王曉麗,其勒格爾

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010022 2 內(nèi)蒙古師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010022

沉積物是水生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷等物質(zhì)循環(huán)的重要場(chǎng)所[1- 2]。沉積物微生物通過(guò)同化、異化等代謝過(guò)程來(lái)影響沉積物中氮、磷、碳等生源要素的礦化及生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程,是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3],在維持水體環(huán)境穩(wěn)定的過(guò)程中起著動(dòng)植物無(wú)法取代的作用[4]。另外,微生物對(duì)其周?chē)h(huán)境變化非常敏感,其生態(tài)系統(tǒng)中的微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)特征?？勺鳛榄h(huán)境變化的指示因子[5-6]。因此,全面了解水生態(tài)系統(tǒng)中沉積物微生物群落組成及分布特征,對(duì)于管理和維護(hù)水生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,具有準(zhǔn)確度高、通量大、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)的高通量測(cè)序技術(shù)在水體、沉積物、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)研究中得到廣泛應(yīng)用[7]。已有學(xué)者利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)鄱陽(yáng)湖典型濕地[8]、丹江口庫(kù)區(qū)表層沉積物[9]、遼河口沉積物[10]微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究。

黃河是中國(guó)北方的重要水系。黃河內(nèi)蒙古段自寧夏入內(nèi)蒙古境內(nèi)后呈拱形走向,在榆樹(shù)灣出境,全長(zhǎng)約800多公里。內(nèi)蒙古西部有五個(gè)沙漠,黃河內(nèi)蒙古段河道泥沙淤積主要來(lái)源于內(nèi)蒙古境內(nèi)的烏蘭布和沙漠和庫(kù)布齊沙漠[11],每年借風(fēng)力約有兩億噸沙塵刮入黃河流域,含沙量很大,在黃河所有河段中具有一定典型性和代表性。對(duì)黃河內(nèi)蒙古段沉積物-水界面間的研究主要集中在生源要素磷[12- 14]、氮[15-16]在沉積物-水界面間的吸附解吸特征及其與沉積物理化性質(zhì)間的關(guān)系,對(duì)黃河內(nèi)蒙古段沉積物微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)類(lèi)型研究較少。因此,本研究通過(guò)Illumina Miseq高通量測(cè)序技術(shù)分析黃河內(nèi)蒙古段表層沉積物細(xì)菌多樣性、豐度和群落結(jié)構(gòu)類(lèi)型,探討細(xì)菌群落與環(huán)境因子間的關(guān)系,了解沉積物細(xì)菌對(duì)生源要素氮、磷轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)作用,為其生物地球化學(xué)循環(huán)提供參考,并為黃河生態(tài)環(huán)境管理及微生物資源調(diào)控和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 黃河內(nèi)蒙古段采樣點(diǎn)站位分布圖Fig.1 Sketch map of sampling sites in Yellow River

黃河內(nèi)蒙古段自寧夏入內(nèi)蒙古境內(nèi)后首先進(jìn)入烏海市,呈幾形走向,在榆樹(shù)灣出境,全長(zhǎng)約800多公里。黃河內(nèi)蒙古流域貫穿內(nèi)蒙古中部主要的工業(yè)、農(nóng)業(yè)區(qū),是沿岸城市居民生活用水的主要來(lái)源。流域內(nèi)盆地是重要的糧食生產(chǎn)基地。同時(shí)人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)也日漸影響著黃河流域的水生生態(tài)系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)所用沉積物樣品分別從烏海市、臨河、烏拉特前旗、包頭市、托縣和老牛灣6個(gè)地區(qū)采集,沉積物樣品編號(hào)依次定為H1、H2、H3、H4、H5、H6。烏海市是典型的煤礦區(qū)域,受周?chē)旱V及洗煤廠(chǎng)的影響比較大；臨河、烏拉特前旗是內(nèi)蒙古典型的農(nóng)業(yè)區(qū),屬于著名的河套平原區(qū)域；包頭市是內(nèi)蒙經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的工業(yè)城市,有包鋼等大型企業(yè)；托縣為普通小型縣城；老牛灣是著名旅游景點(diǎn),在夏季及秋季每年參觀(guān)和游覽的人較多。6個(gè)采樣點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1。

1.2 樣品采集與沉積物理化測(cè)定

采樣時(shí)間為2016年7月份。在樣品采集現(xiàn)場(chǎng),用便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定沉積物的溫度、氧化還原電位、電導(dǎo)率、溶解氧和pH。選用大小適宜的柱狀采樣器采集0—10 cm表層沉積物,每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)重復(fù)樣,放入采集袋中,冰箱冷藏待測(cè)。上覆水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

黃河表層沉積物樣品分析指標(biāo)包括陽(yáng)離子交換量(Ion exchange capacitiy)、有機(jī)質(zhì)(Total organic carbon)、總磷(Total phosphorus)、燒失量(Burning vector)。陽(yáng)離子交換量參照EDTA-銨鹽快速法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法來(lái)測(cè)定,總磷測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化消解法測(cè)定。

表1 上覆水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 樣品分析

1.2.1PCR擴(kuò)增

提取的樣品DNA先用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),確定檢測(cè)合格之后再通過(guò)熒光定量PCR技術(shù)檢測(cè)。Bact-F(5′-GTTAATACCTTTGCTCATTGA- 3′)和Bact-R(5′-ACCAGGGTATCTTAATCCTGTT- 3′)為本文選用的引物。其中,PCR反應(yīng)體系包含2.5 μL 10 × PCR 緩沖液,1.6 μL dNTP (2.5 mmol/L,TaKaRa),1 μL 上下游引物(10 μmol/L), 0.125 μL rTaq DNA 聚合酶(5 U/μL),模版 DNA 2 μL,最終用去離子水補(bǔ)充至16.73 μL。反應(yīng)條件設(shè)置為95 ℃ 預(yù)變性4 min,30個(gè)循環(huán),95 ℃變性30 s、57 ℃退火30 s、72 ℃延伸30 s,最終72℃延伸10 min。最終要得到符合MiSeq高通量測(cè)序要求的目標(biāo)DNA片段。

1.2.2Miseq平臺(tái)高通量測(cè)序

16S 數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)序是指對(duì)環(huán)境樣品微生物的 16S rDNA 基因的PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行高通量測(cè)序后將測(cè)序數(shù)據(jù)與已有的 16S rDNA 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)分析,對(duì)環(huán)境樣品中的微生物群落多樣性進(jìn)行研究。其中PCR 反應(yīng)的30 μL體系包含15 μL 高保真PCR混合劑(New Eng-land Biolabs),0. 2 μmol/L 的正反引物以及 2 μL的模版 DNA。PCR反應(yīng)條件為 95 ℃預(yù)變性5 min,40個(gè)循環(huán),57 ℃退火30 s,72 ℃延伸20 s,72 ℃最終延伸5 min。PCR產(chǎn)物通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)并確定合格后在Illumina MiSeq 平臺(tái)進(jìn)行更進(jìn)一步測(cè)序。

1.2.3測(cè)序數(shù)據(jù)處理

擴(kuò)增序列的處理主要包括截去條形碼和引物序列。最終通過(guò)Flash1.2.7軟件對(duì)序列進(jìn)行拼接和用Qiime19.1.0等軟件進(jìn)行更加精確與嚴(yán)格的序列質(zhì)量檢測(cè)和篩選得到有效序列。其中堿基測(cè)序精確程度用Q值表示,然后采用UCLUST等方法進(jìn)行OTU(operational taxonomic unit)聚類(lèi),并將把物種操作單元之間的相似性等于或大于97%的有效序列歸為同一分類(lèi)單元。基于OTU分析結(jié)果可以進(jìn)行多種樣品稀釋性曲線(xiàn)分析并計(jì)算Chao1豐度指數(shù)、覆蓋度(Coverage)和香農(nóng)(Shannon)多樣性指數(shù)。采用RDF Classifier貝葉斯算法對(duì)OTU代表序列進(jìn)行分類(lèi)學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物樣品微生物多樣性分析

群落生態(tài)學(xué)中,α多樣性主要關(guān)注單樣本的多樣性分析,可以反映微生物群落中物種的數(shù)目,通過(guò)一系列統(tǒng)計(jì)學(xué)指數(shù)的分析來(lái)估計(jì)環(huán)境群落的物種豐度和多樣性。6個(gè)采樣點(diǎn)的沉積物樣品所獲得的多樣性數(shù)據(jù)列于表2。由表2可知,6個(gè)采樣點(diǎn)的沉積物樣品ACE多樣性指數(shù)在6758.63—12958.81之間,Chao1多樣性指數(shù)范圍在6079.61—11525.45內(nèi)。ACE和Chao1多樣性指數(shù)表明沉積物樣品細(xì)菌豐度,其數(shù)值越大,樣品細(xì)菌豐度就越高。6個(gè)樣品細(xì)菌群落豐度大小為：H3 > H6 > H2 > H4 > H5 > H1。香農(nóng)威納多樣性指數(shù)在9.46—10.57以?xún)?nèi),其數(shù)值比較高,說(shuō)明6個(gè)采樣點(diǎn)都具有比較高的微生物多樣性,其排序結(jié)果為：H6 > H2 > H5 > H4 > H3 > H1。與其他5個(gè)采樣點(diǎn)相比,H1點(diǎn)的細(xì)菌群落豐度及微生物多樣性明顯都比較低。表中Coverage表示測(cè)序深度,從其值來(lái)看,除了H1和H5較低外,其余數(shù)值都比較高,高達(dá)96%,說(shuō)明各樣本文庫(kù)的覆蓋率比較全面,序列沒(méi)有被測(cè)出的概率較低。該結(jié)果與本研究中稀釋曲線(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

表2 微生物多樣性一覽表

圖2 黃河沉積物樣品的主坐標(biāo)分析 Fig.2 Principal coordinate analysis in sediments from Yellow River

黃河內(nèi)蒙古段6種表層沉積物樣品主坐標(biāo)分析如圖2所示。由圖可見(jiàn),第一主軸(PC1),第二主軸(PC2)和第三主軸(PC3)的奉獻(xiàn)率分別為50.37%,30.14%和10.67%。圖中H3和H4之間的距離最近,表明兩者的沉積物微生物群落構(gòu)成及豐度都相近。H6和H2,H6和H5沉積物微生物群落構(gòu)和豐度也比較相近,但相似性小于H3和H4沉積物樣品微生物組成。H1與其他5種沉積物樣品微生物群落組成之間差異都比較大。這與我們基于高通量測(cè)序的微生物多樣性和豐度研究中所得出的結(jié)果一致,烏海(H1)沉積物樣品微生物多樣性和豐度在6種樣品中都是最低。

2.2 黃河沉積物樣品細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及類(lèi)型

本研究6個(gè)采樣點(diǎn)沉積物樣品的36447個(gè)OTUS分屬于365個(gè)門(mén),1128個(gè)綱,2170個(gè)目,3360個(gè)科,4722個(gè)屬,可見(jiàn)黃河內(nèi)蒙古段沉積物有著比較豐富的微生物多樣性。通過(guò)與Green gene database中的已知序列進(jìn)行比對(duì)后,對(duì)黃河沉積物樣本中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有了初步的了解。黃河表層沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在門(mén)綱目科屬水平上的相對(duì)豐度見(jiàn)圖3至圖7。由圖可見(jiàn),黃河沉積物樣本細(xì)菌群落在門(mén)水平上,變形菌門(mén)(Proteobacteria,相對(duì)豐度為32.39)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,相對(duì)豐度為13.25%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes,相對(duì)豐度為12.16%)占據(jù)了總細(xì)菌群落豐度的50%以上。說(shuō)明這三類(lèi)細(xì)菌在黃河內(nèi)蒙古段沉積物中為優(yōu)勢(shì)菌群。在變形菌門(mén)中發(fā)現(xiàn)的主要種類(lèi)有α-變形菌綱(AlphaProteobacteria),β-變形菌綱(BetaProteobacteria),γ-變形菌綱(GammaProteobacteria),δ-變形菌綱(DeltaProteobacteria)等四種,其中β-變形菌綱占據(jù)了變形菌總豐度的36.98%,δ-變形菌綱所占相對(duì)豐度為23.86%,α-變形菌綱所占相對(duì)豐度為20.89%,γ-變形菌綱所占相對(duì)豐度為15.86%。由此可見(jiàn),β-變形菌綱在黃河內(nèi)蒙古段沉積物中生態(tài)位置中占據(jù)比較重要的位置。

本研究中發(fā)現(xiàn)的含量比較多的細(xì)菌類(lèi)群還包括后壁菌門(mén)(Firmicutes,相對(duì)豐度為7.71),酸桿菌門(mén)(Acidobacteria,相對(duì)豐度為6.15),放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria,相對(duì)豐度為7.10),它們的相對(duì)豐度均在6%以上。本研究還發(fā)現(xiàn)了芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes),疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiae),藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria),硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospira),螺旋體門(mén)(Spirochaetes),綠菌門(mén)(Chlorobi),梭桿菌門(mén)(Fusobacteres),浮霉菌門(mén)(Planctonycetes)等相對(duì)豐度比較少的種群。此外,在我們的比對(duì)結(jié)果中有5%的細(xì)菌16S rRNA基因序列在基因庫(kù)中沒(méi)找到相似序列或所占比非常少,所以將其一并劃分為其他(Other),這些序列也許是至今為止尚未被發(fā)現(xiàn)的一些新的微生物種類(lèi)或是在這個(gè)環(huán)境中從來(lái)沒(méi)培養(yǎng)的微生物的一部分。

圖3 沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在門(mén)水平上的相對(duì)豐度Fig.3 Relative abundance of clone libraries in sediment of Yellow River

圖4 沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在綱水平上的相對(duì)豐度Fig.4 Relative abundance of class libraries in sediment of Yellow River

圖5 沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在目水平上的相對(duì)豐度Fig.5 Relative abundance of order libraries in sediment of Yellow River

圖6 沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在科水平上的相對(duì)豐度Fig.6 Relative abundance of section libraries in sediment of Yellow River

圖7 沉積物樣品主要細(xì)菌種類(lèi)在屬水平上的相對(duì)豐度Fig.7 Relative abundance of genus libraries in sediment of Yellow River

2.3 黃河沉積物微生物多樣性與環(huán)境因子之間的關(guān)系

沉積物理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。CEC最大值是烏海沉積物,最小值是烏拉特前旗；TOC最大值是烏海沉積物,最小值是烏拉特前旗；TP最大值是烏海沉積物,最小值是老牛灣；LOI最大值是烏海沉積物,最小值是包頭。

表3 沉積物的理化參數(shù)

黃河內(nèi)蒙古段表層沉積物門(mén)分類(lèi)水平上的細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的冗余分析結(jié)果如圖8所示。分析結(jié)果顯示,沉積物中TOC、CEC和TP等環(huán)境因子對(duì)黃河內(nèi)蒙古段沉積物細(xì)菌群落分布影響較大。有研究報(bào)道對(duì)細(xì)菌群落及其環(huán)境影響因子進(jìn)行冗余分析(RDA)[3, 17-18]結(jié)果表明,發(fā)現(xiàn)TOC、總氮(TN)、TP等環(huán)境因子對(duì)沉積物細(xì)菌分布影響顯著,與本研究所得結(jié)果基本一致。

圖8 沉積物樣品細(xì)菌群落與理化指標(biāo)的冗余分析Fig.8 Redundancy analysis of bacterial phyla and environmental parameters in sediment sample

黃河內(nèi)蒙古段表層沉積物微生物多樣性指數(shù)與各形態(tài)氮和環(huán)境理化因子做相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)表4。數(shù)據(jù)處理中使用 SPSS Statistics19.0軟件對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析,得出顯著性概率P值(*：P< 0.05,說(shuō)明 0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān))。從表4可知,黃河沉積物各樣品細(xì)菌群落多樣性Chao1和ACE指數(shù)與沉積物中TN、TP呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明黃河沉積物細(xì)菌群落豐度的大小對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損耗有直接關(guān)系；與沉積物中鐵錳氧化態(tài)氮(IMOF-N)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮(CF-N)呈顯著負(fù)相關(guān),可能對(duì)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的釋放與轉(zhuǎn)化有著很顯著的影響。而Shannon指數(shù)僅與IMOF-N、CF-N呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明微生物群落的多樣性對(duì)鐵錳氧化態(tài)氮和碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮的釋放有促進(jìn)作用。沉積物CEC的大小基本上代表了沉積物可能保持的養(yǎng)分,這三種指數(shù)均與CEC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明微生物群落的多樣性會(huì)消耗沉積物養(yǎng)分。相關(guān)性分析結(jié)果表明,大多情況下微生物群落多樣性及豐度在不同程度上會(huì)促進(jìn)氮形態(tài)的轉(zhuǎn)化和釋放,但其過(guò)程復(fù)雜多樣,因此微生物在氮形態(tài)轉(zhuǎn)化中的具體作用還需進(jìn)一步探索和研究。

表4 多樣性指數(shù)與各形態(tài)氮、環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 優(yōu)勢(shì)細(xì)菌組成及功能

物種多樣性是維持生態(tài)系統(tǒng)正常功能的前提條件[19]。對(duì)6個(gè)黃河表層沉積物細(xì)菌群落組成進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其主要由變形菌門(mén)(Proteobacteria,32.39%)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,13.25%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes,12.16%),后壁菌門(mén)(Firmicutes,7.71%),酸桿菌門(mén)(Acidobacteria,6.15%),放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria,7.10%)組成,序列總和占全部序列的78.76%,說(shuō)明這六類(lèi)細(xì)菌在黃河內(nèi)蒙古段沉積物中為優(yōu)勢(shì)菌群,表現(xiàn)出群落組成的豐富性。黃河沉積物細(xì)菌群落組成與之前研究的黃河三角洲濕地[20]、丹江口庫(kù)區(qū)[9]、太湖[21]、北運(yùn)河[22]等河流及其海洋[23]等水體的沉積物細(xì)菌組成類(lèi)群相似,但又有區(qū)別。王鵬等[8]鄱陽(yáng)湖典型濕地主要菌群為變形菌門(mén)、酸桿菌們、綠彎菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)、厚壁菌門(mén)等； 陰星望等[9]丹江口庫(kù)區(qū)表層沉積物主要菌群為變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)等；郭建麗等[24]雙臺(tái)子河口沉積物主要菌群是變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、酸桿菌門(mén)以及綠彎菌門(mén)。研究表明這些沉積物細(xì)菌群落的豐富性和多樣性使沉積物在營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)、有機(jī)物降解、重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化等方面起著重要的生態(tài)功能[25]。

變形菌門(mén)是一大類(lèi)細(xì)菌群落,在很多細(xì)菌群落研究中都具有最高的相對(duì)豐度,如南海北部和黃海西北部沉積物[26-27],但在不同海域表層沉積物基因文庫(kù)中所占的比例差異較大,卡斯卡底古陸邊緣次表層沉積物中變形菌門(mén)含量占文庫(kù)比例高達(dá)95%[28],而在日本 Nankai 海槽 1176 站位次表層沉積物中,變形菌門(mén)僅占基因文庫(kù)的 22%[29]。東海陸架表層沉積物中變形菌門(mén)占細(xì)菌文庫(kù)近50%[30]；崇明東灘表層沉積物變形菌門(mén)占文庫(kù)的比例在 22.4%—34.6%[31]。本研究中黃河內(nèi)蒙古段沉積物中主要的微生物類(lèi)群是變形菌門(mén),占文庫(kù)的比例為27.51—42.28%,平均值為32.39%。

變形菌門(mén)不同綱的菌群在沉積物中的豐度變化也是微生物群落結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)重要指標(biāo)。海洋及近海沉積物中變形菌門(mén)以γ-變形菌綱為主[32]；雙臺(tái)子河口沉積物中細(xì)菌多樣性研究表明δ-變形菌綱占基因文庫(kù)的 60%,為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群[24]。本研究區(qū)變形菌門(mén)主要包括(按豐度大小排序)β-變形菌綱(36.98%)、δ-變形菌綱(23.86%)、α-變形菌綱(20.89%)和γ-變形菌綱(15.86%)。α-變形菌綱和β-變形菌綱是淡水細(xì)菌群落中一個(gè)典型的優(yōu)勢(shì)類(lèi)群[33-34],包括了能與植物共生的固氮細(xì)菌[35],可為土壤提供更強(qiáng)的固氮能力。β-變形菌綱經(jīng)常利用有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨氣、甲烷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),β-Proteobacteria 更易存活于受污染的環(huán)境中[36],它可作為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的生態(tài)指標(biāo)[27]。在黃河沉積物中β-變形菌豐度最大,推測(cè)本研究采樣地點(diǎn)可能受到了陸源排污或其他人類(lèi)活動(dòng)的影響。

δ-變形菌綱包含了以其他細(xì)菌為食的細(xì)菌,對(duì)沉積物氮、磷、硫和有機(jī)質(zhì)循環(huán)有重要作用[37]。細(xì)菌群落豐度指數(shù)與TN、TP、碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮(CF-N)和鐵錳氧化態(tài)氮(IMOF-N)在P< 0.05水平呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明黃河沉積物細(xì)菌群落豐度的大小與氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損耗有直接關(guān)系。

黃河內(nèi)蒙古段沉積物中相對(duì)豐度第二高的類(lèi)群是綠彎菌門(mén)。綠彎菌門(mén)是一類(lèi)通過(guò)光合作用,以二氧化碳為碳源產(chǎn)生能量的細(xì)菌[38],但它們是兼性厭氧生物,因此在光合作用中不產(chǎn)生氧氣,從而不能固氮。另有研究表明綠彎菌門(mén)在水位頻繁變化的潮間帶土壤含量較高,黃河沉積物中較高的綠彎菌門(mén)豐度可能與其春季水位低、夏季水位升高交替水位變化有關(guān)。黃河水體中相對(duì)豐度居于第三位的細(xì)菌類(lèi)群是擬桿菌門(mén)。擬桿菌門(mén)廣泛存在于各類(lèi)環(huán)境中,如海洋、土壤或與人類(lèi)活動(dòng)的生活環(huán)境中,它是普遍存在的共棲類(lèi)群。朝鮮東海沉積物中擬桿菌的豐度也較高[39],而這株菌一般來(lái)源于動(dòng)物或人類(lèi)糞便,因此推測(cè)本研究采樣地點(diǎn)可能受到了陸源排污或其他人類(lèi)活動(dòng)的影響。這些細(xì)菌類(lèi)群以綱為單位中,也主要包括變形菌綱、酸桿菌綱、黃桿菌綱、擬桿菌綱、放線(xiàn)菌綱等5大類(lèi)群。Foulquier等[40]研究認(rèn)為干濕交替的環(huán)境有利于一部分細(xì)菌的生長(zhǎng),永久淹沒(méi)區(qū)和干濕交替區(qū)土壤的微生物群落存在結(jié)構(gòu)性差異,使得永久淹沒(méi)區(qū)的黃河沉積物中綠彎菌門(mén),酸桿菌門(mén),厚壁菌門(mén)是與淡水生態(tài)系統(tǒng)中不同的菌群。

黃河沉積物中還含有少量疣微菌(相對(duì)豐度2.5%),關(guān)于疣微菌門(mén)的研究還很少。疣微菌門(mén)是革蘭氏陰性細(xì)菌, 在海洋動(dòng)物、南極沿岸沉積物和海水等環(huán)境中存在[41], 能在厭氧條件下進(jìn)行亞硝化作用。Freitas等[42]對(duì)疣微菌門(mén)在全球海洋環(huán)境的分布和多樣性的研究發(fā)現(xiàn),疣微菌在海洋沉積物細(xì)菌群落中占1.4%, Ⅰ型和Ⅳ型亞門(mén)是沉積環(huán)境中豐度最高的類(lèi)群, 對(duì)海洋中碳的生物地球化學(xué)循環(huán)有著重要作用。

3.2 細(xì)菌群落豐度的空間格局

黃河沉積物細(xì)菌群落豐度大小為烏拉特前旗>老牛灣>臨河>包頭>托縣>烏海。在這六個(gè)采樣點(diǎn)中,烏拉特前旗黃河沿岸是典型的農(nóng)業(yè)區(qū),采樣時(shí)間是黃河豐水期,黃河水量已經(jīng)覆蓋了春季種植的土地,農(nóng)民使用的化肥可能會(huì)進(jìn)入水體及沉積物中,在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分的條件下,導(dǎo)致該地區(qū)的細(xì)菌群落豐度最高。聶三安等[43]研究施肥對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響,發(fā)現(xiàn)施肥處理土壤中部分微生物群落的相對(duì)豐度高于不施肥處理的土壤,說(shuō)明施肥能夠?yàn)槲⑸郝涮峁┝己玫纳L(zhǎng)環(huán)境。所以,農(nóng)業(yè)區(qū)微生物群落豐度較高,這與本實(shí)驗(yàn)樣品中典型農(nóng)業(yè)區(qū)-烏拉特前旗的細(xì)菌群落豐度較高的結(jié)果相符。其次是老牛灣采樣點(diǎn),老牛灣是著名的旅游地區(qū),多年人類(lèi)活動(dòng)的影響對(duì)老牛灣的水質(zhì)及沉積物有一定影響,其地理位置處于峭壁圍繞中,溫度等自然條件相對(duì)溫和,其細(xì)菌群落豐度較高。

烏海沉積物中細(xì)菌豐度和微生物多樣性都是最低的一個(gè)采樣點(diǎn)。烏海地區(qū)是產(chǎn)煤地區(qū),流經(jīng)烏海的黃河由于受周?chē)旱V及洗煤廠(chǎng)的影響,黃河水的顏色偏灰黑,是所采樣品中生態(tài)環(huán)境較差的一個(gè)區(qū)域。本研究六個(gè)樣品中烏海沉積物中CEC、TOC、TP、LOI含量最高,豐富的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)可能促進(jìn)特定菌類(lèi)在此富集,可能會(huì)限制其他很多種微生物的生長(zhǎng),因而使得烏海沉積物細(xì)菌多樣性指數(shù)偏低,細(xì)菌群落豐度最低[31]。烏海沉積物中綠彎菌門(mén)所占含量很高(29.7%),僅次于變形菌門(mén)(30.2%)；厭氧繩菌綱(Anaerolineae)在綱水平中含量最高,達(dá)到27%；在屬水平中硫桿菌含量最高,達(dá)到5.5%。烏海沉積物中綠彎菌門(mén)是六個(gè)采樣點(diǎn)中最高的采樣點(diǎn),這些數(shù)據(jù)說(shuō)明烏海段黃河水水質(zhì)與其他采樣點(diǎn)水質(zhì)存在差異,該結(jié)果與望塘污水廠(chǎng)尾水排口處的研究結(jié)果一致[44]。綠彎菌門(mén)是20 世紀(jì)80 年代才被認(rèn)可的一個(gè)新的系統(tǒng)發(fā)育分支,被認(rèn)為在低氧和厭氧環(huán)境中發(fā)揮重要作用,而且烏海沉積物中厭氧繩菌綱含量最高,這表明烏海沉積物是含氧量較低的沉積物環(huán)境。

在包頭采樣點(diǎn)中,δ-變形菌綱含量最高,其序列與來(lái)源與受重金屬和石油烴污染的突尼斯海峽沉積物[45]的細(xì)菌序列的相似度最高,而且包頭是內(nèi)蒙古重要的工業(yè)城市,黃河包頭段可能受重金屬的影響比較大。

3.3 細(xì)菌群落空間格局的關(guān)鍵影響因子

研究表明,沉積物中的總磷,總氮,有機(jī)質(zhì)含量和pH值等環(huán)境因子都能不同程度的影響沉積物中細(xì)菌群落組成[46]。陰星望等[9]分析丹江口庫(kù)區(qū)表層沉積物細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)pH值,總磷,氨氮和有機(jī)質(zhì)含量為主要影響因子。本實(shí)驗(yàn)采用了冗余分析(RDA)對(duì)黃河表層沉積物樣品細(xì)菌群落和環(huán)境因子進(jìn)行分析,結(jié)果表明沉積物中的TOC、CEC和TP等環(huán)境因子對(duì)黃河內(nèi)蒙古段沉積物細(xì)菌群落分布影響較大。該結(jié)果與Liu等[46],Song等[47]研究結(jié)果類(lèi)似。為進(jìn)一步明確環(huán)境因子和細(xì)菌群落之間的相關(guān)關(guān)系,將微生物多樣性指數(shù)與環(huán)境因子之間采用SPSS Statistics19.0進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),微生物多樣性指數(shù)與沉積物TP,TN,ECE等環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。戴雅婷等[48]研究也發(fā)現(xiàn)TN,TOC是影響細(xì)菌群落組成的重要因素,這與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。經(jīng)過(guò)分析,沉積物TP,TN,CEC含量的大小基本上代表了沉積物可能含有的養(yǎng)分,黃河內(nèi)蒙古段沉積物細(xì)菌群落多樣性指數(shù)與TP,TN,ECE等呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明微生物群落的多樣性會(huì)消耗沉積物養(yǎng)分。

4 結(jié)論

(1)高通量測(cè)序結(jié)果表明黃河內(nèi)蒙古段6個(gè)表層沉積物樣品中6447個(gè)OTUS分屬于365個(gè)門(mén),1128個(gè)綱,2170個(gè)目,3360個(gè)科,4722個(gè)屬。分析覆蓋度數(shù)據(jù)和稀釋性曲線(xiàn)結(jié)果表明樣品中還有很多沒(méi)有分類(lèi)或未培養(yǎng)的細(xì)菌。

(2)變形菌門(mén)是黃河表層沉積物樣品中相對(duì)豐度最高的菌門(mén),相對(duì)豐度高達(dá)32.39%。其次是綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,13.25%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes,12.16%)、后壁菌門(mén)(Firmicutes,7.71%)、放線(xiàn)菌門(mén)(Actinobacteria,7.10%)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria,6.15%)。

(3)細(xì)菌群落豐度與環(huán)境因子之間的冗余分析結(jié)果顯示,沉積物中總TOC、CEC、TP和TN等環(huán)境因子對(duì)黃河內(nèi)蒙古段沉積物細(xì)菌群落分布影響較大；微生物多樣性與環(huán)境理化因子相關(guān)性分析結(jié)果表明,黃河沉積物微生物多樣性對(duì)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損耗有直接關(guān)系。