杜蕾, 李暢游, 李文寶, 史小紅, 楊旭, 劉晶晶

夏季達(dá)里諾爾湖浮游細(xì)菌群落表、底層結(jié)構(gòu)特征及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子

杜蕾, 李暢游*, 李文寶, 史小紅, 楊旭, 劉晶晶

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源保護(hù)與利用自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010018

浮游細(xì)菌是湖泊水體物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵要素, 影響著整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的遷移轉(zhuǎn)化。為探索中國(guó)北方典型內(nèi)陸封閉型湖泊浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境因子變動(dòng)的響應(yīng), 以夏季內(nèi)蒙古達(dá)里諾爾湖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“達(dá)里湖”)為例, 采集表、底層水共32個(gè)樣品, 基于16S rRNA基因測(cè)序, 詳細(xì)分析了浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的表、底層變化特征及其主要影響因素, 結(jié)果顯示: (1)夏季達(dá)里湖水體中浮游細(xì)菌群落多樣性和均勻度均呈現(xiàn)表層＞底層, 豐富度則呈底層＞表層。(2)浮游細(xì)菌群落以變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)四大優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為主要組成部分, 且變形菌門(mén)含量在表、底層水體中均占絕對(duì)優(yōu)勢(shì): 在底層水中占比46.46 %, 在表層水中占比36.21 %。(3)基于不同環(huán)境因子和浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)間的Pearson相關(guān)性分析, 表層水體中總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、溶解態(tài)無(wú)機(jī)磷(DIP)是多數(shù)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的主要驅(qū)動(dòng)因子, 而底層水體中的總氮(TN)、葉綠素a(Chl)和水溫(WT)為主要驅(qū)動(dòng)因子?？偟膩?lái)說(shuō), 達(dá)里諾爾湖表、底層浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與不同環(huán)境因子間存在顯著相關(guān), 而水體環(huán)境因子的表、底層差異是影響多數(shù)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)演化的重要因素。

浮游細(xì)菌; 表、底層變化; 夏季; 群落結(jié)構(gòu); 達(dá)里諾爾湖

0 前言

湖泊在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用, 而湖泊水體中的微生物則是這一生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分[1-2]。浮游細(xì)菌作為主要分解者[3-4], 參與了湖泊水體中的各種物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過(guò)程[5-8]。此外, 水體中的浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化與其水質(zhì)也有著密切的聯(lián)系, 且對(duì)水體環(huán)境變化響應(yīng)快速: 不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素的輸入、水體環(huán)境因子的變化都會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的改變[9-10]。因此, 分析水體浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)菌門(mén)含量變化可以很好地反映湖泊的水環(huán)境質(zhì)量狀況[11-14]。

目前, 關(guān)于湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)中浮游細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)特征及其與環(huán)境因子之間關(guān)系的研究已經(jīng)廣泛展開(kāi)。如Garcia, De Figueiredo等通過(guò)研究季節(jié)變化對(duì)湖泊水體環(huán)境的影響, 進(jìn)而討論了其中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化[1,8]; 在國(guó)內(nèi), 姜學(xué)霞、呂明姬、沈烽、楊長(zhǎng)明等分別對(duì)河、湖水體及沉積物中的浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征及影響因素進(jìn)行了分析[14-17]。結(jié)果顯示不同環(huán)境因子, 如水體溫度(WT)、溶解氧含量(DO)、溶解性總固體含量(TDS)、營(yíng)養(yǎng)元素(如總磷-TP、總氮-TN等)等, 對(duì)浮游細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)影響明顯[17,18]。然而, 相對(duì)于這些研究區(qū)域, 中國(guó)內(nèi)蒙古高原內(nèi)陸封閉型湖泊不僅水文循環(huán)過(guò)程影響因素簡(jiǎn)單[19], 而且氣候環(huán)境變化存在明顯的冬季冰封期(相對(duì)封閉環(huán)境)-夏季非冰封期(相對(duì)開(kāi)放環(huán)境)交替的區(qū)域特點(diǎn)[20, 21]。因此, 在具有重要區(qū)域生態(tài)環(huán)境意義的內(nèi)陸湖泊開(kāi)展菌群結(jié)構(gòu)變化研究, 既可以為深入探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變提供理論基礎(chǔ), 又可以為不同氣候條件下的湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)演變對(duì)比提供基礎(chǔ)材料。

基于此, 本文將以?xún)?nèi)蒙古赤峰市克什克騰旗境內(nèi)達(dá)里諾爾湖(簡(jiǎn)稱(chēng)“達(dá)里湖”)為研究區(qū)域, 通過(guò)對(duì)2018年夏季湖水進(jìn)行垂向采樣, 分析不同空間部分環(huán)境因子參數(shù)(如WT、DO、TDS、水深、不同形態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素含量等)的變化特征; 同時(shí), 利用16S rRNA基因測(cè)序?qū)Σ煌顦悠分械母∮渭?xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試, 分析浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成及垂向變化特征; 進(jìn)一步結(jié)合Pearson相關(guān)性分析方法研究浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)和不同環(huán)境因子間的關(guān)系, 討論影響浮游細(xì)菌群落組成及演變的關(guān)鍵因素, 為進(jìn)一步研究達(dá)里湖水環(huán)境變化、水生態(tài)演化過(guò)程提供理論基礎(chǔ), 以期為達(dá)里諾爾湖水體環(huán)境保護(hù)提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

達(dá)里湖(43o12′—43o24′ N, 116o24′—116o56′ E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克什克騰旗境內(nèi), 為封閉式蘇達(dá)型半咸水湖, 屬高原內(nèi)陸湖, 湖水無(wú)外瀉, 補(bǔ)給源為大氣降水, 河水(亮子河、沙里河、浩來(lái)河與貢格爾河)及地下水 (圖1), 其中亮子河與貢格爾河為主要補(bǔ)給河流, 達(dá)里湖年入湖水量存在差異, 主要由于年均降水量不同[19]。

達(dá)里湖水面面積平均約為189 km2, 年均面積變化在1—2 km2內(nèi)[19]。湖泊的面積變化造成不同區(qū)域水深出現(xiàn)一定程度波動(dòng), 具體體現(xiàn)在從西南到東北逐漸變淺, 湖水最深處約13 m[21]。其中, 西南側(cè)水深變化明顯, 形成了顯著的水下陡坡。而其他區(qū)域湖岸均比較平緩, 湖水深度變化也較平緩[22, 23]。

注: (a) 取樣點(diǎn)分布示意圖。取樣點(diǎn)依具體位置由北到南依次編號(hào)。左上小圖代表內(nèi)蒙古自治區(qū)的年均降水量區(qū)域變化特征; (b)達(dá)里湖水深變化概況示意圖, 修改自肖舉樂(lè), 等[22, 23]. 圖中白色數(shù)值代表當(dāng)時(shí)水深。由于近年達(dá)里湖水位變化, 具體湖水深度存在一定程度的波動(dòng)。

Figure 1 Distribution of sampling points and water depth profile of Dali-nor Lake

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據(jù)達(dá)里湖的水面面積、水深以及入湖河口的位置, 本文采用GPS全球定位系統(tǒng), 在達(dá)里湖內(nèi)共布設(shè)17個(gè)取樣點(diǎn)(圖1), 于2018年7月進(jìn)行了湖水樣品采集工作。樣品采集主要?jiǎng)澐譃楸韺?、底?層, 其中DL-9水深較淺, 僅采集表層水樣, 由于實(shí)驗(yàn)操作失誤丟失DL-5底層水樣, 共采集水樣32個(gè)。采集完成的水樣裝入經(jīng)滅菌處理的1 L的聚乙烯取樣瓶中, 并立即密封避光保存在低溫保溫箱中盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾處理, 其中500 mL用于環(huán)境因子的測(cè)定, 500 mL用于收集細(xì)菌, 首先水樣先經(jīng)過(guò)5 μm孔徑濾膜過(guò)濾, 以去除顆粒雜質(zhì)(濾膜可用以測(cè)試附著細(xì)菌)[24, 25], 然后在經(jīng)過(guò)0.22 μm孔徑濾膜過(guò)濾[24, 25], 過(guò)濾完成后, 濾膜置于凍融管中保存在-20℃條件下, 用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

2.2 水體環(huán)境因子測(cè)定

利用YSI Pro多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定DO、WT、TDS、EC, 塞氏圓盤(pán)測(cè)定SD、測(cè)深鉛錘測(cè)定水深。同時(shí), TN、TP、溶解態(tài)無(wú)機(jī)磷(DIP)、溶解態(tài)總磷(DTP)、葉綠素(Chl)等環(huán)境因子的測(cè)定則是在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水資源利用與保護(hù)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 標(biāo)準(zhǔn)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[26]。

2.3 DNA提取和高通量測(cè)序

按照FastDNA? Spin Kit for Soil試劑盒的具體實(shí)驗(yàn)操作步驟方法, 提取湖水中微生物基因組DNA。隨后利用微量紫外分光光度計(jì)(NanoDrop-2000)測(cè)定提取出的DNA濃度和純度后, 選用通用引物515F(5`- GTGCCAGCMGCC-GCGGTAA-3`)和806R (5`-GGACTACVSGGG TATCTAAT-3`)[27]對(duì)V4-V5 可變區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。

擴(kuò)增程序[28]為95℃預(yù)變性3 min, 27 個(gè)循環(huán)(95 ℃變性30 s, 55 ℃退火30 s, 72 ℃延伸30 s), 最后72 ℃延伸10 min (PCR 儀: ABI GeneAmp? 9700 型)。擴(kuò)增體系為20 uL, 4 uL 5*FastPfu 緩沖液, 2 uL 2.5 mM dNTPs, 0.8 uL 引物(5 uM), 0.4 uL FastPfu 聚合酶; 10 ng DNA 模板。每個(gè)樣品3 個(gè)重復(fù), 將不同樣品的PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物均一化至10 nmol·L-1后等體積混合, 利用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的MiSeq PE300測(cè)序儀完成序列測(cè)定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

高通量測(cè)序所得數(shù)據(jù)保存在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi), 其生物信息學(xué)分析采用 Qiime軟件進(jìn)行, 根據(jù)序列的相似度, 將序列歸為多個(gè)OTU, OTU 產(chǎn)出后, 統(tǒng)計(jì)各個(gè)樣品中含有OTU的情況及每個(gè)OTU中所含序列的數(shù)目, 得到每個(gè)OTU 的分類(lèi)學(xué)信息[29]。選取相似度在97%條件下的OTU生成預(yù)期的稀釋曲線, 并利用Mothur軟件計(jì)算豐富度指數(shù)Chao和Ace, 文庫(kù)覆蓋度, 均勻度指數(shù)Heip以及多樣性指數(shù)Simpson 和Shannon指數(shù)進(jìn)行Alpha 多樣性分析[30]。利用非度量多維尺度分析(NMDS)方法, 對(duì)不同深度湖水中浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的垂向差異進(jìn)行分析。利用Pearson相關(guān)分析進(jìn)行了環(huán)境因子與優(yōu)勢(shì)菌群間的相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 達(dá)里湖水體環(huán)境因子表、底層差異變化

為探究達(dá)里湖水體環(huán)境因子表、底層差異, 對(duì)各取樣點(diǎn)的理化指標(biāo)計(jì)算均值, 并計(jì)算各指標(biāo)表、底均值的變異系數(shù)。Chl的變化最大, 變異系數(shù)為10.889%; pH值的變化最小, 變異系數(shù)為0.007%。除Chl外, 各理化指標(biāo)的變異系數(shù)均較小, 可見(jiàn)達(dá)里湖表、底層水體交換過(guò)程相對(duì)緩慢, 水體理化指標(biāo)變化相對(duì)穩(wěn)定[31]。

表1 表、底層水體環(huán)境因子的平均值及變異系數(shù)*

注: “*”平均值為每層水體所有取樣點(diǎn)的平均值, 黑體字代表平均值最高。

在夏季開(kāi)放條件下的達(dá)里湖, 表層水更易受太陽(yáng)輻射、大氣降水及河流輸入等外界因素的直接影響, 因此導(dǎo)致達(dá)里湖表層水的溫度、TDS值較高。夏季適宜的水體溫度導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖, 造成表層水體的Chl值高于底層, 而底層水體中TN、DIP、COD環(huán)境因子參數(shù)的平均值高于表層。

3.2 達(dá)里湖浮游細(xì)菌多樣性分析

表、底層水體樣品測(cè)序結(jié)果的文庫(kù)覆蓋率均高于99.7%(表2), 測(cè)序條數(shù)達(dá)到10000條以上時(shí)稀釋性曲線趨向平穩(wěn)(圖2), 表明測(cè)序數(shù)據(jù)量合理, 能夠代表物種的豐富度。采用群落豐富度指數(shù)Chao和Ace、群落多樣性指數(shù)Shannon 和Simpson、均勻度指數(shù)Heip和文庫(kù)覆蓋率等對(duì)達(dá)里湖浮游細(xì)菌群落進(jìn)行評(píng)估, 結(jié)果表明樣品具有豐富的群落組成, 其群落多樣性均較高(表2)。多樣性指數(shù)Shannon、Simpson、均勻度指數(shù)Heip均體現(xiàn)表層水體浮游細(xì)菌群落多樣性最高, 豐富度指數(shù)Chao 和Ace為底層水體最高, 文庫(kù)覆蓋率為表層高于底層。從標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比來(lái)看, 達(dá)里湖表、底層水體的浮游細(xì)菌群落豐富度較多樣性差異明顯。

3.3 浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的表、底層分布特征

為具體探究達(dá)里湖表、底層水體中浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異性特征, 采用非度量多維尺度分析(NMDS)方法, 繪制出樣點(diǎn)的二維分布圖(圖3), 其中不同樣點(diǎn)在二維圖中的距離可以反映群落結(jié)構(gòu)的相似程度, 樣點(diǎn)之間的距離越近則表示群落組成結(jié)構(gòu)越相似。

通過(guò)表、底層各個(gè)取樣點(diǎn)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的分析, 可以發(fā)現(xiàn)表層水體各取樣點(diǎn)的NMDS1值主要分布在-0.4—0.2之間, NMDS2值主要分布在-0.2—0.45之間; 底層水各取樣點(diǎn)的NMDS1值主要分布在-0.4—0.3間, NMDS2值主要分布在-0.15—0.35間(圖3)。顯然, 夏季開(kāi)放條件下達(dá)里湖水體浮游細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)差異性程度呈現(xiàn)表層＞底層的特征。

基于表、底層水體中浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異, 對(duì)表層和底層水中的浮游細(xì)菌在門(mén)類(lèi)水平上的變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 具體分析了達(dá)里湖表、底層水體中浮游細(xì)菌群類(lèi)結(jié)構(gòu)特征及差異(圖4, 表3), 變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria) 3種浮游細(xì)菌菌門(mén)豐度在表、底層水體中均占優(yōu)勢(shì)比例(表3), 其中, 變形菌門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)高于其他菌門(mén): 變形菌門(mén)(Proteobacteria)的豐度最高, 在底層水(47.65%)中高于表層水(36.21%)中; 而放線菌門(mén)的豐度在底層水(24.89%)高于表層水(24.66%); 藍(lán)細(xì)菌門(mén)在表層水(11.22%)中高于底層水(8.99%)中。相對(duì)地, 擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、軟壁菌門(mén)(Tenericutes)、異常球菌-棲熱菌門(mén)(Deinococcus-Thermus)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、硬壁菌門(mén) (Firmicutes)、浮霉?fàn)罹T(mén)(Plancto-mycetes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)和綠菌門(mén)(Chlorobi)等8種門(mén)類(lèi)浮游細(xì)菌同樣在表層、底層湖水中的比例存在差異(表3)。

表2 浮游細(xì)菌表、底層分布多樣性分析

注: 黑體字代表平均值最高。

圖2 浮游細(xì)菌稀釋性曲線

Figure 2 Rarefaction curve of bacterioplankton community

圖3 達(dá)里湖表、底層水體浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的NMDS分析

Figure 3 NMDS analysis of phytoplankton community structure in surface and bottom waters of Dali-nor Lake

表3 表、底層湖水門(mén)類(lèi)水平上浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)比例(%)

圖4 表、底層水體門(mén)類(lèi)水平浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成

Figure 4 Composition of phytoplankton community in surface and bottom water bodies on phylum level

3.4 環(huán)境因子與浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)之間的關(guān)系

浮游細(xì)菌作為湖泊水體中主要的微生物種群, 其群落結(jié)構(gòu)變化會(huì)對(duì)水體環(huán)境因子的垂向變化出現(xiàn)一定程度的響應(yīng)。因此, 利用Pearson相關(guān)分析對(duì)達(dá)里湖表、底水體中門(mén)類(lèi)水平上的浮游細(xì)菌物種豐富度和環(huán)境因子變化間的相互關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)分析, 結(jié)果顯示表、底層水體中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)受不同環(huán)境因子的影響程度也不相同(圖5)。

注: 橫向坐標(biāo)為水體環(huán)境因子, 縱向?yàn)槲锓N信息, 中間不同顏色代表Pearson 相關(guān)分析的相關(guān)系數(shù)r值, r值范圍為-1—1. 當(dāng)r值小于零, 則顯示兩者負(fù)相關(guān), 當(dāng)r值大于零, 則顯示兩者正相關(guān). "*"代表顯著性檢驗(yàn)P值<0.05有顯著性差異, "**"代表有極顯著差異。

Figure 5 Pearson analyzing result of planktonic bacterial flora and environmental factors in Dali-nor Lake

表層水體中, TDS、DIP作為與浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性最顯著的環(huán)境因子, 在和不同優(yōu)勢(shì)門(mén)類(lèi)浮游細(xì)菌間的相關(guān)性結(jié)果上也有體現(xiàn)。異常球菌-棲熱菌門(mén)(Deinococcus- Thermus)、硬壁菌門(mén)(Firmicutes)與TDS呈極顯著正相關(guān), 而與DIP呈顯著負(fù)相關(guān); 變形菌門(mén)(Proteobacteria)與這TN、SD、TDS 3個(gè)環(huán)境因子呈顯著負(fù)相關(guān); pH與擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、軟壁菌門(mén)(Tenericutes)呈顯著負(fù)相關(guān); 綠菌門(mén)(Chlorobi)與DIP呈顯著負(fù)相關(guān) (圖5a)。

底層水體中, 浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)群落結(jié)構(gòu)受TN、Chl和WT因子影響最顯著。TN與擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、綠菌門(mén)(Chlorobi)、軟壁菌門(mén)(Tenericutes)呈顯著負(fù)相關(guān); DIP與軟壁菌門(mén)(Tenericutes)呈顯著正相關(guān); Chl與放線菌門(mén)(Actinobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、綠菌門(mén)(Chlorobi)呈顯著正相關(guān); WT與酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、異常球菌-棲熱菌門(mén)(Deinococcus- Thermus)和硬壁菌門(mén)(Firmicutes)呈顯著正相關(guān); 水深與酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、異常球菌-棲熱菌門(mén)(Deinococcus-Thermus)呈顯著負(fù)相關(guān)(圖5b)。

4 討論

本文利用16S rRNA基因測(cè)序技術(shù)闡明了達(dá)里湖浮游細(xì)菌群落的空間變化, 多樣性指數(shù)表現(xiàn)為表層高, 底層低, 而豐富度指數(shù)為表層低, 底層高, 每個(gè)樣品在菌群組成上表、底層差異顯著, 這與其中變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)是達(dá)里湖的主要菌門(mén)有關(guān), 這一分布特征也和大部分的淡水湖泊浮游細(xì)菌的組成相似[32,33]。

在達(dá)里湖夏季水體中, Proteobacteria作為優(yōu)勢(shì)菌中數(shù)量最高的菌門(mén), 在達(dá)里湖表、底層水體中均占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì), 其物種多樣性豐富, 生存方式多樣[34], 這也導(dǎo)致在表、底層湖水中Proteobacteria 豐度變化與湖水理化指標(biāo)參數(shù)的相互關(guān)系復(fù)雜多變; 而相對(duì)豐度也相對(duì)較高的 Actinobacteria, 其豐度變化往往會(huì)受到水體富營(yíng)養(yǎng)化等因素影響[35], 隨著水深的增加, Actinobacteria與營(yíng)養(yǎng)元素的相關(guān)性產(chǎn)生差異; 其次是Cyanobacteria, 其生長(zhǎng)方式為在表層湖水進(jìn)行光合作用, 消耗表層水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被消耗盡時(shí), 他們便會(huì)隨細(xì)胞體下沉到底層水體或沉積物中繼續(xù)吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 進(jìn)而造成達(dá)里湖表層水體到底層水體與氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)關(guān)系發(fā)生改變。

達(dá)里湖屬典型內(nèi)陸封閉型湖泊, 常年湖水無(wú)外泄, 在夏季湖泊水體處于開(kāi)放條件下, 表層水體更易受太陽(yáng)輻射、大氣降水及河流輸入等外界因素的直接影響, 因此導(dǎo)致達(dá)里湖表層水的溫度、TDS值較高, 并且由于夏季適宜的水體溫度導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖, 造成表層水體的Chl值也較底層偏高, 進(jìn)而顯示出表層水體的理化性質(zhì)主要受外界因素輸入的影響; 而底層水體中TN、DIP、COD等環(huán)境因子參數(shù)高于表層, 這是由于在湖泊底部, 底層水體與底泥接觸, 而底泥中的氮、磷等污染物釋放造成污染物濃度偏高。隨著環(huán)境因子在表、底層水體的變化, 其浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生改變?？偟膩?lái)說(shuō), 湖泊水體中微生物群落的結(jié)構(gòu)特征與其環(huán)境理化性質(zhì)緊密相關(guān)并相互限制影響[36]。本研究發(fā)現(xiàn), 與達(dá)里湖浮游細(xì)菌呈顯著相關(guān)的環(huán)境因子分別為T(mén)N、DIP、Chl、PH、WT、SD、TDS、水深。TN、DIP及水深因子在表、底層均為主要環(huán)境因子。氮、磷元素循環(huán)是各種元素循環(huán)的中心, 微生物參與下的氮、磷循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)中的主要初級(jí)生產(chǎn)力, 在水生態(tài)環(huán)境中, 過(guò)量的氮、磷會(huì)導(dǎo)致水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。Haukka等[37]在對(duì)韋西湖微生物群落結(jié)構(gòu)的分析中發(fā)現(xiàn), 氮濃度與浮游細(xì)菌的組成直接相關(guān), 其中Verrucomicrobia能夠?qū)Φ谞I(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行有效的利用, 而Actinobacteria則適宜低濃度氮磷營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。在本研究中達(dá)里湖浮游細(xì)菌對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的響應(yīng)并不明顯, 氮濃度與多數(shù)浮游細(xì)菌的關(guān)系為不顯著相關(guān), 且DIP作為對(duì)達(dá)里湖部分浮游細(xì)菌有顯著影響的磷營(yíng)養(yǎng)鹽, 對(duì)Chlorobi與Tenericutes有顯著促進(jìn)作用, 對(duì)Deinococcus-Thermus、Firmicutes呈抑制作用; 李玉華等[38]在對(duì)松花湖水體的研究中得出水深為主要環(huán)境因子, 這與本研究中水深變化影響水體環(huán)境因子改變進(jìn)而影響菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異的結(jié)果相同, 顯示了松花湖與達(dá)里湖浮游細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)均受到水深變化的影響。夏季開(kāi)放條件下, 達(dá)里湖表層懸浮大量藻類(lèi), 使得Chl含量偏高且與底層存在顯著差異, 從Pearson相關(guān)分析中Chl對(duì)多數(shù)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的生長(zhǎng)呈顯著促進(jìn)作用, 除此之外, TDS也對(duì)表層的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)具有顯著影響, 這與王歡等對(duì)碧流河水庫(kù)的研究存在一定差異[39]。顯然, 湖泊水體微生物結(jié)構(gòu)特征除受水體環(huán)境因子的調(diào)控外, 水域所處區(qū)域氣候條件及自身的區(qū)域特征也會(huì)對(duì)水體浮游細(xì)菌的菌群結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的分布存在影響。

總之, 在開(kāi)放條件下的達(dá)里湖, 表層和底層水體受外界環(huán)境變化影響的程度存在差異, 這進(jìn)一步導(dǎo)致了水體中環(huán)境因子的含量出現(xiàn)波動(dòng), 最終引起浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的豐度出現(xiàn)變化。

5 結(jié)論

1) 夏季開(kāi)放條件下, 湖水中變形菌門(mén)(Proteo-bacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén), 且Proteobacteria含量在表、底層水體中中均占絕對(duì)優(yōu)勢(shì): 底層水占比46.46 %, 表層水中占比36.21 %。表、底層水體中優(yōu)勢(shì)菌的占比存在一定差異, 這與水體環(huán)境差異有關(guān)。

2)表層水體中浮游細(xì)菌的群落多樣性、分布均勻程度最高。不過(guò), 底層水體的整體細(xì)菌豐富度要高于表層水。

3) 水深變化引起的不同水體中環(huán)境因子含量的波動(dòng)成為夏季達(dá)里湖浮游細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)菌門(mén)豐度變化的關(guān)鍵因子, 即不同水深處浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)菌門(mén)與不同水體環(huán)境因子間的相關(guān)性存在差異, 不同環(huán)境因子促進(jìn)或抑制了相應(yīng)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的發(fā)育。其中, 表層水體中TDS、DIP對(duì)浮游細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門(mén)影響最顯著, 底層水體中TN、Chl和WT為主要影響因子。整體上, 水體環(huán)境因子的表、底層差異成為影響浮游細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)群落結(jié)構(gòu)的重要因素。

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Surface and bottom characteristics of bacterioplankton community in summer Dali-nor Lake and its key driving factors

Du Lei, Li Changyou*, Li Wenbao, Shi Xiaohong, Yang Xu, Liu Jingjing

IMAR Key Laboratory of Water Resources Protecting and Utilization, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China

Bacterioplankton is the key element in the material cycle and energyflow in lake, affecting the migration and transformation of the ecosystem. In this paper, we collect 32 water samples from the surface and bottom water in summer Dali-nor Lake, which locates in Inner Mongolia Plateau and is an inland closed lake. Based on the T-RFLP technology and 16S rRNA sequencing,the community structure of bacterioplankton and its vertical variation characteristics were analyzed in detail. In summer, the diversity and evenness of the bacterioplankton in surface water are higher than bottom water. Meanwhile, bottom water has the highest species richness.On the whole, the Proteobacteria, Actinobacteria, Cyanobacteria, and Bacteroidetes are the dominant phyla in summer Dali-nor Lake. The Proteobacteria is the most dominant phylum in all water layers, with the content of about 46.46% in bottom water, and about 36.21% in surface water, respectively. Furthermore, TDS, DIP in surface water are correlated with most dominant bacteria, TN, Chland WT in the bottom water are the main environmental factors influencing community distribution. In summary, there is a significant correlation between the surface and bottom planktonic bacterial community structure of Dali-norl Lake and different environmental factors, while the water environmental factors in surface and bottom waters have become important factors affecting the evolution of most dominant bacteria.

bacterioplankton; change of surface and bottom water layers; summer; community structure characteristics; Dali-nor Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.06.002

X172

A

1008-8873(2021)06-013-08

杜蕾, 李暢游, 李文寶, 等. 夏季達(dá)里諾爾湖浮游細(xì)菌群落表、底層結(jié)構(gòu)特征及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(6): 13–20.

Du Lei, Li Changyou, Li Wenbao, et al. Surface and bottom characteristics of bacterioplankton community in summer Dali-nor Lake and its key driving factors[J]. Ecological Science, 2021, 40(6): 13–20.

2020-05-11;

2020-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目(52160021, 51869020); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—國(guó)際合作專(zhuān)項(xiàng)(2017YFE0114800); 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019MS05032); 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2020GG0009); 內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?！扒嗄昕萍加⒉胖С钟?jì)劃”項(xiàng)目(NJYT-20-A14)

杜蕾(1996—), 女, 內(nèi)蒙古赤峰市人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)楹此h(huán)境演變及修復(fù), E-mail: 18847163393@163.com

通信作者:李暢游, E-mail: nndlichangyou@163.com