薛銀剛,劉 菲,江曉棟,耿金菊,滕加泉,謝文理,張 皓,陳心一 (.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 常州 64；.江蘇省環(huán)境保護(hù)水環(huán)境生物監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,常州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 常州 00；.污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 00)

太湖是我國(guó)第三大淺層淡水湖,富營(yíng)養(yǎng)化是其目前存在的主要環(huán)境問(wèn)題[1].湖泊沉積層對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化非常敏感[2],沉積物細(xì)菌群落在氮、磷等元素的礦化和循環(huán)中發(fā)揮重要作用,影響著淡水湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物化學(xué)循環(huán)[3-4].營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可利用性使得沉積物細(xì)菌群落在不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)之間存在差異.

以往的研究利用T-RFLP[5-6]和PCRDGGE[7]等方法對(duì)太湖浮游細(xì)菌群落特征已經(jīng)展開(kāi)了大量的工作.隨著分子生物學(xué)測(cè)序的發(fā)展,高通量測(cè)序技術(shù)被證實(shí)是識(shí)別微生物群落整體概況的高效工具[8],并被廣泛應(yīng)用于土壤、生物膜和沉積物等復(fù)雜環(huán)境的微生物群落結(jié)構(gòu)研究[9-12].目前,關(guān)于太湖微生物群落的研究大多集中于北部藻型湖區(qū)[13-14]和浮游細(xì)菌多樣性[5-7],本文基于高通量測(cè)序?qū)Σ煌瑺I(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)冬季沉積物細(xì)菌群落多樣性展開(kāi)研究.

太湖自2007年藍(lán)藻大面積暴發(fā)后,相關(guān)部門采取了一系列治理措施,如控源截污、生態(tài)修復(fù)、引水稀釋和藍(lán)藻打撈等.對(duì)于藍(lán)藻水華的防控主要集中在春夏兩季對(duì)藍(lán)藻的大規(guī)模打撈,對(duì)于早期的藍(lán)藻防控工作相對(duì)缺乏.本文以太湖不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)表層沉積物為研究對(duì)象,利用高通量測(cè)序技術(shù)分析各個(gè)點(diǎn)位與不同湖區(qū)的沉積物細(xì)菌多樣性,解析不同湖區(qū)沉積物細(xì)菌群落的空間差異;通過(guò)環(huán)境因子相關(guān)性分析,研究水環(huán)境因子對(duì)沉積物細(xì)菌群落的影響.通過(guò)對(duì)冬季沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以期為太湖沉積物細(xì)菌生物化學(xué)循環(huán)和實(shí)施早期藍(lán)藻防控工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與理化分析

采樣時(shí)間為2015年11月,采集的樣品為表層沉積物,采樣點(diǎn)為太湖不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)(圖1).采樣點(diǎn)依次是沙塘港(STG)、閭江口(LJK)、小灣里(XWL)、椒山(JS)、平臺(tái)山(PTS)、西山西(XSX)、漁洋山(YYS)、胥湖心(XHX)、七都(QD).其中STG、LJK和XWL位于藻類主導(dǎo)的河口區(qū)(HK);JS、PTS和XSX位于受外部因素影響最小的湖心區(qū)(HX);YYS、XHX和QD位于水生植物主導(dǎo)的水草區(qū)(SC).使用便攜式柱狀采泥器(HYDRO-BIOS, Germany)進(jìn)行沉積物樣品的采集.在運(yùn)輸過(guò)程中,所有的樣品均放置在冷藏箱中保存,并在送到實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行預(yù)處理.將采集的沉積物樣品離心后得到的固態(tài)污泥保存于-20℃條件下,用于后續(xù)分析測(cè)試.

利用YSI水質(zhì)分析儀(美國(guó),YSI 6600)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定上覆水的水溫和pH值.每個(gè)采樣點(diǎn)采集3份水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定TN、NH3-N、、、TP和水質(zhì)指標(biāo),測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[15].

圖1 太湖采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of sampling sites in Lake Taihu

1.2 DNA提取和PCR擴(kuò)增

使用FastDNA Spin Kit for Soil試劑盒(MP bio, USA)按照試劑盒說(shuō)明步驟提取基因組DNA,使用NanoDrop2000超微量蛋白質(zhì)核酸分析儀(Thermo Fisher Scientific, USA)測(cè)定提取出的DNA濃度和純度后,將DNA樣品于-20℃中保存,用于后續(xù)的PCR擴(kuò)增等分析.

將提取好的DNA產(chǎn)物利用16S rDNA V1～V2區(qū)擴(kuò)增引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物序列(5'-3'):正向引物AGAGTTTGATYMTGGCTCAG,反向引物TGCTGCCTCCCGTAGGAGT.PCR產(chǎn)物以等密度比混合后使用Qiagen Gel Extraction Kit(Qiagen, Germany)純化.

1.3 高通量測(cè)序

純化后的產(chǎn)物送至江蘇中宜金大分析檢測(cè)有限公司,使用Illumina(USA)的Hiseq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序和分析.經(jīng)TruSeq?DNA PCR-Free樣品制備試劑盒(Illumina, USA)生成測(cè)序文庫(kù).使用Qubit @ 2.0熒光計(jì)(Thermo Fisher Scientific,USA)和Agilent Bioanalyzer 2100系統(tǒng)(Agilent,USA)評(píng)估測(cè)序文庫(kù)質(zhì)量.最后,在Illumina HiSeq 2500平臺(tái)(Illumina, USA)上進(jìn)行測(cè)序,產(chǎn)生了250bp的配對(duì)末端讀數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)分析

測(cè)序得到的原始數(shù)據(jù),存在一定比例的干擾數(shù)據(jù),為了使信息分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過(guò)濾,得到有效數(shù)據(jù).然后基于有效數(shù)據(jù)進(jìn)行OTUs聚類和物種分類分析.根據(jù)OTUs聚類結(jié)果,對(duì)每個(gè)OTU的代表序列做物種注釋,得到對(duì)應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況.對(duì)于每個(gè)代表性的序列,使用基于RDP分類器算法的GreenGene數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)注釋分類信息[16].

為了研究不同OTU的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,以及不同樣本中優(yōu)勢(shì)種的差異,使用MUSCLE軟件進(jìn)行多序列比對(duì)(3.8.31版本);基于QIIME計(jì)算樣品香農(nóng)指數(shù)(Shannon)、辛普森指數(shù)(Simpson)、文庫(kù)覆蓋率(Coverage)和系統(tǒng)發(fā)育距離,使用平均聯(lián)動(dòng)的非加權(quán)組平均法的聚類分析方法(UPGMA)來(lái)解釋距離矩陣構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)[17];R語(yǔ)言程序(2.15.3版)繪制韋恩圖;Origin(8.5版本)繪制屬水平優(yōu)勢(shì)物種豐度柱狀圖;優(yōu)勢(shì)物種差異顯著性利用SPSS(17.0版本)軟件進(jìn)行分析,顯著性水平設(shè)定為P＜0.05;結(jié)合Pearson相關(guān)性分析和CANOCO軟件(4.5版本)來(lái)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與水環(huán)境因子的冗余分析(RDA)[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣理化指標(biāo)

太湖冬季不同湖區(qū)上覆水的理化指標(biāo)如表1,可以看出各個(gè)湖區(qū)的營(yíng)養(yǎng)水平為河口區(qū)＞湖心區(qū)＞水草區(qū).太湖水體整體呈弱堿性,水溫在15℃左右.TN含量在不同湖區(qū)之間差異明顯,TP含量在不同湖區(qū)之間差異性較弱.水草區(qū)的NH3-N含量較高;河口區(qū)和湖心區(qū)的TN、TP、、和含量較高.

表1 太湖不同湖區(qū)冬季水質(zhì)理化指標(biāo)Table 1 Physio-chemical indices of water in different zones of Lake Taihu in winter

2.2 OTU聚類與多樣性分析

各采樣點(diǎn)的OTU聚類結(jié)果與多樣性指數(shù)見(jiàn)表2,測(cè)序文庫(kù)的覆蓋率均在99%以上,表明各個(gè)采樣點(diǎn)的測(cè)序結(jié)果完全可以代表樣本的真實(shí)情況.每個(gè)采樣點(diǎn)的有效序列數(shù)(用于OTU聚類等后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù))均在20000以上,本次測(cè)序產(chǎn)生的OTUs是將所有樣品的有效序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以97%的一致性將序列聚類而成[19],然后對(duì)OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋.稀釋曲線(圖2)表明STG、LJK和XWL在有效測(cè)序數(shù)達(dá)到4500時(shí),曲線已保持平緩狀態(tài);其余采樣點(diǎn)當(dāng)測(cè)序有效序列達(dá)到8000時(shí),曲線漸進(jìn)平緩;表明用于OTU聚類的測(cè)序數(shù)滿足要求[20],且聚類產(chǎn)生的OTUs可以用于后續(xù)物種注釋.稀釋曲線反映出各個(gè)采樣點(diǎn)聚類產(chǎn)生的OTUs為YYS＞XHX＞QD＞JS＞XSX＞PTS＞XWL＞STG＞LJK,這與表2所述基本一致.

基于多序列比對(duì)計(jì)算得出各采樣點(diǎn)的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),結(jié)果表明,各采樣點(diǎn)的Shannon指數(shù)為YYS＞QD＞XHX＞JS＞XWL＞XSX＞PTS＞STG＞LJK;Simpson指數(shù)為YYS＞QD＞XWL＞XHX＞XSX＞JS＞PTS＞STG＞LJK.總體來(lái)看,Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)為水草區(qū)＞湖心區(qū)＞河口區(qū).

表2 各點(diǎn)位OTU聚類與多樣性分析Table 2 Clustering and diversity analysis of each sampling site

圖2 稀釋曲線Fig.2 Rarefaction curve

Venn圖用于展示可視化數(shù)據(jù)集之間的重疊和差異,圖3反映了河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)樣品的OTUs組成相似性以及數(shù)據(jù)重疊情況.不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)均具有其特有的細(xì)菌種類,3個(gè)湖區(qū)OTUs共計(jì)1006,共有的OTUs為78.湖心區(qū)和水草區(qū)共有的OTU數(shù)最多,其次為河口區(qū)和湖心區(qū)共有的OTU數(shù),河口區(qū)與水草區(qū)共有的OTU數(shù)最少.

圖3 OTU分布韋恩圖Fig.3 Venn diagram denoting the distribution of OTUs

描述湖區(qū)到湖區(qū)物種組成的β多樣性對(duì)于了解各種空間尺度上物種多樣性的模式至關(guān)重要[21],可以考察不同湖區(qū)的生境多樣性,有利于了解整個(gè)太湖區(qū)域的生物生產(chǎn)力差異.選用距離指標(biāo)來(lái)衡量不同湖區(qū)樣品間的相異系數(shù)(圖4).水草區(qū)與湖心區(qū)相異系數(shù)較小(0.214),水草區(qū)與河口區(qū)以及河口區(qū)與湖心區(qū)相異系數(shù)較大,分別為0.650和0.613.

圖4 Beta多樣性指數(shù)Fig.4 Beta diversity index

2.3 沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

高通量測(cè)序結(jié)果表明,河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)冬季沉積物樣品聚類產(chǎn)生的OTUs分別為378、669和641,經(jīng)分析主要隸屬于25個(gè)門,51個(gè)綱,96個(gè)屬.在門水平上,優(yōu)勢(shì)類群主要包括綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等(圖5).系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)表明位于同一營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)沉積物的細(xì)菌組成較為相似.就河口區(qū)而言,豐度高于10%的優(yōu)勢(shì)類群為Proteobacteria(29.53%)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae,16.47%)和Chloroflexi(13.80%).除Chloroflexi(34.78%)和Proteobacteria(16.16%)外,Cyanobacteria在湖心區(qū)豐度高達(dá)19.81%.Chloroflexi同時(shí)也是水草區(qū)豐度最高的優(yōu)勢(shì)類群,占比約為總細(xì)菌含量的1/3,其次為Proteobacteria(17.64%)、Acidobacteria(12.62%)和Cyanobacteria(10.32%).另外,Bacteroidetes、綠菌門(Chlorobi)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和浮霉菌門(Planctomycetes)等優(yōu)勢(shì)類群也均有檢出,豐度均高于1%.

圖5可以看出各個(gè)點(diǎn)位優(yōu)勢(shì)類群的豐度存在明顯差別,Proteobacteria和Chloroflexi是太湖各個(gè)點(diǎn)位沉積物中相對(duì)豐度最高的兩個(gè)類群.9個(gè)采樣點(diǎn)占比第一的沉積物細(xì)菌分別為STG(Proteobacteria,37.48%)、LJK(Proteobacteria,32.99%)、XWL(Proteobacteria,18.12%)、JS(Proteobacteria,34.44%)、PTS(Chloroflexi,36.67%)、XSX(Chloroflexi,48.15%)、XHX(Chloroflexi,30.58%)、QD(Chloroflexi,37.80%)、YYS(Proteobacteria,28.99%).其中,Chloroflexi中豐度較高的是厭氧繩菌綱(Anaerolineae,11.29%)和KD4-96(7.48%);Proteobacteria中豐度較高的是β-變形菌綱(Betaproteobacteria,3.03%)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria,9.48%)和δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria,3.73%).

圖5 UPGMA聚類樹(shù)與門水平優(yōu)勢(shì)沉積物細(xì)菌Fig.5 UPGMA cluster tree of dominant bacteria in winter sediment of Lake Taihu at the phyla level

選取屬水平排名前10的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌重新進(jìn)行相對(duì)豐度的計(jì)算,以更顯著地表明不同湖區(qū)優(yōu)勢(shì)沉積物細(xì)菌的豐度差異性(圖6).其中歸屬于Others的細(xì)菌主要有蛭弧菌屬(Bdellovibrio)、厭氧粘細(xì)菌屬(Anaeromyxobacter)、Blvii28_wastewater-sludge_group以及分枝桿菌屬(Mycobacterium)等(圖中未展示). unidentified_Chloroplast、聚球藻屬(Synechococcus)、微囊藻屬(Microcystis)和unidentified_ Nitrosomonadaceae是太湖冬季沉積物中優(yōu)勢(shì)類群.其中,河口區(qū)的主要優(yōu)勢(shì)類群為Microcystis、unidentified_Nitrosomonadaceae和unidentified_Chloroplast,平均豐度分別達(dá)到26.24%、24.14%和18.87%;這3類細(xì)菌也是湖心區(qū)豐度排名前3的優(yōu)勢(shì)類群;而水草區(qū)最具優(yōu)勢(shì)的類群為Synechococcus,平均豐度達(dá)到31.65%.值得注意的是,Microcystis在每個(gè)采樣點(diǎn)均有檢出,其中JS的Microcystis含量最高,僅次于JS的是LJK.unidentified_Chloroplast、Synechococcus、unidentified_Nitrospiraceae、Blastocatella和Sva0081_sediment_groups分別在XSX、QD、XWL、PTS、STG豐度最高.

選取5類門水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌、3類綱水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與4類屬水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與不同湖區(qū)進(jìn)行差異顯著性分析(表3).單因素方差分析表明,不同優(yōu)勢(shì)細(xì)菌在湖區(qū)之間的差異顯著性不同.2類門水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌Nitrospirae(P=0.033)和Acidobacteria (P=0.042)、2類綱水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌Anaerolineae(P=0.043)和Nitrospira(P=0.033)在河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)之間差異顯著.3類門水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(Chloroflexi、Proteobacteria和Cyanobacteria)、1類綱水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(Gammaproteobacteria)和4類屬水平優(yōu)勢(shì)細(xì)菌(unidentified_Chloroplast、Synechococcus、Microcystis和unidentified_Nitrospiraceae)在不同湖區(qū)之間差異不顯著(P＞0.05).

圖6 屬水平優(yōu)勢(shì)沉積物細(xì)菌Fig.6 Dominant bacteria in sediment at the genus level

表3 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與不同湖區(qū)差異顯著性Table 3 Significance of difference of dominant bacteria among different lake zones

2.4 沉積物細(xì)菌與水環(huán)境因子的相關(guān)性

圖7展示了水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽含量、水溫以及pH值與屬水平細(xì)菌的冗余分析結(jié)果,第一主軸對(duì)屬水平細(xì)菌群落方差變化的解釋量為62.40%,第二主軸的解釋量為18.80%.其中pH值與第一主軸呈顯著正相關(guān),與第二主軸呈顯著負(fù)相關(guān);、水溫、TN、TP、、和NH3-N與第一主軸呈顯著負(fù)相關(guān),與第二主軸呈顯著正相關(guān).可見(jiàn),上層水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽水平、水溫以及pH值均對(duì)太湖冬季表層沉積物細(xì)菌群落有一定影響.

unidentified_Xanthomonadales、Ignavibacterium和Desulfatiglans與TN、TP、、和NH3-N具有較強(qiáng)正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均大于0.9;與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.99.Synechococcus和Blastocatella與pH值呈正相關(guān)性關(guān)系,與TN、TP、、和NH3-N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系. Sva0081_sediment_group、CL500-3和uidentified_Nitrospiraceae受環(huán)境因子影響較小,NH3-N是其主要影響因子.Microcystis顯示出與水溫和較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均大于0.99.

圖7 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌與水環(huán)境因子的冗余分析Fig.7 Redundancy analysis of dominant bacteria and water environmental factors

3 討論

3.1 太湖不同湖區(qū)沉積物細(xì)菌群落特征

太湖水域較廣闊,由于其水深相對(duì)較淺,外加風(fēng)浪的作用促使沉積層物質(zhì)與水體物質(zhì)交換頻繁[22],引起沉積層理化性質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)程度的變化,進(jìn)而影響微生物的多樣性.為了研究不同湖區(qū)沉積物細(xì)菌群落差異性和生境多樣性,本文選用α多樣性和β多樣性對(duì)太湖不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)進(jìn)行分析.結(jié)果表明,湖心區(qū)和水草區(qū)的細(xì)菌群落組成較為相似;通過(guò)Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)對(duì)每個(gè)樣品中物種組成的豐富度和均勻度兩方面進(jìn)行考察[23],結(jié)果表明,水草區(qū)物種組成的均勻度和豐富度均最高,其次為湖心區(qū),河口區(qū)最低;之前已有研究報(bào)道表明營(yíng)養(yǎng)水平的增加會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌群落多樣性顯著下降[24].造成太湖3個(gè)湖區(qū)群落多樣性差異可能是由于水草區(qū)主要由水生植物主導(dǎo),富營(yíng)養(yǎng)化程度較低,水質(zhì)較好;湖心區(qū)地理位置上遠(yuǎn)離河口區(qū),受外界影響小,富營(yíng)養(yǎng)化程度較河口區(qū)低;由于周邊農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)和城市化的發(fā)展,河口區(qū)長(zhǎng)期接納農(nóng)業(yè)化學(xué)品、土壤顆粒、工業(yè)廢水和生活污水的侵蝕,營(yíng)養(yǎng)輸入過(guò)多,水質(zhì)較差.營(yíng)養(yǎng)通量的改變可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生巨大變化,使得不同營(yíng)養(yǎng)區(qū)的細(xì)菌群落組成各異.Bacteroidetes、Chlorobi、unidentified_Chloroplast和unidentified_Nitrospiraceae在富營(yíng)養(yǎng)區(qū)的豐度更高,而Actinobacteria在貧營(yíng)養(yǎng)區(qū)的檢出率更高,劉芳華等[25]也發(fā)現(xiàn)Actinobacteria在太湖貧營(yíng)養(yǎng)區(qū)的含量相對(duì)較高,營(yíng)養(yǎng)可用性被認(rèn)為是改變湖泊沉積物中微生物群落的主要因素[26].營(yíng)養(yǎng)水平的不同使Nitrospirae、Acidobacteria、Anaerolineae和Nitrospira在3個(gè)湖區(qū)之間具有顯著的差異.同時(shí),不同營(yíng)養(yǎng)區(qū)還存在特有的細(xì)菌種類,如Sva0081_ sediment_group僅在水草區(qū)的3個(gè)采樣點(diǎn)有檢出.

沉積物細(xì)菌具有種類豐富以及代謝活性高的特點(diǎn),是湖泊中完成轉(zhuǎn)化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)工作的承擔(dān)者[27].太湖冬季沉積物中主要的優(yōu)勢(shì)類群為Chloroflexi、Proteobacteria、Acidobacteria和Cyanobacteria等.高光等[28]通過(guò)對(duì)太湖水生植物主導(dǎo)和藻類主導(dǎo)湖區(qū)冬季和夏季的沉積物細(xì)菌群落進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)Proteobacteria在兩類湖區(qū)豐度均最高,除此之外,Cyanobacteria僅在藻類主要湖區(qū)的樣品中有檢出,水生植物主導(dǎo)湖區(qū)的優(yōu)勢(shì)類群為Acidobacteria、Bacteroidetes.該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)太湖不同湖區(qū)春季沉積物細(xì)菌群落的研究結(jié)果表明,梅梁灣和水草區(qū)的主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為Chloroflexi、Proteobacteria;Proteobacteria和Bacteroidetes在湖心區(qū)豐度較高[25].可見(jiàn),Proteobacteria和Chloroflexi是太湖沉積物中長(zhǎng)期存在的優(yōu)勢(shì)類群.大多數(shù)的Proteobacteria對(duì)于可降解的有機(jī)基質(zhì)具有很強(qiáng)的代謝能力,在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊占據(jù)主導(dǎo)地位并不意外.Chloroflexi是涉及有機(jī)污染物生物降解的細(xì)菌,太湖的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)使這類細(xì)菌具有明顯的生存優(yōu)勢(shì).趙大勇[29]等利用T-RFLP方法對(duì)太湖3個(gè)不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)(梅梁灣、胥口灣、東太湖)夏季表層沉積物的細(xì)菌群落開(kāi)展研究,發(fā)現(xiàn)Gammaproteobacteria廣泛存在于3個(gè)湖區(qū)中,Deltaproteobacteria在梅梁灣豐度較高,Betaproteobacteria為東太湖含量較多,這與本次研究結(jié)果相類似;但其僅在梅梁灣區(qū)域檢出Chloroflexi,而本次研究表明Chloroflexi分布于太湖不同湖區(qū)所有采樣點(diǎn),可能是由于高通量測(cè)序的檢測(cè)范圍寬、定量準(zhǔn)確以及測(cè)序深度高等優(yōu)點(diǎn).

近幾年來(lái),盡管太湖的營(yíng)養(yǎng)污染得到一定的削減,但藍(lán)藻的繁殖頻率和持續(xù)時(shí)間都有所增加[30].早前的報(bào)道表明,全球氣候的變化導(dǎo)致地表水溫升高,可能會(huì)在藍(lán)藻繁殖中起重要作用[31].針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化和氣候變化促進(jìn)藍(lán)藻有害增殖和擴(kuò)張的兩個(gè)過(guò)程,O'Neil等[32]研究了淡水、河口和海洋生態(tài)系統(tǒng)的代表藍(lán)藻屬與營(yíng)養(yǎng)和氣候變化之間的關(guān)系,結(jié)果表明藍(lán)藻屬對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素具有極高的競(jìng)爭(zhēng)力;并且在更高溫度下,其生長(zhǎng)速度更快.藍(lán)藻水華暴發(fā)往往經(jīng)歷4個(gè)階段:湖底休眠、水體復(fù)蘇、上浮積聚和死亡分解.很多藍(lán)藻細(xì)胞在冬季會(huì)沉到底泥里,而到春季會(huì)復(fù)蘇到水體,且藍(lán)藻大規(guī)模積聚的時(shí)間提前,相關(guān)部門在春季便開(kāi)始對(duì)太湖藍(lán)藻實(shí)施大規(guī)模打撈,但藍(lán)藻并未減少,且2017年藍(lán)藻打撈量是2016年同期的5.5倍[33].本次通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)在太湖9個(gè)采樣點(diǎn)均檢出藍(lán)藻,在3個(gè)湖區(qū)占比均較高,以湖心區(qū)含量最高,其次為水草區(qū),河口區(qū)豐度最低.研究表明,沉積物中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)為藍(lán)藻復(fù)蘇及生長(zhǎng)繁殖提供營(yíng)養(yǎng)[34],致使春季太湖水體中藍(lán)藻大規(guī)模富集.可見(jiàn),下一年春季太湖水體中藍(lán)藻會(huì)大規(guī)模積聚,可能以湖心區(qū)藍(lán)藻覆蓋面積更大.設(shè)想如若將冬季沉積物中的藻種消除,便可能克服后續(xù)大規(guī)模的藍(lán)藻打撈工作,從而實(shí)現(xiàn)早期藍(lán)藻水華的防控.

3.2 沉積物細(xì)菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入可能對(duì)接收水質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,同時(shí)上覆水的理化性質(zhì)也可對(duì)沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有一定的影響.營(yíng)養(yǎng)狀況可能對(duì)淡水湖泊沉積細(xì)菌群落的形成起重要作用[35].參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB38382-2002)[36]Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)要求,河口區(qū)和湖心區(qū)的TN和TP含量都已超標(biāo),由氮磷含量反應(yīng)出太湖此時(shí)已呈現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài).冗余分析結(jié)果表明水環(huán)境因子顯著地影響著沉積物細(xì)菌群落.Winters等[37]發(fā)現(xiàn)硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽等環(huán)境因子均可影響勞倫森大湖沉積物細(xì)菌群落組成.通過(guò)考察不同污染源對(duì)太湖春夏秋冬四季沉積物細(xì)菌群落的影響,Jing等[38]發(fā)現(xiàn)銨鹽和有機(jī)物顯著影響細(xì)菌群落組成,4種不同的污染源(污水處理廠,城市,郊區(qū),農(nóng)業(yè))對(duì)太湖沉積物細(xì)菌群落影響不同,其中污水處理廠最可能導(dǎo)致沉積物生物同質(zhì)化.

Microcystis在太湖9個(gè)采樣點(diǎn)均有檢出,上覆水的水溫和NO3--N是冬季沉積物中Microcystis的主要影響因子.Liu等[39]對(duì)太湖進(jìn)行了為期11年的調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)Microcystis與NOx-N和水溫呈正相關(guān),在含氮化合物濃度下降時(shí),水溫升高是微囊藻水華暴發(fā)的主要推動(dòng)力.李朋富教授團(tuán)隊(duì)對(duì)太湖梅梁灣、貢湖灣和湖心區(qū)進(jìn)行為期6個(gè)月的研究工作,發(fā)現(xiàn)從春季到秋季Microcystis含量持續(xù)升高[40].本次Microcystis在太湖不同湖區(qū)均有檢出,當(dāng)水溫持續(xù)上升后,Microcystis可能會(huì)迅速增長(zhǎng)以致大規(guī)模積聚.秦伯強(qiáng)等[41]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒的Microcystis主要存在于太湖營(yíng)養(yǎng)充足的湖區(qū),而無(wú)毒的Microcystis則是營(yíng)養(yǎng)受限湖區(qū)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌.本次研究中,Microcystis在河口區(qū)和湖心區(qū)豐度很高,這與河口區(qū)和湖心區(qū)的營(yíng)養(yǎng)鹽含量密不可分;同時(shí)河口區(qū)與湖心區(qū)的水溫也高于水草區(qū).對(duì)于存在于河口區(qū)和湖心區(qū)等營(yíng)養(yǎng)水平較高湖區(qū)的Microcystis,應(yīng)給予極大關(guān)注.通過(guò)找出Microcystis等有害生物的制約因子,以控制環(huán)境制約因子達(dá)到對(duì)有害微囊藻水華的防控.

4 結(jié)論

4.1 營(yíng)養(yǎng)程度不同,湖區(qū)物種豐富度和均勻度也不同,3個(gè)湖區(qū)的物種豐富度和均勻度為水草區(qū)＞湖心區(qū)＞河口區(qū).

4.2 不同湖區(qū)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落組成存在差異,Nitrospirae、Acidobacteria、Anaerolineae和Nitrospira占比在河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)之間差異顯著(P＜0.05).冬季太湖沉積物細(xì)菌主要類群為Chloroflexi(22.18%)、Proteobacteria(21.11%)、Cyanobacteria(13.37%)和Nitrospirae(10.17%);在屬分類水平上,主要的優(yōu)勢(shì)類群為unidentified_Chloroplast(4.78%)和Microcystis(3.81%).

4.3 冬季太湖沉積物中全面檢出Cyanobacteria,且含量豐富.隸屬于Cyanobacteria的Microcystis在太湖不同湖區(qū)9個(gè)采樣點(diǎn)也均有檢出,NO3--N和水溫是Microcystis的主要影響因子,可為早期藍(lán)藻和有害微囊藻水華防控工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

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