冬季太湖底泥细菌群落结构特征及其与环境因子的相关性

2021-06-30汪贝贝刘宇轩陆光华王永花

环境科技 2021年3期

汪贝贝，刘宇轩，陆光华，王永花

(河海大学环境学院，江苏南京 210098）

0 引言

底泥微生物与湖泊生态系统密切相关。一方面，底泥微生物驱动着绝大多数生物活性元素的形态转换和地球化学循环，调节水体环境质量、实现水质净化[1－2]；另一方面，底泥微生物群落的分布也受环境因子的影响，如温度、pH 值、溶解氧、电导率、营养盐等[1-4]。研究底泥微生物群落的多样性、分布特征及其环境因子的影响对维护湖泊生态系统的健康、稳定和开展修复具有重要意义。

细菌是湖泊微生物的主要组成部分，是有机化合物的主要分解者。目前，已有不少学者对太湖底泥微生物群落结构进行了研究，发现底泥微生物群落组成因湖区、季节、底泥深度的不同具有一定的差异。HUANG R 等[5]对夏季梅梁湾、胥湖、东太湖沉积物细菌群落组成进行了研究，发现不同湖区的优势菌门表现不同。CHEN M J 等[4]发现太湖梅梁湾和湖心真核微生物群落组成显示出明显的季节性变化，且不同湖区对环境因子的响应不同，梅梁湾和湖心分别受TP，TN 和EC的影响最为显著。而WAN Y等[1]研究发现季节是引起底泥微生物群落差异的最显著因素，而非湖区位置。YE W J 等[6]研究发现太湖梅梁湾沉积物中细菌群落垂直分布相似，但古细菌群落组成因深度的不同而差异明显。目前关于太湖底泥微生物的研究主要集中在夏、秋两季的特殊湖区（如富营养化严重的梅梁湾、竺山湖）和0～5 cm的表层底泥，冬季底泥微生物的文献较少。以2017年冬季太湖沿岸各区及湖心10～15 cm 深度底泥为研究对象，利用高通量测序技术系统分析太湖底泥的细菌群落结构，探讨其与水体和沉积物中环境因子的响应关系，揭示太湖底泥细菌群落的形成机制，为维护太湖生态系统稳定提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 样品采集

根据太湖水系、污染状况、水利工程及底泥分布特征，选取了16 个采样点。采样点位分布见图1。

图1 太湖采样点位示意

采样时间：2017年12月。采样方式：用不锈钢抓斗采集湖底表层10～15 cm 深度的底泥，用灭菌自封口袋封装，于4 ℃下保存并迅速运回实验室。运回实验室的新鲜底泥样品一部分立即提取微生物DNA；另一部分经冷冻干燥、研磨后，过d=125 μm筛后于-20 ℃保存，并在一周内完成底泥样品理化性质分析。

1.2 理化指标分析

采用YSI6600 型水质分析仪（美国YSI 公司）对采样点上覆水的水质指标进行现场测定，项目包括：pH 值、溶解氧（DO）、电导率（EC）、温度（T）。分别采用硫酸钾消解紫外分光光度法、紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和比色法测定底泥中总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、亚硝酸盐氮（NO2--N）和铵态氮（NH4+-N）；采用钼酸铵分光光度法测定底泥中的总磷（TP）。

1.3 底泥微生物DNA 提取与测序

采用Illumina Miseq 平台（美国Illumina 公司）对纯化后的底泥PCR 产物进行基因测序，测序方案为2×250 bp 两端测序。对于Miseq 测序获得原始数据使用Mothur 软件平台进行数据质量过滤、降噪、去嵌合体、去除非细菌序列等质量控制操作。

1.4 数据分析

利用SPSS 26.0 软件通过单因素方差分析（One-way ANOVA）检验评估不同样本数据之间的差异性，以P<0.05 为具有显著性差异。使用QIIME平台对测序序列进行微生物物种分类信息注释，按97%相似度进行OTU 划分。利用RDP Classifier 通过比对Greengenes 数据库进行从门水平到属水平的物种分类信息注释。利用R 语言进行样品Alpha 多样性计算；利用Canoco5.0 进行典型关联分析。

2 结果与讨论

2.1 太湖水体和底泥理化性质分析

太湖各区域水体理化性质无较大差异，水体偏弱碱性（pH 值平均为8.22）；ρ（DO）>7.5 mg/L，达到Ⅰ类水标准，湖心区域溶解氧略高于其他区域；EC稳定在465～696 μS/cm 之间；水温为9 ℃左右。指标测定值见图2。

图2 太湖水体理化指标

太湖16 个采样点底泥中N,P 元素指标质量分数检测结果见图3（同一组数据中不同小写字母表示具有显著性差异，P<0.05）。由图3 可知，除NO3--N 外，其他元素指标存在显著性差异，尤其是TN，NH4+-N，总体表现为太湖西部、北部含量高于东部（点位S16除外）和南部，这与WAN Y 和石文莉等[1，8]在太湖的研究结果较为一致。相比2010年太湖湖滨带（ω（TN）为458～5 211 mg/kg）[9]、2016年秋季太湖梅梁湾（ω（TN）=1 820±180 mg/kg）和湖心区（ω（TN）=1 310±250 mg/kg）的研究[5]，本次检测中太湖底泥TN 质量分数大幅降低，为208～960 mg/kg。但TP 含量仍较高，质量分数为342～1 586 mg/kg，略高于2010年研究结果（ω（TN）为128～1 393 mg/kg）[9]。根据美国环保署（EPA）制定的底泥分类标准[9-10]，多个湖区TP 仍然处于中度（质量分数为420～650 mg/kg）或重度污染（质量分数＞650 mg/kg），以竺山湖最为严重，质量分数高达1 586 mg/kg。蓝藻水华、太湖水体和沉积物之间的磷循环，使得底泥TP 含量过高是2014年以来太湖蓝藻水华呈扩大趋势，特别是2017年太湖再次出现巨大面积水华的重要诱因，又是其爆发过后的不良结果[7,11,12]。庄严等[13]利用3S 技术研究同样发现竺山湖是近几年来太湖底质TP 的高值区，同时也是水华高发区。特别指出，沉积物中越冬休眠的蓝藻细胞正是次年蓝藻水华爆发的“种源”[14]。因此，加强冬季太湖底泥的生态疏浚治理尤为重要。

图3 太湖底泥中N，P 元素质量分数

2.2 太湖底泥细菌群落结构分析

通过高通量测序技术在16 个采样点共获得6 954条OTUs。Shannon 指数（5.57～6.07）和Simpsion 指数（0.89～0.95）均较高，说明太湖底泥微生物多样性高且分布均匀，其中以东太湖S16 点位的细菌群落最为丰富。16 个采样点共筛查出32 个细菌门、362个细菌属，结果见图4～图5。

图4 太湖底泥细菌门水平相对丰度

图5 太湖底泥细菌属水平相对丰度

由图4 可知，在门水平上，10 个主要门类依次为变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、Latescibacteria 门和Aminicenantes 门。这10 个门的微生物基本决定了整个太湖底泥细菌群落构成，数量合计占细菌生物总量的69.5%～81.5%。变形菌门在S3，S8，S9，S16 点位的数量明显高于其他区域，酸杆菌门在梅梁湖显著高于贡湖湾（P<0.05）。梅梁湖和东部沿岸区的厚壁菌门相对丰度高于其它湖区（P<0.05）。变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门是3 个最优势菌群，占细菌生物总量的51.8%～65.4%，除S1 点位中绿弯菌门是最优势菌群外，其余各位点中变形菌门丰度最高。

由图5 可知，在属水平上，居于362 种菌属前10 的是Steroidobacter，Gp6，Gp16，Gp17，Gaiella，Bellilinea，Subdivision3，Gp7，Nitrospira和Gp23。其中Steroidobacter是S2，S3，S8，S9，S10，S16 点位的最优势菌属，属于变形菌门；Gp6是S4～S7，S11～S15 点位的最优势菌属，属于酸酐菌门；Gp16是S1 点位的最优势菌属，同样属于酸酐菌门。Steroidobacter，Gp6和Gp16在所有采样区域的丰度均很高，可以推断其是太湖冬季底泥细菌中的优势菌属，尤其是在TP 污染较为严重的竺山湖和西部沿岸区，数量占比为46.91%～51.90%，远高于其他湖区。

总体而言，变形菌门是冬季太湖底泥相对丰度最高的菌群，其次是绿弯菌门和酸杆菌门。变形菌门在生物脱氮、生物除磷及诸多污染物降解过程中有重要作用[15]，因此在太湖底泥中占领了绝对优势，而S1 点位的特殊性可能是由于望虞河引水工程的影响。薛银刚等[16]和吴玲[2]分别在2015年、2016年对太湖梅梁湾和湖心等湖区底泥微生物群落结构的研究也发现了变形菌门的高丰度。SHAO K O 等[3]和HUANG R 等[5]还发现变形菌门是夏季梅梁湾、胥口湾和东太湖底泥丰度最高的菌群。除此之外，变形菌门也是云南13 个高原淡水湖泊[17]、我国最大淡水湖鄱阳湖[18]、德国萨克森州4 个淡水水库[19]的优势菌群。绿弯菌门由于营养方式灵活多变，参与了碳、氮、硫等元素的重要化学循环[20]。同样的，酸杆菌门也参与多种物质的降解和转化[14]，广泛存在于各种环境，尤其是土壤环境中[21]。

2.3 太湖底泥细菌群落结构与环境因子的相关性

典型相关分析结果见图6。由图6（a）可知，湖泊底泥5 种理化性质参数解释了数量占比61.6%的主要细菌分布和群落结构。其中TP 显著影响了底泥主要细菌的分布和群落结构，其次是NO3--N。磷是淡水湖泊浮游植物生长的主要限制因子[22]，聚磷菌属Dechlormonas与TP 具有强正相关关系。有研究表明，TP 浓度上升是2017年太湖出现巨大水华的主要原因[7]，一方面，水华爆发极大地改变了生态系统的结构和功能，包括改变微生物群落结构；另一方面，微生物活动实现了沉积物与蓝藻水华颗粒之间的N,P 循环[17]。SONG H 等[23]在东平湖、周思聪等[24]在洪泽湖西北部湿地沉积物微生物群落结构研究中也发现TP 是最显著的环境影响因子。NO3--N 同样是云南13 个淡水湖泊沉积物细菌多样性的重要决定性因素[17]。虽然NO3--N 含量远低于TP，NH4+-N，但由于其在水华不同时期的变化较其他环境因子显著[25]，所以也能显著影响太湖底泥细菌群落结构，本研究也发现最优势细菌类群Steroidobacter直接参与了NO3--N 的代谢。

由图6（b）可知，底泥上覆水理化指标对底泥细菌群落结构也存在影响。Steroidobacter，Gp6等最优势菌属与EC显著正相关，EC能够反映水体离子浓度，受水体中金属离子和相应阴离子浓度影响，含盐量越高导电率越高。Nitrospira属与DO 和pH值显著正相关，DO 是影响水体氨氧化微生物群落组成及丰度的重要因素，pH 值则通过影响氨氧化反应物的化学形态、浓度与有效性来影响含amoA基因微生物的群落组成及丰度[26]。本研究水体DO充足、整体偏弱碱性，有利于微生物的生长[27]，降低了DO 和pH 值的限制。温度可以影响物质循环和生物活动[24]，研究发现，近几年冬季太湖水温升高给蓝藻提前复苏提供了有利条件[10]。