陳光哲, 姜星宇, 胡 洋

1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 江蘇 南京 210008 2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 江蘇 南京 210008 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

湖泊是水生態(tài)系統(tǒng)的重要類型之一，其內(nèi)部生物群落與生態(tài)環(huán)境之間相互依存、相互影響，從而驅(qū)動著大量生物活性元素的地球化學(xué)循環(huán)過程[1]. 作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，細(xì)菌在物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程中具有舉足輕重的作用. 因此，深入了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌群落組成、多樣性及其分布特征是系統(tǒng)地理解湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)和前提.

作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)的主要分解者，水體中常見的細(xì)菌類型已經(jīng)基本確定，包括α-、β-、γ-變形菌(Proteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、疣微菌(Verrucomicrobia)及放線菌(Actinobacteria)等[2]. 它們將大量有機(jī)物分解和利用，繼而同化成為自身的組成物質(zhì)，最終再被浮游動物捕食，該過程被稱之為微食物環(huán)[3-5]. 同時，細(xì)菌還是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中重要的生產(chǎn)者. 如在一些咸水湖泊中，化能自養(yǎng)細(xì)菌以硫化物為電子受體，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中初級生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者[6].

然而，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量營養(yǎng)物質(zhì)直接或間接地排入湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，使得這些長江中下游區(qū)域湖泊大多處于不同程度的富營養(yǎng)狀態(tài)[7-9]. 不同營養(yǎng)程度湖泊的水環(huán)境是決定細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)的主要因子[10-11]. 在眾多湖泊水體中，磷是影響細(xì)菌群落分布的關(guān)鍵環(huán)境因子[12-13]. 而在水庫水體中，氮則是細(xì)菌群落變化的決定因子[14]. 除此之外，pH、水溫及ρ(Chla)等都是影響細(xì)菌群落變化的重要因子[15-16]. 總的來說，中度營養(yǎng)狀態(tài)會顯著地增加細(xì)菌數(shù)量、生物量及生長速率[17]，同時還會提高細(xì)菌群落的生物多樣性；相反，重度富營養(yǎng)化所帶來的環(huán)境脅迫使得其多樣性下降[18]，造成細(xì)菌群落資源利用方式單一，嚴(yán)重影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動.

值得注意的是，上述關(guān)于湖泊水體中細(xì)菌群落的研究多是采用分子指紋圖譜[19]、熒光雜交[20]及分子克隆文庫[21]等技術(shù). 雖然這些研究手段使得微生物學(xué)家開始對那些難以在實驗室生長的微生物展開深入研究，但其結(jié)果往往只能反映出樣品中少數(shù)優(yōu)勢種的信息，使得細(xì)菌群落中大量稀有種被嚴(yán)重忽視[22]. 近年來，伴隨著基因測序技術(shù)的快速發(fā)展，細(xì)菌群落中稀有種的重要作用已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)識[23-24]. 然而，飛速發(fā)展的測序技術(shù)為微生物學(xué)提供了新的研究方向，同時也帶來了新的困難. 如何科學(xué)地解譯、分析高通量測序所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)是目前微生物學(xué)發(fā)展的難題之一. 之前大多數(shù)研究均是簡單地提取高通量數(shù)據(jù)、探究細(xì)菌群落的組成、多樣性特征及其與環(huán)境因素相互關(guān)系[25-27]. 事實上，在復(fù)雜的細(xì)菌群落中，各物種之間存在著一系列的相互作用，如競爭、合作、共生等[28]. 但是由于缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)挖掘方法，使得這方面的研究十分薄弱. 基于描繪和表征微生物群落內(nèi)部物種相互關(guān)系的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，為理解復(fù)雜微生物之間的潛在相互作用提供了一種可靠的方法[29]. 研究表明，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析能夠準(zhǔn)確發(fā)掘各微生物間的相互關(guān)系及其與周圍環(huán)境的密切關(guān)系[30-31]，同時還能確定群落中的“關(guān)鍵物種”[32]. 該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)田、濕地、海洋以及牲畜養(yǎng)殖等微生物生態(tài)學(xué)方面的研究中[33-34].

因此，為了比較中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的差異，該研究選取了長江中下游區(qū)域的10個湖泊作為研究對象，通過高通量測序技術(shù)分析了不同營養(yǎng)程度湖泊中細(xì)菌群落的組成，并通過構(gòu)建其分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，探討其影響機(jī)制，以期為富營養(yǎng)化湖泊的治理和修復(fù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

樣品的采集于2014年7月19日—23日進(jìn)行. 在江蘇省和安徽省選取10個典型的營養(yǎng)水平不同的湖泊(升金湖、大官湖、泊湖、麻塘湖、太平湖、白蕩湖、西巢湖、東巢湖、楓沙湖、梅梁灣、竺山灣、破罡湖)，共12個采樣點(diǎn)(見圖1),均位于湖泊的湖心區(qū)，利用2.5 L便攜式采水器收集表層50 cm處湖水樣品，冷藏保存后帶回實驗室進(jìn)行分析.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 The map of sampling sites in this study

水溫(WT)、pH及ρ(DO)等采用多功能水質(zhì)分析儀(YSI, 6600V2, USA)原位測定；ρ(TN)、ρ(TP)、ρ(NO3--N)、ρ(NH4+-N)、ρ(DOC)(DOC表示溶解性有機(jī)碳)、ρ(TSS)(TSS表示總懸浮物)及ρ(CODMn)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》的標(biāo)準(zhǔn)方法測定[35]；ρ(Chla)先用二甲基甲酰胺萃取，然后在647和665 nm處測定吸光值，最后根據(jù)[Chla]=12.70A665 nm-2.79A647 nm計算ρ(Chla)[36].

1.2 細(xì)菌DNA提取及16S rRNA Illumina高通量測序

在過濾水體中細(xì)菌群落之前，先用200目(1目=1.5 μm)的尼龍網(wǎng)將水體中大顆粒雜質(zhì)去掉. 然后，將過濾后的水樣置于0.22 μm的聚碳酸酯膜(Millipore Boston, MA, USA)上以真空泵負(fù)壓抽濾. 濾膜用無菌剪刀剪碎后用FastDNA Spin Kit for soil試劑盒(美國MPbio公司)提取總DNA. 利用NanoDrop ND-1000分光光度計(美國NanoDrap Technologies公司)測定DNA濃度，純化后將DNA樣品保存于-80 ℃超低溫冰箱，直至進(jìn)行Illumina測序.

將提取好的DNA樣品利用16S rDNA V4可變區(qū)擴(kuò)增引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，前向引物序列為515F(5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3′)，反向引物序列為806R(3′-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-5′). PCR反應(yīng)條件為30個循環(huán)，94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，最后72 ℃延伸10 min. PCR產(chǎn)物經(jīng)凝膠電泳檢測擴(kuò)增出預(yù)期大小的片段且沒有非特異性條帶后，用PCR片段純化試劑盒純化. 將純化后的PCR產(chǎn)物送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的Miseq平臺進(jìn)行雙末端測序(美國Illumina公司).

下機(jī)后的數(shù)據(jù)用Qiime流程分析[37]，去除連續(xù)3個以上且質(zhì)控得分小于20的堿基，同時保留長度大于250 bp的序列，然后，利用UCHIME去掉嵌合體[38]，使用UPARSE將具有≥97%相似性的序列聚類為一個OTU(operational taxonomic unit, 分類操作單元)[39]，選擇其中最長的序列作為代表序列，并使用RDP分類器根據(jù)SILVA數(shù)據(jù)庫比對，獲取OTU的物種分類學(xué)信息[40]. 另外，將相對豐度大于1%的物種定義為豐富種，小于1%的物種定義為稀有種.

1.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在Cytoscape 3.5.1中利用CoNet插件，選擇出現(xiàn)頻率大于80%的OTUs作為構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn). 根據(jù)相似性(斯皮爾曼系數(shù)和皮爾森系數(shù))和距離矩陣(Bray-Curtis距離和Kullback-Leibler距離)，通過模型自動設(shè)定合適的閾值導(dǎo)出鄰接矩陣，用鄰接矩陣來編碼每對節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，對每一條邊進(jìn)行100次的Permutation和Bootstrap顯著性檢驗.

1.4 數(shù)據(jù)分析

該研究所有數(shù)據(jù)分析與可視化均使用R語言(version 3.2.3)中的vegan和ggplot 2程序包. 在計算多樣性之前，首先根據(jù)各樣點(diǎn)序列中的最小序列數(shù)進(jìn)行重抽樣. 利用diversity函數(shù)計算細(xì)菌群落中的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和Ace指數(shù). 利用T檢驗對中營養(yǎng)和富營養(yǎng)湖泊的水環(huán)境特征進(jìn)行差異性分析. 利用相似性分析(analysis of similarities, ANOSIM)對中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中的細(xì)菌群落進(jìn)行顯著性檢驗. 在進(jìn)行冗余分析(redundancy analysis, RDA)前，對細(xì)菌群落數(shù)據(jù)進(jìn)行Hellinger轉(zhuǎn)化，以消除大量稀有種的影響，并利用envfit函數(shù)對環(huán)境因子進(jìn)行顯著性檢驗. 利用非度量多維標(biāo)度法(nonmetric multidimensional scaling, NMDS)對細(xì)菌群落進(jìn)行排序. 利用Mantel檢驗分析細(xì)菌群落與地理距離之間的關(guān)系. 利用STAMP分析對細(xì)菌群落物種組成進(jìn)行差異性分析. 湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)及評價標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[41].

2 結(jié)果與分析

2.1 湖泊水體理化特征

選取Chla、TP、TN、SD以及CODMn五項參數(shù)，計算湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù). 其中，升金湖、大官湖、泊湖、麻塘湖、太平湖及白蕩湖的TLI分別為34.82、36.73、39.87、45.47、38.92和42.98，屬于中度富營養(yǎng)湖泊；西巢湖、東巢湖、楓沙湖、梅梁灣、竺山灣和破罡湖的TLI分別為58.03、56.22、53.72、59.00、64.84和69.18，屬于重度富營養(yǎng)湖泊.

圖2 中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊水環(huán)境特征Fig.2 The environmental characteristics of the moderate and severe eutrophic lakes

中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊的水體理化特征如圖2所示. 由圖2可見：中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊水溫均較高且無顯著性差別(P>0.05)，分別為(30.78±1.47)和(32.73±3.00)℃；重度富營養(yǎng)湖泊中ρ(DO)略高于中度富營養(yǎng)湖泊，分別為(9.68±2.82)和(7.53±0.88)mgL，但二者之間也無顯著性差異(P>0.05)；ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)在這兩種湖泊中也均無顯著性差別(P>0.05)；中度富營養(yǎng)湖泊中ρ(TN)(0.70 mgL)遠(yuǎn)小于重度富營養(yǎng)湖泊(1.53 mgL)，前者甚至不足后者的一半，具有明顯的差異(P<0.05)；ρ(TP)、ρ(Chla)、ρ(DOC)在中度富營養(yǎng)湖泊中分別為0.02、8.06和2.43 mgL，而在重度富營養(yǎng)湖泊中分別高達(dá)0.12、63.78和4.81 mgL，具有明顯差異(P<0.05).

2.2 水體細(xì)菌群落多樣性及其組成特征

中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的 1 159 個OTUs分屬于27個門、51個綱、86個目、156個科、181個屬. 重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的 1 314 個OTUs分屬于32個門、64個綱、104個目、170個科、187個屬. 這兩種湖泊中細(xì)菌群落的Shannon-Wiener指數(shù)分別為4.04±0.14和3.80±0.42，Simpson指數(shù)分別為0.94±0.01和0.92±0.04，Ace指數(shù)分別為895.75±35.42和831.24±89.23.T檢驗結(jié)果表明：兩種湖泊中細(xì)菌群落的α多樣性無顯著性差異(P>0.05)；但β多樣性則具有明顯的差異. 由圖3可見，中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落分別位于第1象限和第3象限. 相似性分析結(jié)果表明，兩種湖泊中細(xì)菌群落的差異性極為顯著(R=0.23,P=0.04). 值得注意的是，豐富種的亞群落在這兩種湖泊中并無差異(R=0.17，P=0.05)，但是稀有種亞群落則具有顯著的差異(R=0.15，P=006).

圖3 中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)湖泊中 細(xì)菌群落NMDS分析結(jié)果Fig.3 The non-metric multidimensional scaling analysis of the bacterial community in moderate and severe eutrophication lake

在中度富營養(yǎng)湖泊中，優(yōu)勢門類主要有放線菌(Actinobacteria，占比為43.80%)、變形菌(Proteobacteria，占比為22.01%)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria，占比為8.95%)、擬桿菌(Bacteroidetes，占比為8.94%)、疣微菌(Verrucomicrobia，占比為7.22%)、浮霉菌(Planctomycetes，占比為2.32%)及綠彎菌(Chloroflexi，占比為1.04%). 在重度富營養(yǎng)湖泊中，最優(yōu)勢門類也是放線菌(Actinobacteria，占比為40.82%)，其次為變形菌門(Proteobacteria，占比為22.66%)、擬桿菌門(Bacteroidetes，占比為14.97%)、疣微菌門(Verrucomicrobia，占比為6.19%)、綠彎菌門(Chloroflexi，占比為4.11%)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria，占比為3.96%)和浮霉菌門(Planctomycetes，占比為2.69%).

圖4 中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的組成Fig.4 The bacterial community composition in mesotrophic and eutrophic lakes

中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落均有12個優(yōu)勢綱類〔見圖4(a)〕，主要為放線菌綱(Actinobacteria，占比分別為23.33%和29.74%)、酸微菌綱(Acidimicrobiia，占比分別為19.74%和10.91%)、鞘脂單胞菌綱(Sphingobacteriia，占比分別為7.33%和12.74%)、β變形菌(Betaproteobacteria，占比分別為6.38%和13.33%)等. 通過組間差異分析(STAMP)表明，在這些優(yōu)勢綱類中，只有綠菌綱(Chlorobia)和β變形菌在中度富營養(yǎng)湖泊、重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落具有顯著性差異(P<0.05)，分別為1.04%、4.11%和6.38%、13.33%，可見在重度富營養(yǎng)湖泊中其相對豐度均更高.

在屬水平上，中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落均有10個共有優(yōu)勢屬類〔見圖4(b)〕，主要為Hgcl_clade(占比分別為20.78%和24.37%)和CL500-29_marine_group(占比分別為19.63%和10.10%). 組間差異分析結(jié)果表明，這些優(yōu)勢屬類在兩種湖泊中均無顯著性差異(P>0.05).

2.3 細(xì)菌群落的影響因素

圖5為在屬水平上細(xì)菌群落與水環(huán)境特征的冗余分析排序. 冗余分析結(jié)果(見圖5)顯示，湖泊水環(huán)境因子共解釋了細(xì)菌群落變異的48.51%，其中第1主軸和第2主軸分別解釋了21.17%和16.99%.ρ(TN)、ρ(NH4+-N)及ρ(TSS)與細(xì)菌群落變異之間的關(guān)系極為顯著(P<0.05). 除了環(huán)境因子，筆者還研究了細(xì)菌群落與地理距離之間的關(guān)系. Mantel檢驗結(jié)果表明，細(xì)菌群落與地理距離之間無顯著性關(guān)系〔R=-0.08,P=0.59(>0.05)〕.

注：** 表示0.01的置信水平.圖5 細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的冗余分析結(jié)果Fig.5 Redundancy analysis of bacterial community and aquatic environmental parameters

筆者對細(xì)菌群落的優(yōu)勢類群和環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析(見表1). 由表1可見，細(xì)菌類群的優(yōu)勢類群與環(huán)境因子之間主要為正相關(guān)關(guān)系. 在綱水平上，Actinobacteria與ρ(NH4+-N)和ρ(TN)呈顯著負(fù)相關(guān)、與ρ(NO3--N)和ρ(NH4+-N)呈顯著正相關(guān)；Chlorobia與ρ(DOC)呈顯著正相關(guān)；Verrucomicrobia與ρ(TSS)和ρ(TP) 呈顯著正相關(guān)；Flavobacteriia與水溫和ρ(NH4+-N)分別呈顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān). 在屬水平上，Hgcl_clade與水溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與ρ(NH4+-N)和ρ(NO3--N)呈顯著正相關(guān)；Prochlorococcus與ρ(TN)呈顯著正相關(guān)；Methylacidiphilum與ρ(TSS)和ρ(TSS)均呈顯著正相關(guān).

2.4 細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征

該研究構(gòu)建了中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(見圖6). 由圖6可見：中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)要比重度富營養(yǎng)湖泊小，前者的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊數(shù)量分別為109和183，后者則分別為119和227. 值得注意的是：在前者網(wǎng)絡(luò)中，92.90%的邊為正相關(guān)關(guān)系，在后者網(wǎng)絡(luò)中，僅74.44%的邊為正相關(guān)關(guān)系. 作為代表網(wǎng)絡(luò)緊密關(guān)系程度的中心性參數(shù)，中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)顯著大于重度富營養(yǎng)湖泊(P<0.05)，前者的接近中心性和中介中心性分別為 0.000 9 和276.23，后者則分別為 0.000 2 和158.34. 根據(jù)貪婪算法，中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)可被分解為9個模塊，而重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)則可被分解為12個模塊.

表1 中度富營養(yǎng)湖泊水體中細(xì)菌群落優(yōu)勢類群與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

注： *表示0.05的置信水平；** 表示0.01的置信水平； *** 表示0.001的置信水平. 數(shù)字加粗表示顯著相關(guān).

圖6 中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Molecular ecological network of bacterial community in mesotrophic and eutrophic lakes

除此之外，中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均聚集系數(shù)也小于重度富營養(yǎng)湖泊，分別為0.34和0.45.

3 討論

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國越來越多的湖泊已進(jìn)入富營養(yǎng)化狀態(tài). 根據(jù)湖泊綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，該研究中的10個湖泊可以分為中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊兩種，前者水體中的活性元素(主要為氮、磷和碳)的質(zhì)量濃度均顯著低于后者. 因此，作為對外界環(huán)境變化極為敏感的有機(jī)體，這兩種類型湖泊中細(xì)菌群落的組成也具有顯著性差異. 這與前人的研究[18]也基本保持一致，如富營養(yǎng)化湖泊與貧營養(yǎng)水庫中的細(xì)菌群落差異十分明顯[42]. 即使在同一湖泊中，不同營養(yǎng)水平湖區(qū)水體中的細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)也具有顯著的差異[18]. 正如物種篩選過程[43,44]所述，細(xì)菌群落組成的分布特征主要是由環(huán)境的異質(zhì)性決定的. 冗余分析的結(jié)果也直接證明了這一點(diǎn)，即細(xì)菌群落與氮素質(zhì)量濃度〔包括ρ(NH4+-N)和ρ(TN)〕和ρ(TSS)之間關(guān)系極為顯著，而與地理距離之間則無明顯關(guān)系. 通過相關(guān)分析表明，細(xì)菌群落中的優(yōu)勢類群與環(huán)境因子之間主要為正相關(guān)關(guān)系，這說明隨著水體中營養(yǎng)鹽濃度的增加更有利于細(xì)菌群落中優(yōu)勢種類的生長和繁殖.

在這兩種類型湖泊中，Actinobacteria均為第一優(yōu)勢類群，該生物類群也是各種水環(huán)境細(xì)菌群落中的優(yōu)勢門類，包括濕地、湖泊及海洋等[45-47]. 可能原因是：①相比其他細(xì)菌門類而言，放線菌能夠更好地躲避原生動物的捕食，導(dǎo)致其死亡率相對較低[48-49]；②在氮、磷元素充足的湖泊中，碳源常常成為細(xì)菌生長繁殖的制約因素. 放線菌在利用碳源，尤其是浮游植物分泌的溶解性有機(jī)碳時具有更強(qiáng)的競爭力[50]. 在屬水平上，Hgcl_clade和CL500-29_marine_group為優(yōu)勢類群. 研究[51-52]表明，這兩類細(xì)菌與浮游植物尤其是藍(lán)藻之間關(guān)系密切，較為適應(yīng)在高營養(yǎng)鹽水體中生長和繁殖. 該研究也發(fā)現(xiàn)Hgcl_clade與ρ(NH4+-N)和ρ(NO3-N)均呈顯著正相關(guān)，與已有研究結(jié)果[53]極為吻合.

綜上，雖然細(xì)菌群落組成在中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊中具有顯著的差異，但其仍具有相似的優(yōu)勢種，如Hgcl_clade和CL500-29_marine_group在兩種湖泊中均無顯著性差異. 因此，筆者推測富營養(yǎng)化可能通過改變細(xì)菌群落中的稀有種組成進(jìn)而影響其演替方向. 該研究結(jié)果也支持該假設(shè)：豐富種的亞群落在這兩種湖泊中無顯著性差異，而稀有種的亞群落則具有明顯的區(qū)別. 已有研究[53-54]發(fā)現(xiàn)，豐富種和稀有種對環(huán)境變化表現(xiàn)出了不同的響應(yīng)過程. 雖然稀有種的相對豐度較少，但其在細(xì)菌群落中扮演著極為重要的作用. 一方面，稀有種是基因多樣性和物種多樣性的“種子庫”[55]；另一方面，其還影響著細(xì)菌群落功能特征，如提供降解特定底物的酶等[56]. 然而到目前為止，豐富種和稀有種對細(xì)菌群落演替過程的影響機(jī)制尚未明確，仍需進(jìn)一步的研究.

在中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊的細(xì)菌群落分子網(wǎng)絡(luò)中，分別92.90%和74.45%的物種之間為正相關(guān)關(guān)系，與其他生境中細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征相符. 如ZHAO等[30]通過構(gòu)建我國6個城市湖泊水體的細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)群落中大部分物種之間為正相關(guān)關(guān)系；另外，在附著于地衣和苔蘚表面的細(xì)菌分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，80%的物種之間也為正相關(guān)關(guān)系[57]. 這種正相關(guān)關(guān)系可被認(rèn)為是細(xì)菌種群之間存在共生、共棲、以共聚集等關(guān)系[28]，因此，這些結(jié)果可能表明細(xì)菌群落具有自我組織和自我維持的特性[58-59].

雖然這兩種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間具有這些共同特征，網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果仍然表明，中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(節(jié)點(diǎn)和邊)要小于重度富營養(yǎng)湖泊，說明在資源更豐富的生態(tài)環(huán)境中，更多的物種會參與群落功能的行使過程. 值得注意的是，該研究發(fā)現(xiàn)在這兩種生境中，細(xì)菌群落的α多樣性并無差別. 因此，環(huán)境條件對細(xì)菌群落功能的影響要大于其多樣性. 那么資源是如何決定細(xì)菌群落的功能作用呢？筆者認(rèn)為，在資源相對貧乏的中度富營養(yǎng)湖泊中，當(dāng)細(xì)菌群落將那些易于利用的物質(zhì)消耗后，細(xì)菌物種間會增加彼此之間的協(xié)同作用，通過協(xié)同代謝等互助關(guān)系來分解或者合成環(huán)境中難以利用的物質(zhì)[60]. 這也可以從該研究的結(jié)果中得到證實：中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)擁有92.90%的正相關(guān)關(guān)系的邊，而其在重度富營養(yǎng)湖泊中的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中僅有74.44%；另外，前者網(wǎng)絡(luò)的中心性參數(shù)要顯著大于后者. 這也證明了隨著富營養(yǎng)化程度的增加，細(xì)菌群落微生物之間的相互作用減弱，從而使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度降低[61].

4 結(jié)論

a) 長江中下游地區(qū)的湖泊可分為中度富營養(yǎng)湖泊和重度富營養(yǎng)湖泊.

b) 在中度富營養(yǎng)和重度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落的β多樣性具有明顯的區(qū)別，而α多樣性無顯著性差異.

c) 兩種湖泊中細(xì)菌群落的優(yōu)勢種基本一致，在綱水平上以Actinobacteria，Acidimicrobiia，Sphingobacteriia和Betaproteobacteria為主，在屬水平上以Hgcl_clade和CL500-29_marine_group為主.

d) 細(xì)菌群落主要受到了環(huán)境因素〔ρ(TN)、ρ(NH4+-N)及ρ(TSS)〕的影響，與地理距離之間并無顯著關(guān)系.

e) 中度富營養(yǎng)湖泊中細(xì)菌群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和邊數(shù)量均小于重度富營養(yǎng)湖泊，并且前者網(wǎng)絡(luò)具有更多的物種協(xié)作關(guān)系，其網(wǎng)絡(luò)的中心性也顯著大于后者.