劉 濤,吳 佩,唐金燦,余浩然,王亞芬,馬 騰

沉湖鉆孔沉積物中微生物脂肪酸特征與意義

劉 濤,吳 佩,唐金燦,余浩然,王亞芬*,馬 騰

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北省水環(huán)境污染控制和治理工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430074)

利用微生物脂肪酸甲酯分析技術(shù)研究了江漢平原沉湖湖心灘G1與湖岸G2兩沉積柱中微生物群落結(jié)構(gòu)的垂直分布特征及其環(huán)境指示意義.結(jié)果表明:微生物脂肪酸含量與特征脂肪酸分布特征在淺層(<5m)波動(dòng)較大,且與深層(5～20m)差異明顯;好氧細(xì)菌、一般厭氧細(xì)菌與革蘭氏陽(yáng)性菌占主要優(yōu)勢(shì),其相對(duì)豐度高出深層約一倍.G1位點(diǎn)偏還原環(huán)境,其硫酸鹽還原菌及其他厭氧細(xì)菌的相對(duì)豐度與環(huán)境脅迫壓力(Trans/Cis)均高于G2;與溶氧相關(guān)的環(huán)境因子,如粒徑、深度等是影響其微生物群落組成的關(guān)鍵因子.G2位點(diǎn)水動(dòng)力條件較強(qiáng),脂肪酸總量與好氧微生物的相對(duì)優(yōu)勢(shì)均高于G1,而深層沉積物中總氮、N/P偏低,微生物群落組成主要受碳氮營(yíng)養(yǎng)源,特別是氮含量的影響.為評(píng)估人類活動(dòng)帶來(lái)的氮磷污染對(duì)湖泊深層微生物的影響提供新的認(rèn)識(shí).

湖泊潛流帶；沉積物；微生物脂肪酸；微生物群落結(jié)構(gòu)

湖泊沉積物擁有豐富的微生物類群,在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化演替、物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化等方面發(fā)揮重要作用[1-2].湖泊沉積物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的化學(xué)、物理和生物過(guò)程沿湖岸到湖心的水平梯度和沿淺表到深層的垂直梯度通過(guò)湖水與地下水的交互作用發(fā)生變化,為微生物類群提供多樣的生態(tài)位,該交互作用區(qū)域被定義為湖泊潛流帶[3-4].已有微生物生態(tài)學(xué)研究大都關(guān)注湖泊淺表層沉積物(1m以內(nèi)),而湖泊深層沉積物中微生物群落生境不同于表層,它們的群落組成和代謝特性不能僅通過(guò)研究表層沉積物來(lái)推斷[5].Mattsson等[6]研究表明存在于更深層沉積物的微生物群落在湖水與地下水交換過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分循環(huán)和污染物降解起著關(guān)鍵作用.近期研究還發(fā)現(xiàn),地表人類活動(dòng)如圍墾會(huì)影響湖泊深層沉積物中鐵結(jié)合有機(jī)碳的生物地球化學(xué)循環(huán)[7],從而可能影響湖泊深層微生物群落多樣性和生態(tài)功能.但目前,僅有少數(shù)學(xué)者研究了漠境高原鹽湖潛流帶中微生物群落結(jié)構(gòu)[3],指示湖底不同微生物類群在氮和硫元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用,但關(guān)于淺水湖泊深層微生物圈的了解還十分有限.

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)快速發(fā)展,湖泊水體及沉積物的氮磷污染已成為威脅湖泊生態(tài)功能的重要因素[8].沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性可以反映沉積物環(huán)境質(zhì)量的變化,已有研究利用磷脂脂肪酸分析技術(shù)(PLFA)發(fā)現(xiàn)湖泊表層沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)與富營(yíng)養(yǎng)化水體中氮磷水平關(guān)系密切.例如, Macalady等[9]發(fā)現(xiàn)某無(wú)機(jī)汞污染的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物中微生物的群落結(jié)構(gòu)與C/N無(wú)關(guān).董黎明[10]發(fā)現(xiàn)白洋淀表層沉積物微生物的生物量和多樣性隨深度增加而顯著降低,且細(xì)菌生物量和營(yíng)養(yǎng)壓力與沉積物磷呈顯著正相關(guān).Zhang等[10]發(fā)現(xiàn)武漢市富營(yíng)養(yǎng)湖泊表層沉積物氮污染嚴(yán)重的沉積物(N/P>6)中好氧革蘭氏陰性細(xì)菌占據(jù)主要優(yōu)勢(shì).而Macalady等[11]發(fā)現(xiàn)某無(wú)機(jī)汞污染的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)與C/N無(wú)關(guān),但與汞甲基化潛力呈強(qiáng)相關(guān).作為一種不依賴于培養(yǎng)的微生物群落指紋技術(shù),PLFA被廣泛運(yùn)用于評(píng)價(jià)水體、濕地基質(zhì)/土壤和沉積物中的微生物群落生態(tài)[12-14].相較于基于16S rRNA的分子生態(tài)學(xué)技術(shù),如分子指紋圖譜、基因文庫(kù)和高通量測(cè)序等,PLFA利用氣相色譜可快速對(duì)大量復(fù)雜環(huán)境樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行半定量分析,并反映微生物功能類群對(duì)環(huán)境因子的生理響應(yīng)特征[1,15].因此,基于微生物脂肪酸開(kāi)展湖泊深層沉積物中微生物群落生態(tài)調(diào)查,可科學(xué)評(píng)估人類活動(dòng)帶來(lái)的氮磷等污染對(duì)湖泊深層微生物圈的影響.

沉湖位于武漢市蔡甸區(qū)西南部,是江漢平原最大的典型淡水湖泊濕地,2013年入選國(guó)際重要濕地.從20世紀(jì)50年代以來(lái),由于圍湖造田和修建攔湖大壩使得沉湖的湖泊面積從89.037km2銳減到15.344km2[7].早在2004和2005年期間,武漢市蔡甸區(qū)環(huán)境檢測(cè)站報(bào)道發(fā)現(xiàn)沉湖屬于輕度和中度富營(yíng)養(yǎng)化[16].2015年何小芳等[17]報(bào)道沉湖屬于中度富營(yíng)養(yǎng)化,且由水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)的氮磷污染較為突出.近年來(lái),沉湖湖水受到上游通順河和黃絲河來(lái)水,周邊農(nóng)業(yè)與城鎮(zhèn)地表徑流匯入以及湖區(qū)內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖的影響,湖水水質(zhì)持續(xù)惡化.在2019年3月,根據(jù)武漢市水務(wù)局報(bào)道,沉湖水質(zhì)長(zhǎng)期位于劣V類.因此,本研究以沉湖湖底深層沉積物為研究對(duì)象,評(píng)價(jià)其氮磷污染水平,并基于PLFA技術(shù)分析其微生物群落結(jié)構(gòu),首次關(guān)注地表水體氮磷污染對(duì)湖泊深層微生物群落生態(tài)的影響,為湖泊-地下水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理提供新的認(rèn)識(shí)與科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與樣品采集

在2019年2月,于沉湖G1(湖心灘)和G2(湖岸)點(diǎn)采集了兩組20m左右深度的鉆孔沉積物樣品(圖1).前5m每0.5m采集一個(gè)10cm左右的圓柱狀沉積物樣品,5m之后每1m采集一個(gè)樣品.兩個(gè)鉆孔共采集48個(gè)樣品.現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí),一部分樣品用保鮮膜和鋁箔紙包好放入干凈的自封袋中用于理化指標(biāo)的測(cè)試;另一部分樣品用消毒后的小刀削去最外面一層后,用滅菌的前端切平的注射器取巖芯樣品,然后裝入滅菌離心管中,冷凍保存,用于微生物指標(biāo)的測(cè)試.測(cè)試?yán)砘笜?biāo)樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)除去沉積物中的貝殼、碎石等固體顆粒后混合均勻,冷凍干燥后,過(guò)100目篩后保存.

1.2 理化指標(biāo)的測(cè)定

圖1 研究區(qū)沉湖的地理位置與采樣點(diǎn)分布

沉積物中總氮(TN)和總磷(TP)的測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化法[18],與經(jīng)典凱氏定氮法相比,該改進(jìn)方法結(jié)果準(zhǔn)確、操作方便,測(cè)得值與傳統(tǒng)方法之間的相關(guān)性良好[19].沉積物中NH4+-N、NO3--N和NO2--N的含量,用1mol/L氯化鉀溶液提取后采用國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行測(cè)定(HJ634-2012)[20].由于目前缺乏針對(duì)有機(jī)氮生態(tài)學(xué)效應(yīng)的分類及測(cè)定方法,沉積物中有機(jī)氮的測(cè)定均采用經(jīng)驗(yàn)方法[21].本研究參考Zhang等[10]測(cè)定湖泊表層沉積物有機(jī)氮的計(jì)算方法,有機(jī)氮含量由TN含量減去NH4+-N和NO3--N得來(lái).由于沉湖沉積物中NO2--N含量處于較低水平(G1點(diǎn)亞硝態(tài)為0～0.18mg/kg,G2點(diǎn)位0～0.14mg/kg),故忽略不計(jì)入.沉積物中總有機(jī)質(zhì)(TOM)的含量通過(guò)燃燒損失法測(cè)定(馬弗爐, 550℃)[22].pH值和電導(dǎo)率按照水土比5:1進(jìn)行測(cè)定.新鮮沉積物的粒徑使用粒徑分析儀(Mastersizer 3000,英國(guó))進(jìn)行測(cè)定.

1.3 微生物脂肪酸甲酯分析

沉積物樣品中微生物脂肪酸的提取采用溫和堿性甲酯化方法[23].提取的脂肪酸甲酯采用配備有DB-5MS色譜柱(30m*0.25mm*0.25mm)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC/MS;賽默飛Trace 1300-ISQ)進(jìn)行分析.具體升溫程序?yàn)?初始溫度為50℃,保持2min;以50℃/min上升到150℃,保持2min;然后以2.5℃/min上升到195℃,保持3min;再以2.5℃/min上升到240℃,保持5min,共計(jì)50min[24].進(jìn)樣口溫度為250℃,采用不分流模式,載氣流速為0.8mL/min.質(zhì)譜條件為:離子源溫度230℃;傳輸線溫度280℃;采用電子轟擊源(EI);選擇性掃描(SIM)模式.使用26種細(xì)菌脂肪酸甲酯的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(Bacterial acid methyl esters CP mixture, Matreya LLC)作為標(biāo)樣進(jìn)行定性和半定量分析.為進(jìn)行質(zhì)量控制,每提取8個(gè)樣品,選擇一個(gè)樣品做3個(gè)平行,并且每16個(gè)樣品做一組空白對(duì)照.

脂肪酸甲酯數(shù)據(jù)分析采用常用的特征脂肪酸標(biāo)志物統(tǒng)計(jì)不同類群微生物的相對(duì)豐度(表1).同時(shí),采用Findlay等[25]的分類方法把微生物分為四大功能類群:第一類,多不飽和脂肪酸(PUFA)指示真核微生物(Group I);第二類,單不飽和脂肪酸(MUFA)指示好氧原核微生物(Group II);第三類,從C14到C16的支鏈飽和脂肪酸(BSFA)指示厭氧細(xì)菌與革蘭氏陽(yáng)性菌(Group III);第四類,C17到C19的支鏈脂肪酸(包括BSFA,環(huán)丙烷脂肪酸(CFA)和以甲基為支鏈的脂肪酸)指示硫酸鹽還原菌(SRB)和其他厭氧細(xì)菌(Group IV).采用特征脂肪酸比值指示特定微生物類群的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和生理狀態(tài),包括細(xì)菌/真菌(B/F)、革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌(G+/G-)反映主要微生物類群的相對(duì)變化[26];反式/順式MUFA(18:1ω9t/18:1ω9c)表示微生物群落受脅迫程度[27];MUFA/BSFA(M/B)表示好氧微生物所占優(yōu)勢(shì).脂肪酸命名規(guī)則按照A:BωC[10].

表1 常見(jiàn)磷脂脂肪酸標(biāo)志物[10,26,28-31]

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24.0對(duì)不同層位沉積物基本理化指標(biāo)與微生物脂肪酸標(biāo)志物進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)、方差分析與Pearson相關(guān)性分析.采用CANOCO 5.0對(duì)微生物脂肪酸圖譜與13個(gè)環(huán)境變量進(jìn)行冗余(RDA)分析,探討影響沉積物微生物群落分布的關(guān)鍵環(huán)境因子及其指示意義.

2 結(jié)果與討論

2.1 沉湖鉆孔沉積物基本理化指標(biāo)

由沉湖地下水水平監(jiān)測(cè)井結(jié)果,溫度、pH值和溶解氧(DO)的變化在5m以下波動(dòng)較小,故本研究將5m作為劃分淺層和深層沉積物界面來(lái)比較不同層位沉積物理化指標(biāo)差異.由表2,整體上,湖心灘G1鉆孔淺層(<5m)與深層(5～20m)樣品pH值均值顯著高于湖岸G2鉆孔(約0.4);電導(dǎo)率、TOM、NH4+-N和C/N皆是在淺層顯著高于深層(<0.05),且G2鉆孔表層和深層樣品各指標(biāo)均值差別明顯大于G1鉆孔.特別地,G2鉆孔淺層樣品的電導(dǎo)率和NO3--N顯著高于其它樣品(<0.05),說(shuō)明湖岸淺表層較湖心位置更易受外源污水排放和入湖地表徑流等的影響,有機(jī)質(zhì)、氮營(yíng)養(yǎng)鹽等水平較高[32].

表2 沉湖湖心灘(G1)和湖岸(G2)兩鉆孔不同層位沉積物基礎(chǔ)理化指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值

注:不同樣品間各指標(biāo)均值的顯著性差異用不同字母(a, b, c)標(biāo)注,不同字母表示它們間具有顯著性差異(<0.05).

其中(a)和(c)分別為G1和G2不同層位樣點(diǎn)沿深度編號(hào)的連線圖,圖例大小指示其TOM值;(b)和(d)分別為G1和G2中三種形態(tài)的氮素隨深度的堆積柱狀圖;TN和TP的污染程度參考美國(guó)環(huán)保署(EPA)于2002頒布的沉積物中氮磷污染評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[33]

由圖2可見(jiàn)兩鉆孔淺層樣品TN含量整體上隨深度增加而增大,且均在5m層位出現(xiàn)陡降;從G1-5到G1-6和從G2-9到G2-10分別下降82%和51%.其中,有機(jī)氮占比最大,其均值分別為91.7%和91.4%,而無(wú)機(jī)氮以NH4+-N為主,且在淺層占比大于深層.兩鉆孔深層樣品均隨深度增加先波動(dòng)增大,至近17-19m層位(G1-21和G2-22)后又再次回落,且G2變化幅度大于G1.兩鉆孔淺層樣品TP含量基本穩(wěn)定在350mg/kg.G1鉆孔深層樣品TP含量隨深度波動(dòng)較小,而G2鉆孔深層樣品隨深度先增加后減小,且在約10m層位(G2-17)后TP含量發(fā)生明顯波動(dòng).此外,TOM與TN呈正相關(guān)性,但與TP相關(guān)性較弱.

根據(jù)美國(guó)環(huán)保署2002年頒布的沉積物中氮磷污染評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[33],G1鉆孔60.8%的沉積物樣品受到中度(1000～2000mg/kg)或重度氮污染(>2000mg/kg),且除G1-4和G1-5外,均來(lái)自10m以下的深層樣品.而G2鉆孔40.0%的沉積物樣品受到了中度氮污染,以表層樣品為主(圖2).至于磷污染,除了G1-7、G1-8、G2-7、G2-18、G2-22和G2-23外,其他沉積物樣品中TP小于450mg/kg,均處于輕度的磷污染水平.

2.2 沉湖鉆孔沉積物中微生物脂肪酸分布特征

檢測(cè)到從C11到C20共計(jì)26種脂肪酸(FA),包括直鏈飽和脂肪酸(SSFA),支鏈飽和脂肪酸(BSFA),單不飽和脂肪酸(MUFA),多不飽和脂肪酸(PUFA),環(huán)丙烷脂肪酸(CFA)和羥基脂肪酸(OHFA).G1與G2鉆孔中,SSFA相對(duì)含量均值最高,其次是OHFA,二者約占總FA的71～74%;MUFA與BSFA的相對(duì)含量均值相當(dāng),約占總FA的10%;而PUFA和CFA相對(duì)含量較低,不到總FA的5%.由圖3,兩鉆孔中Group II代表的好氧微生物類群均占主要優(yōu)勢(shì)(均值為13.71%),淺層豐度差異較大,且均值較深層樣品高出約一倍.Group III指示的普通厭氧細(xì)菌與G+菌分布規(guī)律與Group II相似.該趨勢(shì)反映淺層沉積物較深層與地表水聯(lián)系更緊密,更易從上覆水-孔隙水交換過(guò)程中獲得水、溶質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)和能量[3],從而利于好氧及兼性厭氧微生物的生長(zhǎng).Group IV指示SRB和其他厭氧細(xì)菌在淺層與深層占比相當(dāng),其均值在G1(淺層為5.17%,深層為4.89%)都稍高于G2(淺層為4.01%,深層為3.89%),指示G1較G2更有利于SRB的富集.

由圖4,G1和G2鉆孔中真菌/細(xì)菌(F/B)比值的范圍和均值分別為0.01～0.16(0.04±0.03)和0.02～ 0.18(0.05±0.04).除個(gè)別樣品外,該比值均小于0.1 (10F/B<1),遠(yuǎn)低于武漢表層湖泊沉積物中檢測(cè)范圍(0.13～0.20)[11],這可能是由于湖泊深層沉積物中DO遠(yuǎn)低于表層,限制了真菌(均為好氧)的生長(zhǎng).G1和G2鉆孔中G+/G-比值范圍和均值分別為0.07～1.64 (0.96±0.32)和0.31～1.43(0.80±0.27),僅G1鉆孔淺層樣點(diǎn)波動(dòng)較大.整體上,沉湖兩鉆孔該比值范圍與N/P<6的湖泊樣品相當(dāng),且明顯高于N/P>6的富營(yíng)養(yǎng)湖泊樣品(0.4～0.7)[10].M/B比值在G1鉆孔中除表層極值外絕大多數(shù)樣品小于1,而在G2鉆孔均值為1.21±0.57,表明湖心灘G1鉆孔中好氧微生物的優(yōu)勢(shì)低于湖岸G2鉆孔.這與兩鉆孔地下水DO隨深度變化規(guī)律相符,即淺層DO(2～9mg/L)顯著高于深層(1～2mg/L),且G1深層較G2處于相對(duì)更厭氧狀態(tài)(圖3b).G1和G2鉆孔中Trans/Cis比值范圍和均值分別為0.00～0.93 (0.56±0.23)和0.01～0.86(0.28±0.21).除G1-3和G2淺層樣品外,該比值皆大于文獻(xiàn)中報(bào)道的營(yíng)養(yǎng)壓力健康值0.1,但遠(yuǎn)小于白洋淀表層沉積物均值5.17[10],指示這些樣品中微生物群落均受到一定程度的環(huán)境脅迫壓力,且湖心灘G1處于更脅迫的狀態(tài)[3].以上結(jié)果表明湖泊沉積柱中微生物優(yōu)勢(shì)類群與生理狀態(tài)與其所處DO狀態(tài)和營(yíng)養(yǎng)水平密切相關(guān).

G1與G2兩鉆孔微生物特征脂肪酸分布特征(如M/B)能較好地反映其所處位點(diǎn)的水文特征與水力條件.對(duì)于淺表層沉積物,如土壤及河岸濕地,水文因素和淹水持續(xù)情況會(huì)導(dǎo)致環(huán)境條件變化,從而影響其微生物組成[4,34].由于湖水與地下水的交互作用,地表水位的波動(dòng)也會(huì)影響其深層微環(huán)境[35].Yuan等[3]研究發(fā)現(xiàn)湖心與湖岸位點(diǎn)由于沉積物剖面顆粒粒度組分的差異,其地下水流水動(dòng)力條件明顯不同;湖心位點(diǎn)潛流帶層僅有深層孔隙水的交互作用區(qū),而湖岸位點(diǎn)淺表層還存在湖水與周圍地下水的交互作用區(qū),且微生物DNA含量在水力交換條件強(qiáng)的區(qū)域較高[3,36].本研究中,總FAs含量可以指示微生物生物量[9],該指標(biāo)在G1和G2鉆孔5m以內(nèi)較高,且大幅波動(dòng),指示該區(qū)域微生物群落受到地表環(huán)境波動(dòng)影響明顯.袁文真[37]發(fā)現(xiàn)河水補(bǔ)給地下水垂向上,地表10m范圍內(nèi)地表水受補(bǔ)給帶來(lái)的氧化還原波動(dòng)明顯,且微生物群落結(jié)構(gòu)與這種氧化還原條件密切相關(guān).據(jù)調(diào)查,江漢平原地下水水位位置較淺,一般埋深為2m左右[38-39],與G1和G2點(diǎn)在淺層2～3m左右出現(xiàn)很明顯的脂肪組成差異相符.Mattsson等[6]也發(fā)現(xiàn)在潛水面上下的微生物群落存在明顯差異,在淺層沉積物的群落組成很大程度上受到潛水面的波動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)成分的影響;而更深層沉積物則受營(yíng)養(yǎng)限制和厭氧條件緩慢生長(zhǎng)[40].

圖3 微生物四大功能類群[22]在G1和G2鉆孔淺層(<5m)與深層(5～20m)的分布特征(a)以及地下水中溶解氧隨深度的變化(b)

圖4 G1和G2鉆孔中特征脂肪酸比值(F/B:真菌/細(xì)菌; G+/G-:革蘭氏陽(yáng)性菌/革蘭氏陰性菌; M/B:單不飽和脂肪酸/支鏈飽和脂肪酸; Trans/Cis:反式/順式18:1ω9)與總脂肪酸(Total FAs)含量箱

2.3 沉積物中環(huán)境因子與微生物群落相關(guān)性分析

RDA結(jié)果表明理化環(huán)境因子對(duì)沉積物中微生物脂肪酸組成影響顯著,第一軸和所有典型軸對(duì)微生物數(shù)據(jù)總方差解釋的貢獻(xiàn)率分別為32.5%(= 16.4,=0.02)和47.2%(=2.7,=0.002).由圖5可見(jiàn), G1和G2鉆孔的淺層樣品和深層樣品主要沿第一軸分開(kāi),而G1與G2鉆孔之間差別較小.通過(guò)CANOCO迭代選擇步驟,發(fā)現(xiàn)深度、TOM、電導(dǎo)率、C/N、NH4+-N和NO3--N作為單個(gè)因子對(duì)微生物群落組成影響顯著(<0.05),解釋度依次為20.4%,13.7%, 11.3%,10.6%,8.5%和6.8%;而條件影響結(jié)果顯示,當(dāng)深度和電導(dǎo)率依次作為解釋度最高的關(guān)鍵因子被選出后,平均粒徑(AVD)成為顯著影響微生物群落組成的第三重要環(huán)境因子(6.3%,<0.05).深度是影響微生物群落組成的最重要因子,這是因?yàn)椴煌疃鹊暮闯练e物能為微生物提供不同的生境資源與條件,如DO、有機(jī)物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽等[5].電導(dǎo)率反映水中可溶解性固體的總量,也可以指示沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽的富集情況[41].作為第二重要的環(huán)境因子,電導(dǎo)率對(duì)微生物群落的影響可能表現(xiàn)在外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入[32].例如,G1與G2位點(diǎn)淺層沉積物(<5m)電導(dǎo)率均高于深層.沉積物顆粒為生物膜形成提供附著表面,而粒徑大小與其間隙水流模式相關(guān),可形成不同快速、緩慢和無(wú)流動(dòng)微區(qū),為微生物提供多樣的生境條件[42].例如,粒徑較小的粉沙質(zhì)沉積物顆粒具有較低的孔隙率,地下水流經(jīng)水流速度減慢,有利于截留更多有機(jī)質(zhì),但DO和h顯著降低,促使厭氧微生物形成優(yōu)勢(shì)[43].

分別對(duì)G1和G2鉆孔所有樣品與深層樣品的環(huán)境指標(biāo)與微生物脂肪酸特征標(biāo)志物進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(表3),發(fā)現(xiàn)在G1鉆孔,AVD與7種微生物標(biāo)志物指標(biāo)都具有顯著相關(guān)性(<0.01),其與M/B、Group Ⅰ、Group Ⅱ和總FAs等指示好氧微生物的標(biāo)志物呈顯著正相關(guān),而與Trans/Cis、Group III和Group IV等指示環(huán)境脅迫和厭氧微生物的標(biāo)志物呈負(fù)相關(guān).相應(yīng)地,好氧微生物相關(guān)指標(biāo)與TP呈顯著負(fù)相關(guān);而與C/N呈顯著正相關(guān).此外,深度與總FAs呈負(fù)相關(guān),與Trans/Cis呈正相關(guān).這表明粒徑、C/N、TP和深度是影響湖心G1鉆孔微生物群落功能類群分布的關(guān)鍵環(huán)境因子.由上討論,湖心位點(diǎn)G1水動(dòng)力條件較弱,由還原條件主導(dǎo),沉積物中累積的有機(jī)質(zhì)和內(nèi)源氮較豐富,因而不同粒徑的沉積物顆粒所形成的微區(qū)溶氧條件是影響微生物組成的最主要因子[41].隨著深度的增加,地表湖水入滲帶來(lái)的O2和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少,因此微生物生物量銳減,且環(huán)境脅迫壓力上升.在G2鉆孔,Group II和Group III指示的好氧與厭氧原核微生物以及總FAs與環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)性較為相似,均與深度呈負(fù)相關(guān),與電導(dǎo)率、TOM、NH4+-N和NO3--N等營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)呈顯著正相關(guān),但與TP沒(méi)有顯著相關(guān)性,明顯不同于G1點(diǎn).其次,指示微生物所處環(huán)境脅迫狀態(tài)的Trans/ Cis比值,在G1鉆孔與粒徑呈顯著負(fù)相關(guān),而在G2鉆孔,該指標(biāo)與電導(dǎo)率、TOM、NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān).這可能由于湖岸位點(diǎn)G2水動(dòng)力條件較強(qiáng),淺層外源輸入的營(yíng)養(yǎng)源較G1豐富,微生物生物量較高(圖4),但湖岸帶交替的好氧-厭氧環(huán)境使內(nèi)源有機(jī)氮迅速分解轉(zhuǎn)化[44],G2深層沉積物中TOM和TN反而低于G1(表2),因而微生物的生長(zhǎng)更易受到碳氮營(yíng)養(yǎng)源的限制,特別是氮含量的影響.

圖5 基于G1和G2鉆孔48個(gè)沉積物樣品中微生物脂肪酸組成與13個(gè)環(huán)境指標(biāo)的冗余分析:樣點(diǎn)-環(huán)境變量biplot

湖泊深層沉積物中微生物生境條件不同于淺層,但其中微生物群落生態(tài)較少受關(guān)注.本研究中, G1和G2鉆孔深層樣品中微生物標(biāo)志物與環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性明顯不同于整體.與環(huán)境指標(biāo)關(guān)系最密切的Group Ⅱ,在G2鉆孔與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān),而在G1和G2深層樣品中均與電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān).同時(shí),G1和G2鉆孔深層Group II還分別與NO3--N和N/P呈顯著負(fù)相關(guān).該結(jié)果指示G2深層沉積物中好氧微生物的優(yōu)勢(shì)代謝類群可能不同于表層,在有機(jī)質(zhì)豐富的表層(TOM>5%), Group II以異養(yǎng)好氧細(xì)菌為主,外源有機(jī)物輸入可為其生長(zhǎng)提供碳源和有機(jī)供體,而在有機(jī)質(zhì)相對(duì)貧乏的深層(TOM<3%)Group II可能以自養(yǎng)好氧細(xì)菌如硝化細(xì)菌為主,有機(jī)物、NO3--N和來(lái)自生物殘?bào)w的內(nèi)源有機(jī)氮或成為其高營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷脅迫因子[45].相應(yīng)地,在G2鉆孔深層C/N與總FAs呈顯著負(fù)相關(guān),但與Group III呈顯著正相關(guān),說(shuō)明其深層環(huán)境雖微生物生物量偏低,但該生境條件有利于以反硝化菌為代表的異養(yǎng)厭氧革蘭氏陰性菌的生長(zhǎng).G1鉆孔深層樣品中,Trans/Cis比值與TP和NH4+-N呈顯著負(fù)相關(guān),指示G1深層微生物群落在一定程度上也受到氨氮、磷營(yíng)養(yǎng)源的限制.此外,在G2鉆孔中,還檢測(cè)到TP與指示真核微生物類群的Group I呈顯著正相關(guān),且在深層其相關(guān)系數(shù)更大.以上結(jié)果表明PLFA分析可以提供微生物類群與地下生境條件相關(guān)性的豐富信息,但其具體作用機(jī)制還有待結(jié)合分子生物學(xué)與室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析和驗(yàn)證.

表3 G1和G2鉆孔特征脂肪酸與所測(cè)環(huán)境因子之間的相關(guān)性

注:*和**分別代表顯著性< 0.05和< 0.01;各特征脂肪酸指標(biāo)同圖3與圖4.AVD為平均粒徑.

3 結(jié)論

3.1 沉湖湖心灘G1與湖岸G2淺層沉積物(<5m)各碳氮營(yíng)養(yǎng)源指標(biāo)均顯著高于深層(5～20m),且總氮達(dá)到中度氮污染水平的樣點(diǎn)主要來(lái)自G1深層(>10m)和G2淺層,總磷污染處于輕度污染或未超標(biāo).

3.2 G1沉積物中微生物生物量、好氧微生物的相對(duì)豐度均低于G2,而硫酸鹽還原菌的脂肪酸標(biāo)志物、環(huán)境脅迫壓力指標(biāo)高于G2,指示G1較G2處于更還原的環(huán)境,與理化指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致.對(duì)應(yīng)地,沉積物顆粒粒徑是影響湖心G1位點(diǎn)微生物群落組成的關(guān)鍵環(huán)境因子,而湖岸G2位點(diǎn)微生物群落更易受碳氮營(yíng)養(yǎng)源,特別是氮含量的影響.

3.3 兩鉆孔微生物組成的垂直分布特征相似,淺層沉積物中微生物生物量均顯著高于深層.G1和G2深層樣品中微生物標(biāo)志物與環(huán)境指標(biāo)之間的相關(guān)性明顯不同于整體,指示深層沉積物因微生物優(yōu)勢(shì)功能類群不同而受不同程度氮磷營(yíng)養(yǎng)源的限制.

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Distribution and environmental significance of microbial fatty acids in borehole sediments of Chen Lake.

LIU Tao, WU Pei, TANG Jin-Can, YU Hao-Ran, WANG Ya-Fen*, MA Teng

(Hubei Provincial Engineering Research Center of Systematic Water Pollution Control, School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China)., 2021,41(11)：5264～5273

Microbial fatty acid methyl ester analysis was used to evaluate the vertical distribution of microbial community structure and its environmental implications in sediments from the open beach borehole G1 and the shoreline borehole G2 of Chen lake, Jianghan Plain. The results showed that total microbial fatty acids (FAs) content and their distribution characteristics fluctuated greatly in the shallow layers (<5m), and significantly differed from those in the deep layers (5～20m). Aerobes, common anaerobes and Gram-positive bacteria were the dominant microbial groups, and their relative abundance in the shallow layers was almost double that in the deep layers. The relative abundance of sulfate-reducing bacteria and other anaerobic bacteria and environmental stress index (Trans/Cis) were higher in G1 than those in G2. The environmental factors related to dissolved oxygen, such as particle size and depth, were the key factors affecting the composition of microbial community. Owing to the stronger hydrodynamic conditions at G2, the total FAs and the relative dominance of aerobic microorganisms were higher than those at G1. Total nitrogen and N/P were relatively low in deep sediments, where microbial community structure was mainly affected by the carbon and nitrogen source availability, especially the nitrogen content. These findings provide new insights on the effects of anthropogenic nitrogen and phosphorus pollution on microbial community in the deep lake sediments.

lake hyporheic zones；sediment；microbial fatty acids；microbial community structure

X172,X524

A

1000-6923(2021)11-5264-10

劉 濤(1994-),男,湖南岳陽(yáng)人,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)碩士研究生,主要研究方向?yàn)楹闯练e物微生物修復(fù).

2021-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41977362,41630318);長(zhǎng)江流域地質(zhì)過(guò)程及資源環(huán)境研究計(jì)劃(CUGCJ1702)

, 副教授, wangyf@cug.edu.cn