植物介导的生态位分化促进了水产养殖根际中以Comammox为主的硝化作用

《Science of The Total Environment》：Plant-mediated niche differentiation promotes comammox-dominated nitrification in aquaponic rhizospheres

水培系统通过增强根系分泌物和微酸性环境，使comammox主导氨氧化过程，减少氮氧化物排放达50%以上，为可持续水产养殖提供新策略。

　　

徐明晨|陈亮|邹华

江南大学环境与生态学院，中国无锡214122

摘要

可持续水产养殖需要高效的氮管理并减少N₂O排放。将植物整合到这些系统中（如鱼菜共生系统）是一种实现这些目标的有前景的策略。在这项研究中，我们使用罗非鱼-细香葱鱼菜共生模型来探讨植物根系分泌物如何调节根际硝化微生物群落，重点关注完全氨氧化菌（comammox）。在70天的实验中，我们通过qPCR、qFISH和选择性抑制剂测定法研究了鱼菜共生和水培条件如何重塑根际微生物组，以量化comammox、AOA和AOB对硝化和N₂O产生的功能贡献。结果表明，鱼菜共生系统增强了根系分泌物，增加了根际总有机碳，并创造了微酸性环境，从而选择性地富集了comammox。到实验结束时，comammox在数量（99%）和活性（98%的硝化能力）上占据了主导地位。因此，与水培对照组相比，鱼菜共生系统实现了N₂O转化率的持续降低，在第7天之后的所有采样阶段中降低幅度均超过50%。这种缓解效果归因于亚硝酸盐（NO₂^?-N）的积累最小化以及comammox本身较低的N₂O生成潜力。这些发现揭示了一种由植物驱动的机制，该机制选择性地促进以comammox为主的硝化过程，有效抑制了N₂O排放，同时保持了高效的氮转化。这些结果为提高综合水产养殖系统的氮利用效率和排放控制提供了一种潜在策略。

引言

全球人口的快速增长带来了一系列挑战，如水资源短缺、耕地退化、气候变化和盐碱化，这些都对粮食生产产生了负面影响（Moreira等人，2023年）。人们广泛提出从基于无限增长的经济模式转向平衡和可持续的粮食生产方法，作为克服这些挑战的可行策略（Liu等人，2022年）。水产养殖是全球增长最快的产业部门，被认为是一种可持续的粮食生产方式（Zhu等人，2023年）。然而，传统的池塘或开放式水产养殖系统常常排放未食用的饲料和鱼类废弃物，这可能导致邻近水生生态系统的营养富集和生态破坏。为了解决这些问题，鱼菜共生系统作为一种近乎零排放的系统应运而生，它将循环水产养殖与水培相结合（Verma等人，2023年）。在这个综合系统中，鱼类的代谢副产物被循环利用作为植物的养分，进而净化水质，形成了一个循环资源循环（Colt等人，2021年）。该系统的有效性在很大程度上取决于高效的微生物硝化作用，即将鱼类产生的氨（NH₄⁺-N）转化为植物可利用的硝酸盐（NO₃^?-N）（Thakur等人，2023年）。然而，这种重要的氮转化过程会产生一氧化二氮（N₂^?-N），这是一种强效的温室气体，其生成过程中涉及亚硝酸盐（NO₂^?-N）等中间产物（Ruiz等人，2019年）。因此，优化硝化过程以最小化N₂O排放对于提高鱼菜共生系统的可持续性至关重要。

在生物氮去除过程中，N₂O排放主要来源于氨氧化细菌（AOB）的硝化作用、AOB的硝化作用、异养反硝化作用以及非生物途径（Wunderlin等人，2013年）。其中，AOB驱动的硝化作用是N₂O的主要来源（Ding等人，2024年）。相比之下，完全氨氧化菌（comammox）通过将NH₄⁺-N完全氧化为NO₃^?-N来减少N₂O排放，从而最小化NO₂^?-N的积累，并由于缺乏一氧化氮还原酶（nor）和其他相关基因而避免了生物N₂O的产生（Tang等人，2023年）。这使得comammox成为工程化生态系统中低N₂O硝化的关键角色（Chen等人，2024年）。在鱼菜共生系统中建立以comammox为主的硝化途径为提高氮去除效率并减轻与气候相关的排放提供了一种生物学上的合理策略。氨氧化微生物（AOMs）的分布和生态位高度依赖于关键环境参数，如pH值、溶解氧（DO）和铵的可用性（Lin等人，2020年）。传统上认为，在碱性和氨含量高的条件下（pH 7.5–8.5），AOB占主导地位（Zhang等人，2019年），而在NH₄⁺-N浓度低且pH值略酸性的贫营养环境中，AOA更占优势（Wang等人，2021a）。然而，最近的研究表明，comammox是一类代谢多样化的微生物，能够在NH₄⁺-N浓度适中、pH值微碱性和溶解氧充足的环境中繁衍（Jiang等人，2023年；Palomo等人，2022年）。Zhang等人（2024年）进一步证明，在这种条件下，comammox可以胜过AOB成为主导硝化菌，尤其是在滞留时间较长和底物浓度较低的系统中。这种向comammox主导的群落转变提高了硝化的完整性，并有助于实现鱼菜共生系统中的温室气体减排目标（Zhu等人，2022年；Lu等人，2022年）。尽管最近有证据证实comammox在循环水产养殖系统中的功能作用（Lama等人，2025年），但其在鱼菜共生这种富含植物的特定环境中的生态学特性及其富集机制仍不甚明了（Chen等人，2024年）。

在鱼菜共生系统中，AOMs主要栖息在植物根部及其周围的生长介质中，容易受到植物的调节（Wongkiew等人，2018年）。根际是植物与微生物相互作用复杂的区域（Lv等人，2023年），其微生物组成和生物地球化学过程受到根系分泌物的影响，这些分泌物充当信号分子和调节因子（Guyonnet等人，2018年）。这种植物介导的调节可以通过多种机制选择性地影响AOMs，包括释放生物硝化抑制剂（BNIs）以及改变pH值和碳可用性等关键生态位决定因素（Ding等人，2022年；Tanikawa等人，2018年）。越来越多的实证证据表明，这些过程可以选择性地促进comammox的富集。例如，在水生植物的根际中，comammox在AOM群落中占主导地位（Zhang等人，2023年），并且特定的根系分泌物谱型与农业土壤中comammox的富集有关（Tao等人，2022年）。因此，根际具有被设计成有利于comammox主导、低N₂O硝化的生态位的潜力。因此，理解这种植物介导的微生物选择对于优化鱼菜共生系统的氮去除和减排至关重要。

本研究旨在探讨植物-微生物相互作用如何调节根际comammox的活性及其对鱼菜共生系统中N₂O排放的潜在影响。通过使用基于细香葱的鱼菜共生模型，我们假设特定的根系分泌物可以选择性地富集comammox种群，从而提高硝化效率并减少N₂O排放。通过分析根系分泌物谱型、微生物群落动态以及在受控条件下的硝化速率，并应用选择性抑制剂测定法来区分comammox、AOA和AOB在氨氧化和N₂O产生中的各自作用，本研究旨在深入理解鱼菜共生系统中的微生物生态学。该研究提供了机制证据，证明植物驱动的comammox富集可以重塑根际硝化途径，为提高鱼菜共生废水处理中的氮去除效率和减少N₂O排放提供了一种可持续策略。

系统设置与操作

建立了两个循环微宇宙系统：鱼菜共生系统（结合鱼类和植物）和水培系统（仅含植物，作为无鱼的对照），每个系统重复三次，以评估植物-微生物相互作用在氮去除和温室气体减排中的作用（系统示意图见图1）。所有系统均在温室中维持，温度为22–24°C，相对湿度为75%，光照/黑暗周期为16/8小时（10,000 lx），条件针对中国细香葱（Allium tuberosum）和尼罗罗非鱼进行了优化

鱼菜共生根际中comammox的选择性富集

为了研究鱼菜共生是否促进了根际中特定的氨氧化微生物（AOMs）的富集，我们在70天的实验期间通过qPCR定量了comammox、氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的相对丰度。我们的结果显示AOMs存在明显的空间差异：只有comammox Clade A和AOA在根际中被检测到，而AOB完全不存在于该区域（图2a-d）。从时间上看，

结论

本研究表明，在鱼菜共生系统中结合鱼类和植物可以重塑根际微生物群落，从而选择性地富集comammox。鱼类刺激的根系分泌物增加，特别是总有机碳的增加，促进了氨氧化群落在组成和功能上的变化。comammox不仅在基因丰度上占主导地位（通过qPCR和qFISH得到证实），而且在氨氧化活性中也起主导作用

CRediT作者贡献声明

徐明晨：撰写——初稿、方法论、研究设计、概念化。陈亮：撰写——审稿与编辑、数据管理。邹华：监督、资源提供、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。