洮滆水系主要湖泊底质微生物群落功能多样性的研究

2020-03-14张小琼徐东炯

环境科技 2020年1期

张小琼，邰勇，徐东炯

（1．江苏省环境保护水环境生物监测重点实验室，江苏常州 213001；2．江苏省常州环境监测中心，江苏常州 213001；3．江苏理工学院，江苏常州 213100）

0 引言

微生物是生态系统中重要的一环，通过对微生物的数量、代谢活性、群落结构及代谢功能等几个不同层面进行研究，可以得到微生物群落差异与不同环境状况之间的对应关系[1]。传统研究方法主要通过分离菌种，菌种鉴定来分析微生物群落的数量和结构，不仅耗时长、工作量大，也无法检测到环境中不可培养的微生物。近年来已开始广泛采用以微生物醌法和脂肪酸法等基于生物标志物的测定方法以及以DGGE，FISH 等为代表的分子生物学法[2-3]。其中，Biolog-ECO 法通过单一碳源的利用程度来表示微生物群体水平，描述微生物群落的功能多样性。Biolog-ECO 法通过直接培养环境样品，可观察到环境中不能人工培养的某些微生物，相较于分子生物学方法简单，也无需基因组学等方面的专业知识[4]。Biolog 方法可通过单孔颜色平均值（AWCD）计算，多样性指数计算等统计分析方法来反映关于环境中微生物活性的丰富信息[5]。这些信息可用于评估湖泊现状的富营养化状况[6]及污染湖泊的修复[7]。

洮滆水系是太湖的主要来水区域之一，其以长荡湖、滆湖为中心，通过东西流向的漕桥河、太滆运河、殷村港等多条主干河道汇入太湖竺山湖。据测算，洮滆水系的入湖水量约占太湖上游来水总量的20%左右[5]。长荡湖、滆湖、太湖竺山湖为该水系中最具代表性的沿上下游排列的3 个湖库[8]。长荡湖是太湖流域上游的第三大湖泊，近年来受周边工业、农业、生活用水影响，水体富营养化有加快趋势[9]。而近年来由于大规模的围网养殖导致大量有机物沉积，滆湖已退化成为藻型湖泊，呈现重度富营养化状态[10]。竺山湖是太湖西北角半封闭型湖湾，经雅浦港、太涌运河、殷村港3 条主河道入湖。受入湖河道来水水质污染较重的影响，竺山湖的水质常年为劣V 类，是太湖区域水质污染最严重的区域[11]，因水体富营养化现象十分严重，蓝藻水华现象爆发频繁[12]。通过各种途径进入河道、湖体的污染物富集于湖泊底质，被湖泊底泥记录下来，因此研究者们可通过底泥中微生物活性的分析来了解环境污染状况和可能存在的污染物类型[13-15]，以便更好地制定相对应的生态环境质量改善措施。

1 实验部分

1．1 试验地概况

本次研究以长荡湖（含钱资荡）、滆湖、太湖竺山湖3 个湖泊为研究对象，分别按照水流的方向在上游、湖中和下游位置选取了3 个具有代表性的点位。其中钱资荡湖泊面积较小，选1 个点位，滆湖作为备用水源地，在取水口增设1个点位。具体采样点见图1。

图1 洮滆水系采样点位

1．2 仪器与试剂

仪器：恒温培养箱（天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司）；高压蒸汽灭菌器（山东新华医疗器械股份有限公司）；Gen III MicroStation 微生物分类鉴定系统（美国BIOLOG 公司）；离心机（上海安亭科学仪器有限公司）。 ECO MICROPLATE （美国BIOLOG 公司）、无菌密封袋、玻璃珠、无菌瓶。试剂：0．9%生理盐水。

1．3 研究方法

（1）Biolog 试验

Biolog-Eco 板接种和培养:取冷冻沉积物样品于4 ℃过夜，称取5 g（湿重）至装有45 mL 无菌生理盐水的广口瓶（含玻璃珠）中，于旋转振荡器上180 r/min振荡30 min，静置；取上清液30 mL 于50 mL 离心管，以600 r/min 离心10 min，取离心后上清接种至Biolog-Eco 板（Biolog Inc，USA）上，每孔加入150 μL， 28 ℃恒温避光培养，用Biolog Reader（Biolog Inc，USA）读取培养0，24，48，72，96，120，144，168，192 h 时590 nm （颜色+浊度）和750 nm（浊度）波长的光密度值[14]。

（2）Biolog 数据分析

Biolog-Eco 板的AWCD 计算方法：先将单孔在590 和750 nm 的光密度值分别减去对照孔光密度值，再用每个对应590 nm 的光密度值减750 nm 的光密度值（表示为C590-750），得到单孔实际颜色反应的光密度值，数值小于0．06 时将数值默认为0。则，31 为Biolog-Eco 板上供试碳源的种类数。

以培养时间72 h 的试验结果为计算样本，分别计算底物碳源利用数（S），Shannon-wiener 多样性指数（H′）和Pielou 均匀度指数（J）。其中：，为单孔相对光密度值，即：J=H′/lnS。

2 结果与分析

2．1 微生物整体代谢活性

AWCD 能够体现微生物群落利用Biolog-ECO全部碳源的能力，是微生物活性及其群落功能多样性的重要指标。洮滆水系不同点位微生物群落的AWCD 变化见图2。由图2 可以看出，长荡湖中，除钱资荡微生物代谢活性较低外，其余的3 个点位的微生物代谢活性趋同。其中北干和湖心的AWCD 最大值稍大于洮西，但都极大于钱资荡。滆湖4 个点位AWCD 最大值差异较明显，北干河口＞繁保区＞取水口和殷村港。北干河口位于河岸西侧，与长荡湖依北干河连接，AWCD 最大值也与长荡湖北干点的AWCD 值相近。殷村港和取水口点位于河岸东侧，底泥与西岸的2 点有所差异。太湖竺山湖中，百渎港和竺山湖中2 个点位的AWCD 变化趋势与最大值相似，明显高于椒山。竺山湖是一个半封闭型湖湾，百渎港与竺山湖中2 个点位由于地理位置受人类生产活动影响居多，整体代谢性趋同，椒山外延至太湖西侧，受人为干扰较少，AWCD 最大值则较低。各点位的微生物群落AWCD 值的变化率、最大值均有显著差异。北干河口、百渎港和竺山湖中代谢活性最高，繁保、北干、湖心、洮西次之，取水口、殷村港、钱资荡和椒山代谢活性最低。总体而言微生物整体代谢能力是竺山湖＞滆湖＞长荡湖。

图2 洮滆水系不同点位微生物群落的AWCD 变化

2．2 微生物碳源代谢多样性

选取微生物培养72 h 时的光密度值，根据多样性指数公式分别计算丰富度、多样性和均匀度指数，采用SPSS17．0 软件中的Tukey HSD 检验方法对其进行差异检验。不同点位微生物群落碳源代谢的丰富度（R），H'和J 统计结果见表1。

表1 不同点位微生物群落碳源代谢R，H'，J

由表1 可知，各点之间丰富度的差异较为明显，北干河口、繁保区、竺山湖中、湖心大于北干、百渎港、洮西、取水口、殷村港、椒山大于钱资荡，3 个湖泊的落碳源代谢的R，H' 和J 均为湖泊中部区域大于沿岸，原因可能是由湖泊沿岸人类活动、农田种植、排水灌溉及畜牧养殖等污染的输入所致，各类有机污染物进入通过沿岸的面源扩散、入湖河道和沟渠排放进入水体，使得沿岸底质中碳源来源更为多样，造成利用不同碳源的各类微生物的物种数量要多于湖泊中部点位。而3 个湖泊间的微生物多样性指数与均匀度指数则差异不大，说明湖泊各点位的微生物群落结构和物种多样性差别不明显。

2．3 微生物群落对于不同类型碳源的利用

Biolog ECO 板上将微生物可利用的31 种碳源分为6 大类：糖类、氨基酸类、脂类、醇类、胺类和酸类，分类方法见表2。每种不同的有机碳源将作为微生物的唯一能量来源，通过对碳源利用结果来产生微生物代谢特征指纹。

表2 ECO 板碳源分类

洮滆水系长荡湖、滆湖、竺山湖微生物群落对6类碳源的相对利用率差异见图3。长荡湖中钱资荡对于脂类的利用率最高，达到了35．56%，对胺类、氨基酸类和醇类的利用率则次之，分别达到22．44%，17．15%和14．05%，对于酸类和糖类的利用率最低，只有7．54%和3．26%。长荡湖的其他几个点位对于碳源的利用率较为相同，都是对糖类、氨基酸、脂类和胺类的利用率较高，在20%左右，对于醇类和酸类的利用率则明显偏低。滆湖的4 个点位对于糖类、氨基酸、脂类和胺类的利用率都大似相近，对于酸类的利用率较低；对于醇类则是最低，其中北干河口只有7．34%；对于胺类的利用率则相对偏高，为22．52%。繁保区对各个碳源的利用率基本超过了15%，但是对醇类的利用率较为偏低，只有12%。取水口对于醇类和酸类的利用率都比较低且都不超过10%，对于其余4 种碳源的利用率则比较相似。殷村港除了对醇类的利用率较低只有8．77%，对于酸类的利用率在15%，对于其余4 种碳源的利用率都在19%左右。整个竺山湖水系对醇类和酸类的利用率不是很高，在10%～13%之间。其中百渎港在3 个点位中对于糖类的利用率最高，达到了20%，而竺山湖中和椒山都只有13．8%。竺山湖中对于氨基酸的利用率明显高于其余2 个点，由23．45%。不得不指出，3 个点对于脂类的利用率均很高，而椒山的利用率已经达到了28．57%。

由图3 可以看出，洮滆水系从上游至下游分布的3 个湖泊长荡湖、滆湖、竺山湖对6 种碳源的利用存在一定差异。整个洮滆水系所有采样点位微生物对于醇类和酸类的利用率都偏低。除钱资荡对于脂类的利用率最高，其余点位对碳源的利用率较为平均。滆湖对氨基酸类、脂类和胺类的利用率较高，竺山湖对脂类的利用率较高。不同样的微生物群落对于碳源利用能力的差异，可以看做是土壤微生物群落演替的结果[16]。各湖泊之间底泥微生物对于碳源利用能力的差异不大造成的原因可能是3 个主要湖泊长荡湖、滆湖、竺山湖底泥多年来碳源摄入渠道固定，底泥中微生物在演替过程中逐渐适应环境，群落结构趋于稳定。但钱资荡由于近年来被改造成金坛区城市生态湿地公园，周边工厂搬迁，湖内不再允许捕鱼，所以流入湖内的碳源种类开始变为以脂类为主，造成钱资荡的微生物群落功能代谢性差异明显。