馬齒干重有機磷積累速率高于其余處理組(0.05), S30與S35處理組無顯著差異(0.05)。

2.3 不同鹽度條件下海馬齒吸收無機氮情況

不同鹽度條件下海馬齒利用氮情況見圖2～8, 圖中縱坐標代表單株培養(yǎng)錐形瓶水體中營養(yǎng)鹽質(zhì)量。所有實驗組培養(yǎng)水體中銨態(tài)氮含量隨時間變化見圖2?？梢钥闯? S0處理組除對照抑菌組5 d出現(xiàn)降低外, 對照組、海馬齒根際菌組、海馬齒抑菌組在1、3、5 d時均呈現(xiàn)增加現(xiàn)象; S10鹽度處理組, 海馬齒根際菌組在3、5 d時銨態(tài)氮含量明顯增加, 其他組銨態(tài)氮含量基本低于初始含量; S20鹽度處理組, 銨態(tài)氮含量跟S10處理組變化相似, 同時海馬齒根際菌組在3、5 d時銨態(tài)氮含量更高; S30、S35鹽度處理組, 海馬齒根際菌組在3、5 d時的銨態(tài)氮含量均顯著增加, 對照抑菌組與海馬齒抑菌組銨態(tài)氮含量則明顯降低。海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用銨態(tài)氮利用量見圖3?？梢钥闯? S0、S10處理組海馬齒根際菌聯(lián)合作用、海馬齒單獨作用下均不利用銨態(tài)氮, S20、S30與S35處理組的海馬齒抑菌情況下會利用少量銨態(tài)氮。

圖1 不同鹽度條件下初始與終末海馬齒干重

表1 不同鹽度處理組海馬齒有機碳、有機氮、有機磷含量

注: 同一行中不同小寫字母代表不同鹽度處理組之間差異顯著(0.05)

表2 不同鹽度處理組海馬齒中有機碳、有機氮、有機磷積累速率

注: 同一行中不同小寫字母代表不同鹽度處理組之間差異顯著(0.05)

圖2 所有實驗組培養(yǎng)水體中銨態(tài)氮含量隨時間變化

所有實驗組培養(yǎng)水體中硝態(tài)氮含量隨時間變化見圖4。5個鹽度處理組中, 海馬齒根際菌組的硝態(tài)氮含量在3、5 d時均顯著下降。海馬齒抑菌組整體上在3、5 d時也表現(xiàn)下降趨勢, 但含量整體要高于海馬齒根際菌組。海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用硝態(tài)氮利用量見圖5?？梢钥闯? S10鹽度處理組抑菌情況下在3、5 d時不利用硝態(tài)氮, 其余處理組海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒單獨作用均會利用大量硝態(tài)氮, 海馬齒根際菌聯(lián)合情況下利用量明顯高于海馬齒單獨作用。

所有實驗組培養(yǎng)水體中磷酸鹽含量隨時間變化見圖6。5個鹽度處理組中, 海馬齒根菌組與海馬齒抑菌組的磷酸鹽含量均呈現(xiàn)出整體下降現(xiàn)象, 其中S20處理組下降最顯著。海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用無機磷利用量見圖7?？梢钥闯? S20鹽度處理組海馬齒根際菌聯(lián)合、海馬齒抑菌組, 1、3、5 d磷酸鹽利用量最高; S10處理組海馬齒根際菌組、海馬齒抑菌組1、3 d利用量最低。

所有實驗組培養(yǎng)水體中色氨酸含量隨時間變化見圖8。5個鹽度處理組中, 海馬齒根際菌組色氨酸含量均表現(xiàn)急劇下降; S0、S10處理組海馬齒抑菌組色氨酸含量也出現(xiàn)急劇下降, 而S20、S30、S35處理組海馬齒抑菌組色氨酸含量下降幅度則小很多。海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用色氨酸利用量見圖9?？梢钥闯? 5個鹽度處理組海馬齒根際菌聯(lián)合作用下均吸收色氨酸; S0、S10處理組海馬齒抑菌組利用量較高, S20、S30、S35鹽度處理組利用量比較少。

2.4 不同鹽度條件下海馬齒根際與根際培養(yǎng)水細菌群落結(jié)構(gòu)

高通量測序及其數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示: 5個鹽度處理組海馬齒根際S0、S10、S20、S30、S35, 與5個鹽度海馬齒根際培養(yǎng)水SW10、SW10、SW20、SW30、SW35的細菌歸屬于25門類、60綱、161目、290科、497屬、532種。表4是10個樣品細菌門水平細菌組成與比率。

圖3 海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用利用銨態(tài)氮含量

圖4 所有實驗組培養(yǎng)水體中硝態(tài)氮含量隨時間變化

圖5 海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用利用硝態(tài)氮含量

圖6 所有實驗組培養(yǎng)水體中磷酸鹽含量隨時間變化

圖7 海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用利用磷酸鹽含量

圖8 所有實驗組培養(yǎng)水體中色氨酸含量隨時間變化

圖9 海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒作用利用色氨酸含量

根際區(qū)與根際培養(yǎng)水優(yōu)勢菌數(shù)量差異很大(表3)。根際區(qū)優(yōu)勢菌有變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、藍藻門(Cyanobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)。根際培養(yǎng)水的優(yōu)勢菌有變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、藍藻門(Cyanobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)。

硝化細菌類群和比率見表4。根際區(qū)硝化菌數(shù)量明顯低于根際培養(yǎng)水。根際區(qū)硝化細菌除S30鹽度組外, 其他鹽度處理組相差不大。根際培養(yǎng)水硝化細菌SW30最低, SW20含量最高。共發(fā)現(xiàn)兩個菌屬氨氧化細菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB): 亞硝化單胞菌屬()和亞硝化螺桿菌屬()。檢測到一個亞硝酸鹽氧化菌(nitrite oxidizing bacteria, NOB), 主要是硝化螺菌屬()。

反硝化細菌類群和比率見表5。根際區(qū)反硝化菌數(shù)量明顯低于根際培養(yǎng)水, 且根際區(qū)、根際培養(yǎng)水反硝化細菌數(shù)量均顯著高于硝化細菌。共發(fā)現(xiàn)放線菌門2個菌屬, 厚壁菌門3個菌屬, 擬桿菌門1個菌屬, 變形菌門7個菌屬的反硝化細菌。根際菌中乳桿菌屬()、不動桿菌屬()、蒼白桿菌()含量較高。

表3 海馬齒根際與根際培養(yǎng)水門水平細菌類群組成和比率

表4 海馬齒根際與根際培養(yǎng)水硝化細菌類群組成和比率

表5 海馬齒根際與根際培養(yǎng)水反硝化細菌類群組成和比率

3 討論

3.1 不同鹽度條件下海馬齒生長

經(jīng)過近3個月培養(yǎng), 鹽度10條件下海馬齒干重、有機碳含量以及積累速率最高, 有機氮、有機磷含量以及積累速率與鹽度0之間均無顯著差異, 且顯著高于其余鹽度處理; 鹽度35條件下海馬齒干重、有機元素含量以及積累速率則最低, 說明一定鹽度下海馬齒可以快速生長并積累較高的有機元素, 高鹽環(huán)境對海馬齒生長造成脅迫, 從而導致營養(yǎng)元素積累最少。水培過程中通過觀察海馬齒株高變化以及根系絨毛結(jié)構(gòu), 可以看出S0、S10低鹽度處理組的海馬齒生長最為迅速, 主要是由于根系絨毛長、數(shù)量多以及吸水量較高的原因。國內(nèi)許多研究人員開展了鹽度對海馬齒生長影響的研究(張艷琳等, 2009; 曾碧健等, 2017; 李衛(wèi)林等, 2019; 劉煒等, 2021), 其一致結(jié)論是低鹽促進海馬齒生長, 高鹽對其生長產(chǎn)生抑制, 外在表現(xiàn)為海馬齒出現(xiàn)葉片肉質(zhì)、莖節(jié)短、生長緩慢、甚至死亡等現(xiàn)象。李衛(wèi)林等(2019)研究鹽度對水培海馬齒生長和生理生化因子的影響, 指出在鹽度0～20, 海馬齒生長幾乎不受影響, 高鹽度25～35, 海馬齒生長受到明顯脅迫, 鹽度35條件上部分海馬齒莖節(jié)腐爛潰敗, 苗種成活率下降。劉煒等(2021)研究明確指出, 鹽度10條件下, 海馬齒干物質(zhì)積累量較高, 生長最快, 這與本實驗結(jié)論完全一致; 但該作者的實驗中出現(xiàn)鹽度30導致海馬齒死亡的情況, 這與曾碧健等(2017)文章結(jié)果相似。本實驗中海馬齒在馴化與實驗過程中, 鹽度0～35范圍均未出現(xiàn)死亡, 這與水培過程中添加色氨酸有重要關系, 具體分析見討論3.3。除此之外, 與海馬齒來源地有很大相關性, 本實驗中海馬齒取自廣西北海蝦塘旁的灘涂區(qū)域, 土壤中鹽分本來就很高, 同時海馬齒水培時間長達82 d, 均是高鹽水質(zhì)條件下海馬齒能夠基本維持生長的原因。

本實驗計算了不同鹽度海馬齒積累有機碳、有機氮和有機磷含量, 其中鹽度10條件下海馬齒有機質(zhì)積累速率最高, 有機碳、有機氮與有機磷積累速率分別為(5.572±1.611)、(0.313±0.058)、(0.057±0.013) mg/(d·ind.), 可以看出, 海馬齒固碳作用顯著, 若將海馬齒應用于養(yǎng)殖水體修復, 將是一種實現(xiàn)藍碳增匯的綜合養(yǎng)殖模式, 同時可為評估海馬齒移除養(yǎng)殖水體營養(yǎng)元素提供可靠數(shù)據(jù)參考。

3.2 不同鹽度條件下海馬齒吸收無機氮含量

海馬齒發(fā)達根部可為根際微生物培養(yǎng)提供附著位點, 同時海馬齒光合作用產(chǎn)生的O2輸送到根際區(qū), 形成好氧的表層與厭氧的亞層微環(huán)境, 可為脫氮微生物主要是硝化菌與反硝化菌提供優(yōu)勢條件。胡綿好(2009)等對鳳眼蓮-固定化氮循環(huán)細菌聯(lián)合作用對富營養(yǎng)化水體進行原位修復, 研究結(jié)果表明植物-微生物處理系統(tǒng)可以顯著提高水體中氮循環(huán)微生物數(shù)量, 且對總氮與銨態(tài)氮去除率為77.2%和49.2%。Zhang等(2022)研究養(yǎng)殖廢水中不同濃度磺胺對海馬齒吸收氮磷的影響中指出, 隨著磺胺濃度增加, 28 d后海馬齒鮮重、根系活力明顯下降, 葉片中抗氧性酶活力降低, 對廢水氮磷吸收下降, 水體中微生群落結(jié)構(gòu)改變,而根際菌受的影響較小。本研究中單株海馬齒培養(yǎng)瓶為封閉狀態(tài), 根際氮利用實驗為5 d, 時間較短, 對海馬齒植株以及體內(nèi)抗氧化體系影響較小; 且磺胺與本實驗中氨芐青霉素、頭孢噻肟的抑菌原理不同, 楊芳等(2014)用氨芐青霉素, 頭孢噻肟可以完全抑制海馬齒根際與培養(yǎng)水體中的細菌, 因此本實驗中抑菌條件可以代表海馬齒單獨作用, 但是海馬齒與根際菌是互相依托關系, 對根際菌抑制也有可能抑制海馬齒單獨作用下利用氮能力, 具體機制還有待后續(xù)進一步研究。

本實驗結(jié)果顯示, 海馬齒在不抑菌情況下, 不同鹽度處理組培養(yǎng)水中硝態(tài)氮均出現(xiàn)大幅降低, 而銨態(tài)氮濃度則明顯增加, 根據(jù)細菌高通量分析測序結(jié)果, 不同鹽度處理的海馬齒根際培養(yǎng)水中均存在較高豐度的反硝化細菌, 高鹽條件有利于反硝化細菌生長(仇元, 2016; 王芬等, 2020)。通過分析, 海馬齒實驗瓶中硝態(tài)氮變化至少有3個反應過程, 異化硝酸鹽還原為銨(dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA)被海馬齒利用; 硝態(tài)氮經(jīng)過反硝化作用被逐步還原為一氧化氮、氧化亞氮和氮氣從而導致硝態(tài)氮減少; 硝化過程也會生成部分硝態(tài)氮, 整體上呈現(xiàn)出硝態(tài)氮下降的結(jié)果。銨態(tài)氮變化至少也有3個反應過程, 海馬齒自身消耗代謝產(chǎn)生; 色氨酸被吸收利用后的氧化脫氨; 直接被吸收, 由于產(chǎn)生的含量遠大于消耗部分, 因此最后呈現(xiàn)出大量增加的結(jié)果。海馬齒在抑菌情況下, 培養(yǎng)水中硝態(tài)氮也出現(xiàn)大幅降低, 只有鹽度20、30、35處理組的海馬齒會利用少量銨態(tài)氮, 最高值出現(xiàn)在S20鹽度處理組, 第3 d利用量為0.52 mg。一般情況下, 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮同時存在時, 植物會優(yōu)先吸收銨態(tài)氮, 硝態(tài)氮必須依次經(jīng)過硝酸還原酶與亞硝酸還原酶作用才能還原為銨態(tài)氮, 才能被利用合成氨基酸、蛋白質(zhì)以及其他高分子化合物;另一種觀點認為, 硝態(tài)氮才是植物的重要氮源, 只有當硝態(tài)氮不足時, 才會吸收銨態(tài)氮(巫曉杰等, 2011)。仇元(2016)研究海馬齒生態(tài)浮床植物根際脫氮過程, 結(jié)果表明海馬齒高鹽30培養(yǎng)過程中水體7 d后氨氮從0.328 mg/L降低0.181 mg/L, 亞硝態(tài)氮從0上升到0.027 mg/L, 硝態(tài)氮從56.88 mg/L降到33.94 mg/L, 說明海馬齒主要利用的是硝態(tài)氮, 這與其初始營養(yǎng)鹽設置高也有很大關系, 充足的氮濃度滿足植物氮吸收與同化, 而氮儲存能力也會加快其吸收速率。

不同鹽度下海馬齒根際均會吸收不同濃度磷酸鹽, S20鹽度處理組吸收量最大, 海馬齒根際菌聯(lián)合作用吸收最大值出現(xiàn)在第5 d為(0.28±0.07) mg、海馬齒單獨作用吸收最大值出現(xiàn)在第3 d為(0.30±0.23) mg。植物吸收磷通常與根形態(tài)、根系分泌物、體內(nèi)磷轉(zhuǎn)運等因素有關, 同時會受到特異基因表達的調(diào)控(李廷軒等, 2017)。本實驗結(jié)果表明海馬齒根際菌聯(lián)合作用與海馬齒單獨作用都可以直接吸收磷酸鹽, 且海馬齒單獨作用吸收量也會高于聯(lián)合作用, 說明海馬齒根系與磷相關代謝菌對無機磷吸收都有競爭, 但具體吸收機理以及海馬齒根系與細菌聯(lián)合機制還需要進一步深入研究。

3.3 不同鹽度條件下海馬齒吸收色氨酸

色氨酸是植物體內(nèi)生長素生物合成重要的前體物, 同時作為動物飼料添加劑(孫育平等, 2016)在養(yǎng)殖過程會溶失在養(yǎng)殖水體中, 因此研究色氨酸吸收轉(zhuǎn)化對于構(gòu)建海馬齒浮床立體生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)具有重要實踐意義。色氨酸作為植物生長素合成的前體物質(zhì),在植物生長過程中發(fā)揮重要作用。色氨酸可以明顯促進玉米、甘藍的生長與養(yǎng)分吸收(陳振德等, 1997; 陳明昌等, 2005)。本實驗中鹽度35條件下海馬齒除了形態(tài)差異外, 并未出現(xiàn)植株死亡, 與添加色氨酸有很大關系, 實驗過程中發(fā)現(xiàn)添加色氨酸后第2 d, 海馬齒植株根部可以促生很多白色新根, 色氨酸可能改變海馬齒根際及植株體內(nèi)的生長激素水平。

通過分析推測, 海馬齒培養(yǎng)水體中色氨酸大量消耗至少存在兩個反應過程, 一是海馬齒與根際菌均可以直接利用色氨酸, 甚至存在強烈競爭, 吸收后進行運轉(zhuǎn)、分配和代謝; 二是直接代謝釋放, 最終導致色氨酸大幅下降。不抑菌的實驗瓶中, 色氨酸含量均表現(xiàn)出顯著降低, 不同鹽度處理組海馬齒根際菌聯(lián)合作用(單株)在5 d時間內(nèi)可以代謝25 mg左右的色氨酸。抑菌條件下, 色氨酸可以以分子形式直接進入海馬齒, 海馬齒單獨作用吸收色氨酸含量在鹽度S0、S10時最高, 高鹽環(huán)境則會對色氨酸吸收產(chǎn)生一定抑制, 因此說明在鹽度0～35條件下, 有細菌存在時海馬齒對色氨酸利用具有絕對競爭優(yōu)勢(崔曉陽, 2007), 3 d時色氨酸被消耗殆盡。海馬齒單獨作用時對色氨酸的利用則處于弱勢, 海馬齒根系利用色氨酸與無機氮差異顯著, 從數(shù)值來看, 鹽度0～35范圍海馬齒對色氨酸第5 d利用量(5.36～13.08 mg)遠高于硝態(tài)氮(-0.033～0.275 mg)、銨態(tài)氮(-0.942～0.340 mg)。因此, 在無機氮與色氨酸共存的抑菌情況下, 海馬齒對色氨酸利用量遠高于無機氮。

4 結(jié)論

海馬齒在鹽度10培養(yǎng)條件下生長最佳, 干物質(zhì)含量、有機元素含量與積累速率最高。不同鹽度抑菌培養(yǎng)條件下, 色氨酸與無機氮共存時均能被能被海馬齒利用, 色氨酸利用量遠高于硝態(tài)氮、銨態(tài)氮; 不抑菌條件下銨態(tài)氮則表現(xiàn)出增加的結(jié)果。海馬齒具有明顯碳匯作用, 可以用海馬齒浮床形式應用于不同鹽度范圍的池塘或者水域進行水質(zhì)修復。

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EFFECT OF SALINITY ON CARBON SEQUESTRATION BYAND UTILIZATION OF NITROGEN IN DIFFERENT FORMS

LIU Xu-Jia1, 2, 3, 4, HE Xu-Gang2, LAI Jun-Xiang1, 5, HUANG Guo-Qiang6, HOU Jie2, XIONG Xiang-Ying1, 3, LIU Jing4

(1. Guangxi Key Laboratory of Marine Environmental Science, Guangxi Academy of Marine Sciences,Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China; 2. College of Fisheries, Huazhong Agriculture University, Wuhan 430070, China; 3.Guangxi Institute of Oceanology Co. LTD, Beihai 536000, China; 4. Guangxi Key Laboratory of Marine Biodiversity Conservation, Oceanography institute, Beibu Gulf University, Qinzhou 535011, China; 5. Beibu Gulf Marine Industry Research Institute, Fangchenggang 538000, China; 6. Institute of Marine Drug, Guangxi University of Chinese Medicine, Nanning 530200, China)

salinity;; carbon sequestration; nitrogen

Q945

10.11693/hyhz20220500139

*國家自然科學基金項目, 31960225號, 31972797號; 廣西自然科學基金, 2021GXNSFAA196074號; 北海市科技開發(fā)項目, 201995045號, 202082035號; 防城港市科技開發(fā)項目, 防科AB20014027號。劉旭佳, 博士, 副研究員, E-mail: lxu0312@126.com

何緒剛, 教授, 博士生導師, E-mail: xgh@mail.hzau.edu.cn

2022-05-25,

2022-09-07