水、沉积物和鱼类肠道中微生物群落的特征：莲鱼共养系统与集约化池塘养殖系统的比较及其潜在的生态影响

《Aquaculture》：Characteristics of microbial communities in water, sediment, and fish intestines: A comparison between lotus-fish co-culture and intensive pond culture systems and their potential ecological impacts

水产养殖模式通过改变水体与沉积物环境因子，间接影响鱼肠道微生物多样性并抑制病原体丰度，验证了整合农业-水产养殖系统（LFC）的环境-微生物-宿主协同增效机制。

　　

李胜男|谢新宇|王哲|叶旭婷|杨璐|钟远申|罗凯坤|顾倩红

中华人民共和国湖南省长沙市410081，湖南师范大学生命科学学院，国家教育部多倍体鱼类繁殖与育种工程研究中心

摘要

微生物群落对水产养殖生态系统的健康至关重要。本研究评估了两种不同养殖模式——莲鱼共生养殖（LFC）和传统集约化池塘养殖（IPC）对水体、沉积物及鱼类肠道中微生物多样性和组成的影响。通过宏基因组测序结合微生物来源追踪和偏最小二乘路径建模（PLS-PM），系统地分析了不同养殖模式和时间下的微生物变化，并确定了其背后的驱动因素。结果表明，60%的微生物物种在鱼类肠道、沉积物和水体栖息地中存在共性。虽然养殖模式和时间都对微生物群落产生影响，但养殖模式是主导因素，尤其是在鱼类肠道中。与IPC相比，LFC显著增加了鱼类肠道的微生物α多样性（p<0.05），并降低了某些潜在病原体（如气单胞菌、罗姆布蒂西亚菌、梭菌）以及病毒和微孢子虫的相对丰度。来源追踪分析显示，LFC中31.0%的肠道微生物群来自沉积物，而IPC中这一比例为11.6%。PLS-PM分析表明，养殖模式通过改变水质（如总氮、溶解氧、化学需氧量）和沉积物性质（如总氮、总磷、NH4+氮）间接影响肠道微生物群落，同时可能通过宿主行为和饮食产生直接影响。这些发现表明，LFC通过结构化的“环境-微生物群落-宿主”途径增强了鱼类肠道的微生物多样性并抑制了潜在病原体，为优化养殖模式以实现可持续渔业提供了科学依据。

引言

水产养殖是全球食品供应和经济发展的重要组成部分（Garlock等人，2020；Gui，2024）。随着全球人口的持续增长和对高质量蛋白质需求的增加，水产养殖业迅速发展（Mair等人，2023）。然而，这种增长也带来了前所未有的挑战和机遇（Naylor等人，2021）。一个关键挑战在于传统的水产养殖方式，尤其是集约化池塘养殖（IPC），它们常常伴随着一系列环境问题，包括水体富营养化、疾病爆发和抗生素滥用（Tian和Dong，2023）。这些问题严重限制了水产养殖的可持续发展。因此，通过优化养殖模式和改进管理策略来实现生态和可持续的水产养殖已成为当前研究的重点（Xie等人，2013；Gui，2024）。在水产养殖生态系统中，微生物群落是重要的生物元素，在养分循环、水质净化、病原体控制和宿主健康维护中发挥着关键作用（Chen等人，2022）。 水产养殖系统是一个复杂的人工生态系统，其中水体、沉积物和养殖动物形成一个相互联系、相互影响的整体（Zhou等人，2021）。微生物群落是这些栖息地的核心；它们的多样性、组成和动态直接影响环境稳定性和动物健康。在水柱中，微生物驱动着关键的生态过程，如养分转化和污染物降解（Zhang等人，2023b）。例如，硝化菌和反硝化菌在氮循环中起核心作用，它们的群落结构和功能能力显著影响氨和亚硝酸盐等有毒化合物的浓度（Zhou等人，2017；Wei等人，2021）。沉积物作为水产养殖系统的“基础”，微生物群落不仅介导有机物的分解和循环，还与上层水体进行物质和能量的交换（Xu等人，2022）。研究表明，沉积物微生物的结构和代谢功能与污染物积累和自我净化密切相关（Zhang等人，2021）。同时，养殖动物的肠道微生物群对宿主营养、免疫调节和疾病抵抗力有重要贡献（Zhang等人，2020b）。平衡的肠道微生物组能增强应激耐受性和生长性能，而菌群失调则可能导致消化障碍和疾病易感性增加（Lachnit等人，2025）。重要的是，肠道微生物群与周围水体和沉积物环境中的微生物密切相关（Zhou等人，2021）。因此，全面了解整个水产养殖系统中的微生物群落对于有效管理水生动物健康和实现可持续生产至关重要。 养殖模式是影响系统中微生物群落结构和功能的关键因素。具体而言，IPC通常会导致水质恶化、微生物多样性降低、机会性病原体富集以及疾病爆发风险增加（Sundberg等人，2016）。相比之下，综合农业-水产养殖系统（IAA），如稻鱼或莲鱼共生养殖系统，将作物种植与水生动物生产相结合，形成了更复杂且更具韧性的生态系统（Van Huong等人，2018）。这些综合养殖模式可以提高资源利用效率，减轻环境影响，并在中国农村广泛实践（Gu等人，2023）。它们通常能促进更高的微生物多样性，增强生态系统稳定性，并提高对干扰的抵抗力（Yang等人，2022b；Zeng等人，2025）。在这些系统中，水稻和莲花等植物从水体和沉积物中吸收过量养分，同时为养殖动物提供天然食物来源和栖息地（Ignowski等人，2023；Yang等人，2024b）。作为回报，鱼类和小龙虾等养殖动物通过觅食、游泳、挖掘和排泄为植物生长提供害虫控制、沉积物生物扰动和养分（Chen和Wong，2016；Ma等人，2017；Ignowski等人，2023）。这些互利相互作用显著优化了养殖环境，并提高了鱼类质量，这与微生物群落的功能作用密切相关（Zeng等人，2025）。 尽管在水产养殖中微生物群落的研究取得了相当大的进展，但仍存在一些关键知识空白。首先，大多数研究仅关注水体或沉积物微生物群（Cheng等人，2021；Dai等人，2021；Xu等人，2022），而鱼类肠道微生物群与环境微生物群之间的相互作用机制仍不明确。其次，关于不同养殖模式（特别是综合农业-水产养殖系统）如何通过调节环境因素和微生物群落动态影响养殖物种的健康和生产性能的全面研究尚缺乏。 本研究重点关注了两种不同的养殖模式：IPC和莲鱼共生养殖（LFC）系统。在不同养殖时间系统地收集了水体、沉积物和鱼类肠道的微生物样本，并使用宏基因组测序结合微生物来源追踪和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）进行分析。研究目的包括：a）比较不同养殖模式下水体、沉积物和鱼类肠道栖息地中微生物群落的多样性、组成和时间动态；b）追踪鱼类肠道微生物的来源，并量化水体和沉积物微生物群对肠道微生物组成的贡献；c）确定驱动每个栖息地中微生物群落变化的关键环境因素；d）阐明养殖模式影响鱼类肠道微生物群的直接和间接途径。本研究从微生物生态学的角度为优化水产养殖系统提供了理论基础，强调了综合农业-水产养殖系统在增强微生物多样性、强化生态系统稳定性和改善鱼类健康方面的潜在益处，从而为推进可持续水产养殖提供了科学支持。

实验设置

该野外实验在中国湖南省双峰县两个相邻的大规模养殖池塘（每个约3.33公顷）进行（27°23′29″ N, 112°29′20″ E）。详细设置已在先前文献中描述（Zeng等人，2025）。简而言之，一个池塘（P1）作为莲鱼共生养殖系统（LFC）管理，另一个池塘（P2）作为集约化单一种养池塘（IPC）管理。为便于区分，在整个研究中分别将P1和P2称为LFC和IPC。在P1中，...

养殖池塘水体、沉积物和鱼类肠道中的微生物群落多样性和组成

总体而言，水体、沉积物和鱼类肠道的微生物α多样性指数存在显著差异（p<0.05，图1a）。值得注意的是，鱼类肠道的微生物丰富度（Sobs）、香农多样性和Pielou均匀度最高，显著高于水体和沉积物（p<0.05，图1a）。微生物β多样性通过Bray–Curtis差异性指数进行评估，并通过PCoA可视化。水体、沉积物和鲫鱼肠道的微生物群落显示...

鱼类肠道、沉积物和水体微生物群之间的密切相互作用

我们的研究发现，鱼类肠道、沉积物和水体中的微生物群落在多样性和组成上存在显著差异。值得注意的是，鱼类肠道中的微生物群落与水体中的更为相似——这一结果与先前关于罗非鱼（Del'Duca等人，2015）和大口黑鲈（Liu等人，2021；Yang等人，2024a）的研究一致。相比之下，对于底栖物种（如虾），肠道微生物群与沉积物的相似性更高...

结论

我们的研究表明，在水产养殖系统中，水体、沉积物和鱼类肠道之间存在密切的微生物交换，大多数鱼类肠道微生物群来自周围环境。与IPC相比，LFC显著改善了水体和沉积物的质量，从而促进了更稳定的环境微生物群落并抑制了潜在病原体的生长。PLS-PM分析的结果显示...

CRediT作者贡献声明

李胜男：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资金获取、正式分析、概念化。 谢新宇：撰写——初稿撰写、验证、数据管理。 王哲：撰写——审稿与编辑、调查、数据管理。 叶旭婷：撰写——审稿与编辑、调查、数据管理。 杨璐：撰写——审稿与编辑、调查。 钟远申：撰写——审稿与编辑、调查。 罗凯坤：撰写——审稿与编辑。

未引用的参考文献

Wang等人，2017

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2400902）、湖南省发育生物学与育种重点项目（2022XKQ0201）、湖南省教育厅科学研究基金（23B0073）以及长沙市自然科学基金（kq2208163）的支持。