尤本勝,馬書占,耿夢(mèng)蝶,陳東強(qiáng),操 慶,王建軍,顧爐華

(1:江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院 國(guó)家環(huán)境保護(hù)長(zhǎng)江中下游水生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210036) (2:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008) (3:蘭州大學(xué)泛第三極環(huán)境中心,蘭州 730000)

水體和沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中迥異但又緊密相連的兩類生境[1]。由于水體和沉積物的理化特征存在差異,棲息在這兩類生境中的細(xì)菌群落特征也存在顯著的差異[2-3]。細(xì)菌是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要參與者,在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和驅(qū)動(dòng)元素循環(huán)中起著關(guān)鍵性作用[4-5]。同時(shí),細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化的敏感性較高,是環(huán)境變化的重要標(biāo)志[5-6]。因此,研究湖泊水體和沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異對(duì)于湖泊水生態(tài)治理與保護(hù)具有重要的科學(xué)意義[7-8]。

目前,有關(guān)湖泊水體和沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性的研究越來(lái)越多的受到科研人員的關(guān)注。汪欣等[9]研究發(fā)現(xiàn)宛山蕩水體中細(xì)菌群落的演替受沉水植物的影響較為明顯,同時(shí)水生植物的存在會(huì)增加水體中細(xì)菌的代謝活性;周天旭等[10]研究發(fā)現(xiàn),深水湖泊中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性存在明顯的垂向分層現(xiàn)象;對(duì)于沉積物而言,Zhao等[11]研究發(fā)現(xiàn)沉積物中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)與湖泊中生長(zhǎng)的植被類型有關(guān),而高慧琴等[12]研究表明細(xì)菌的多樣性與沉積物的理化性質(zhì)有關(guān)。此外,細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)模式反映了細(xì)菌之間復(fù)雜的相互作用、細(xì)菌群落構(gòu)建以及細(xì)菌群落之間的生態(tài)位共享程度,其在水體和沉積物生境相關(guān)研究中得到了應(yīng)用[13]。Yang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地湖泊水體細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)、模塊化、平均路徑長(zhǎng)度顯著低于沉積物。綜合來(lái)看,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性是分析細(xì)菌結(jié)構(gòu)差異的最常用手段,然而,上述手段忽略了由細(xì)菌之間相互作用驅(qū)動(dòng)的細(xì)菌結(jié)構(gòu)差異。

太湖是我國(guó)第三大淡水湖泊,在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲具有舉足輕重的地位。同時(shí),太湖生態(tài)類型多樣,不同湖區(qū)之間生境條件存在顯著差異[15],是研究細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能對(duì)生境變化響應(yīng)的理想場(chǎng)所。石文莉等[16]研究表明太湖不同湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)沉積物細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)特征影響顯著,與輕度富營(yíng)養(yǎng)湖區(qū)相比,中度富營(yíng)養(yǎng)化湖區(qū)細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)更為密集,其抗環(huán)境干擾的能力更強(qiáng);汪貝貝等[17]研究發(fā)現(xiàn)冬季太湖底泥細(xì)菌群落特征受水體總磷影響最為顯著,其次是硝態(tài)氮;劉新等[18]研究表明太湖優(yōu)勢(shì)物種馬來(lái)眼子菜和蘆葦在腐解過(guò)程中水體細(xì)菌群落發(fā)生了顯著改變,逐漸以難降解有機(jī)類細(xì)菌為主。此外,太湖水華過(guò)程[19]、沉積物環(huán)境變化[20]均會(huì)對(duì)細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著的影響。然而,前人研究更多的是關(guān)注太湖水體或是沉積物細(xì)菌群落特征及其影響因素,對(duì)水體和沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性和細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)特征的差異研究相對(duì)較少。因此,本文以太湖為研究對(duì)象,分別采集水體和沉積物樣本后基于高通量測(cè)序技術(shù),結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析方法解析太湖不同區(qū)域水體和沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性水平、細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)特征及其驅(qū)動(dòng)因素,并探討營(yíng)養(yǎng)鹽水平和重金屬對(duì)細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)的影響,以期為太湖水生態(tài)保護(hù)與水資源管理提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太湖(30°55′40″～31°32′58″N,119°52′32″～120°36′10″E)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū),屬半封閉淺水湖泊,水面面積2338 km2, 平均水深1.89 m[21],水力停留時(shí)間約為284 d[22]。太湖地處亞熱帶季風(fēng)氣候,四季分明,夏季受熱帶海洋氣團(tuán)影響,盛行東南風(fēng),溫和多雨;冬季受北方高壓氣團(tuán)控制,盛行偏北風(fēng),寒冷干燥。由于湖泊面積大,太湖生境多樣,各個(gè)區(qū)域水體營(yíng)養(yǎng)水平、沉積物性質(zhì)和大型水生植物分布存在顯著的空間差異[23-24]。梅梁灣位于太湖北部,是太湖富營(yíng)養(yǎng)化程度最高的區(qū)域之一,其水華強(qiáng)度高于其他區(qū)域[22]。太湖湖心區(qū)營(yíng)養(yǎng)水平較低,處于中營(yíng)養(yǎng)水平。太湖西部湖區(qū)屬于河口區(qū),該湖區(qū)受陸地污染源沿河匯入及河流和湖泊的雙重影響[25-26]。太湖南部湖區(qū)受污染影響相對(duì)較小,水質(zhì)優(yōu)于西部湖區(qū)[27]。

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)與樣品采集

按照不同生境,于2010年6月在太湖的西部湖區(qū)(A)、梅梁灣(B)、湖心區(qū)(C)和南部湖區(qū)(D)進(jìn)行了表層水和表層沉積物樣品的采集,共布設(shè)了27個(gè)樣點(diǎn)(圖1)。表層水樣品用5 L采水器采集1 L表層50 cm水樣并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)DNA提取及理化指標(biāo)分析。表層沉積物樣品使用柱狀采樣器(Φ90 mm×500 mm,Rigo公司,日本)進(jìn)行原位無(wú)擾動(dòng)采集,每個(gè)樣點(diǎn)采集3根柱狀沉積物,將上覆水排出后,用無(wú)菌抹刀現(xiàn)場(chǎng)提取3根柱狀沉積物最頂部1 cm的沉積物,混合均勻后作為表層沉積物樣品。將表層沉積物樣品分成兩份,一份樣品用pH計(jì)、Pt電極和溫度計(jì)分別測(cè)定pH值(Sed_pH)、氧化還原電位(Sed_Eh)和泥溫(Sed_Temp),然后冷藏(4℃)并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)理化指標(biāo)分析,另一份樣品存放于滅菌處理過(guò)的塑料采樣瓶中,帶回實(shí)驗(yàn)室后于-20℃冷凍保存用于后續(xù)細(xì)菌群落分析。

圖1 采樣點(diǎn)位分布Fig.1 The distribution of sampling sites

1.3 水體理化指標(biāo)分析

1.4 沉積物理化指標(biāo)分析

1.5 細(xì)菌群落指標(biāo)分析

表層水樣品選取500 mL水樣,先用 5 μm 孔徑濾膜過(guò)濾,再將濾后水使用 0.2 μm 孔徑濾膜過(guò)濾后進(jìn)行后續(xù)DNA提取,使用試劑盒(Fast DNA Spin Kit for Soil)分別提取表層水和沉積物樣品中的DNA樣本,選擇引物27F(5′-AGAGTTTGGATCMTGGCTCAG-3′)和 519R(5′-CGGTTACCTTGTTACGACTT-3′)以及8-bp條形碼序列進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA基因的PCR擴(kuò)增,將每個(gè)樣品擴(kuò)增3次后,混合擴(kuò)增產(chǎn)物并進(jìn)行純化,將純化的擴(kuò)增子以等摩爾濃度合并,并使用Roche 454 FLX焦磷酸測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序。

本文使用QIIME pipeline處理焦磷酸測(cè)序產(chǎn)生的序列[34]。具體方法如下:使用Denoiser算法對(duì)序列進(jìn)行降噪[35],并使用基于種子的UCLUST算法以97%的成對(duì)相似度聚類成操作分類單元(OTU)[36],移除嵌合體后,使用PyNAST將每個(gè)OTU的代表性序列與Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)的核心參考序列進(jìn)行比對(duì)[37-38],最后,將細(xì)菌序列以最小序列數(shù)進(jìn)行稀疏化,以確保生物多樣性不受豐度或采樣強(qiáng)度變化的影響。原始測(cè)序數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳至MG-RAST數(shù)據(jù)庫(kù),序列登記編號(hào)為4508181.3～4508379.3。

1.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)分析均在R軟件(v 3.6.0)中進(jìn)行。使用“vegan”和“adespatial”包分別計(jì)算水體和沉積物細(xì)菌群落的α多樣性(Richness指數(shù))和β多樣性指數(shù)(local contribution to beta diversity,LCBD),比較不同區(qū)域之間細(xì)菌多樣性的差異,LCBD詳細(xì)的計(jì)算方法參見(jiàn)Pierre Legendre 和 Miquel De Cáceres[39]描述的方法進(jìn)行;利用“stats”包里Kruskal-Wallis檢驗(yàn)和Wilcoxon秩和檢驗(yàn)比較環(huán)境因子在整體及兩區(qū)域間的差異,分析水體和沉積物中細(xì)菌群落的組成并比較細(xì)菌門豐度在不同區(qū)域之間的差異;此外,基于細(xì)菌群落Bray-Curtis 距離,使用非度量多維尺度分析(NMDS)研究水體和沉積物中細(xì)菌群落組成的差異,并使用相似性分析(ANOSIM)檢驗(yàn)水體和沉積物細(xì)菌群落組成差異的顯著性;利用“vegan”包線性擬合細(xì)菌群落的Bray-Curtis非相似性指數(shù)與地理距離之間的關(guān)系,使用Mantel test分析水體和沉積物細(xì)菌群落組成差異的顯著性,探討水體和沉積物細(xì)菌群落的距離衰減模式。使用“vegan”包進(jìn)行PCA分析,并對(duì)10種重金屬元素(Cu、Zn、Ni、Cr、Pb、Ba、Co、Fe、Mn、Sr)進(jìn)行降維,以其第一軸PC1(解釋度為51.93%)代表重金屬組成進(jìn)行后續(xù)分析;使用“stats”包計(jì)算Akaike信息準(zhǔn)則(AIC值),選擇合適的模型(一次模型或二次模型)來(lái)擬合多樣性與環(huán)境因子的關(guān)系[40];此外,以超過(guò)一半樣點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)的細(xì)菌門豐富度和LCBD作為響應(yīng)變量,使用“randomForestSRC”包對(duì)水體和沉積物中細(xì)菌群落組成的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建:首先對(duì)樣品進(jìn)行OTU 種間豐度進(jìn)行相關(guān)性分析,基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?random matrix theory,RMT)方法,計(jì)算不同閾值條件下相關(guān)性矩陣對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣,調(diào)整閾值條件,直至該鄰接矩陣特征值分布近似于Poisson分布,相關(guān)系數(shù)大于此閾值的,認(rèn)為其種間相關(guān)關(guān)系顯著,從而確定分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)與邊;在此基礎(chǔ)上,利用“sparCC”包計(jì)算網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)(節(jié)點(diǎn)數(shù)、連接數(shù)、平均度、平均路徑長(zhǎng)度、圖密度、聚類系數(shù)),并采用Fast greedy法進(jìn)行模塊聚類計(jì)算,計(jì)算節(jié)點(diǎn)特征參數(shù)(模塊性、正內(nèi)聚力、負(fù)內(nèi)聚力、總內(nèi)聚力[41]以及負(fù)、正內(nèi)聚力的比值,以進(jìn)一步分析微生物群落動(dòng)態(tài)與環(huán)境因子的關(guān)系,并通過(guò)Gephi軟件將水體和沉積物細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的空間分布特征

太湖不同區(qū)域之間沉積物重金屬元素含量也存在顯著的空間差異(P<0.05),與其他3個(gè)區(qū)域相比,B區(qū)沉積物中重金屬元素含量相對(duì)較高,其中Cu、Zn、Ni、Cr 4種典型重金屬污染物含量均顯著高于其他3個(gè)區(qū)域(P<0.05)。此外,Pb、Co、Mn等重金屬在不同區(qū)域均未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。

2.2 細(xì)菌群落組成

太湖水體細(xì)菌群落分別檢測(cè)出16個(gè)門類的3856個(gè)OTUs,而沉積物細(xì)菌群落分別檢測(cè)出24個(gè)門類的15554個(gè) OTUs。太湖水體和沉積物中細(xì)菌群落組成存在明顯的差異(圖2)。對(duì)水體細(xì)菌群落而言,放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)是主要的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門,相對(duì)豐度均值分別達(dá)到了29.9%、28.2%和19.6%,相對(duì)豐度總和超過(guò)水體細(xì)菌總數(shù)的75%;對(duì)沉積物細(xì)菌群落而言,Proteobacteria的相對(duì)豐度最高,達(dá)到了37.1%,其次為酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和擬桿菌門(Bacteroidetes),但三者的相對(duì)豐度均遠(yuǎn)低于Proteobacteria。此外, Actinobacteria和Cyanobacteria雖然在水體中相對(duì)豐度較高,但在沉積物中,兩者相對(duì)豐度分別僅占細(xì)菌總數(shù)的2.36%和2.05%。進(jìn)一步使用NMDS和ANOSIM對(duì)水體和沉積物細(xì)菌群落組成的差異性進(jìn)行解析,由圖3可知,水體和沉積物細(xì)菌群落呈現(xiàn)出顯著差異(R2=0.48,P=0.001),且不同湖區(qū)細(xì)菌分布規(guī)律不一致,其中A區(qū)水體和沉積物細(xì)菌群落較為分散。細(xì)菌群落的Bray-Curtis非相似性指數(shù)與地理距離的線性擬合結(jié)果揭示了太湖水體和沉積物細(xì)菌均具有明顯的距離衰減模式(圖4),沉積物細(xì)菌群落衰減模式與水體相比具有更大的斜率。

圖2 水體和沉積物細(xì)菌門類相對(duì)豐度Fig.2 Phyla percentages of bacteria in the surface water and sediment of Lake Taihu

圖3 水體和沉積物細(xì)菌群落的NMDS圖Fig.3 Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) based on the Bray-Curtis dissimilarity matrices of bacteria in the surface water and sediment of Lake Taihu

圖4 水體和沉積物細(xì)菌群落Bray-Curtis非相似性指數(shù)與地理距離之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between Bray-Curtis dissimilarity of bacterial communities and geographical distance in the surface water and sediment of Lake Taihu

不同湖區(qū)之間細(xì)菌群落組成也存在顯著差異(P<0.05)。對(duì)水體細(xì)菌群落而言(附表Ⅱ),D區(qū)Proteobacteria的相對(duì)豐度顯著高于其他3個(gè)區(qū)域(P<0.05),而A區(qū)Acidobacteria的相對(duì)豐度顯著低于其他3個(gè)區(qū)域(P<0.05);D區(qū)Actinobacteria的相對(duì)豐度略低于C區(qū),顯著低于A和B區(qū)(P<0.05);A區(qū)Bacteroidetes的相對(duì)豐度略低于B區(qū),但略高于C區(qū)和D區(qū);芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的相對(duì)豐度則表現(xiàn)為:D區(qū)略高于A區(qū)和C區(qū),但略低于B區(qū);其他細(xì)菌的相對(duì)豐度在不同區(qū)域之間未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。對(duì)沉積物細(xì)菌群落而言(附表Ⅱ,A區(qū)Proteobacteria的相對(duì)豐度稍高于B區(qū)和D區(qū),顯著高于C區(qū)(P<0.05),而A區(qū)Chloroflexi的相對(duì)豐度最高,B區(qū)次之,C區(qū)和D區(qū)最低;Acidobacteria、Gemmatimonadetes和硝化螺菌門(Nitrospira)的豐度均表現(xiàn)為:A區(qū)與B區(qū)無(wú)顯著性差異(P>0.05),但均顯著低于C區(qū)和D區(qū)(P<0.05);其他細(xì)菌的相對(duì)豐度在不同區(qū)域之間未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)。

2.3 細(xì)菌群落多樣性及其與環(huán)境因子的關(guān)系

本文分別使用Richness和LCBD量化水體和沉積物細(xì)菌群落的α多樣性和β多樣性。由表1可知,水體和沉積物細(xì)菌群落Richness均表現(xiàn)為A區(qū)>B區(qū)>D區(qū)>C區(qū)的分布規(guī)律,但水體細(xì)菌群落Richness顯著低于沉積物細(xì)菌群落Richness(P<0.05)。水體和沉積物細(xì)菌群落LCBD均表現(xiàn)為A區(qū)最高,但水體細(xì)菌群落LCBD在B區(qū)最低,而沉積物細(xì)菌群落LCBD在C區(qū)最低。

圖5 水體與沉積物中細(xì)菌群落多樣性與營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)和PC1的相關(guān)性(PC1:重金屬組成)Fig.5 Relationships between Richness/LCBD and nutrient factors and PC1 for bacterial community in the surface water and sediment of Lake Taihu (PC1: the principal component of heavy metal elements)

2.4 細(xì)菌群落的驅(qū)動(dòng)因子分析

圖6 以Richness和LCBD作為響應(yīng)變量的隨機(jī)森林分析(a～b:水體;c～d:沉積物)Fig.6 Results of random forest analysis with species Richness and LCBD as response variable (a-b: water; c-d: sediment)

太湖水體和沉積物不同細(xì)菌門LCBD的驅(qū)動(dòng)因子也存在明顯的差異。以優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門為例,在水體中,Actinobacteria的LCBD主要驅(qū)動(dòng)因素是Sed_Na和PC1,而Proteobacteria的LCBD最重要的驅(qū)動(dòng)因素是Sed_Li含量(圖6b);在沉積物中,Sed_TP和Sed_Li含量是Proteobacteria和Acidobacteria的LCBD共同的驅(qū)動(dòng)因素,相比之下,Sed_Li對(duì)Proteobacteria的LCBD表現(xiàn)出更大的重要性(圖6d)。對(duì)于整個(gè)細(xì)菌群落而言,水體細(xì)菌群落LCBD的重要影響因子是PC1、Wat_Temp和Wat_pH,而沉積物細(xì)菌群落LCBD的重要影響因子是Sed_TP和Sed_Li含量。

2.5 細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)特征分析

為了更加深入地研究細(xì)菌群落,本文分別構(gòu)建了水體和沉積物中細(xì)菌群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖7)。水體細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)圖共由140個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和1202條連接數(shù)組成,包括705條正連接數(shù)和497條負(fù)連接數(shù),主要細(xì)菌門為Proteobacteria(34.3%)、Actinobacteria(33.6%)和Cyanobacteria(25.7%),Actinobacteria和Cyanobacteria內(nèi)部OTU之間的連接數(shù)均為正相關(guān),而Proteobacteria內(nèi)部OTU之間的連接數(shù)正負(fù)相關(guān)均存在。沉積物細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)圖共由159個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)和1310條連接數(shù)組成,包括639條正連接數(shù)和671條負(fù)連接數(shù),主要細(xì)菌門為Proteobacteria(52.8%),Proteobacteria內(nèi)部OTU之間的連接數(shù)與水體細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)類似,即正相關(guān)和負(fù)相關(guān)連接數(shù)均存在,且正連接數(shù)居多。

圖7 水體和沉積物中細(xì)菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Co-occurrence networks of bacterial communities in the surface water and sediment

細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析結(jié)果表明(圖8),水體和沉積物中pH顯著相關(guān)(R2=0.93,P<0.01),二者均與水體細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的平均度、圖密度、聚集系數(shù)以及模塊性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。同時(shí),正內(nèi)聚力、負(fù)內(nèi)聚力以及總內(nèi)聚力與pH之間也呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),但負(fù)、正內(nèi)聚力的比值隨pH值的增加而降低。

圖8 水體和沉積物細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與環(huán)境因子的相關(guān)性(空白:代表相關(guān)性不顯著)Fig.8 The correlations between network parameters of bacterial communities in the surface water and sediment and environmental variables (Blank: no significant correlation)

3 討論

3.1 水體和沉積物細(xì)菌群落特征差異分析

太湖水體和沉積物細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。不同區(qū)域沉積物中細(xì)菌均以Proteobacteria為主,但水體細(xì)菌優(yōu)勢(shì)種表現(xiàn)出差異(圖2),其原因可能是湖泊水體比沉積物更易受到周圍環(huán)境的影響且水體受到外界干擾的程度不同(附表Ⅰ)。與水體細(xì)菌群落相比,沉積物部分細(xì)菌門的相對(duì)豐度在不同區(qū)域之間表現(xiàn)出顯著性差異(附表Ⅱ),如Actinobacteria在A和B區(qū)的相對(duì)豐度高于其他兩個(gè)區(qū)域,這與Wang等[42]的研究結(jié)果一致。與其他區(qū)域相比,A區(qū)水體和沉積物細(xì)菌群落較為分散(圖3),這表明A區(qū)水體和沉積物細(xì)菌群落空間異質(zhì)性高。此外,沉積物細(xì)菌群落在空間上的周轉(zhuǎn)率大于水體細(xì)菌群落(圖4),這可能與淺水湖泊沉積物更易受到擴(kuò)散限制的影響有關(guān)。

沉積物細(xì)菌群落豐富度顯著高于水體細(xì)菌群落(表1),其原因可能是沉積物中固體顆粒物為細(xì)菌提供必要的附著體和充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外,水體和沉積物細(xì)菌群落多樣性均表現(xiàn)為A區(qū)最高(表1),其原因可能是惡劣的環(huán)境條件促進(jìn)了多種生境特化種的出現(xiàn),從而增加了細(xì)菌群落的多樣性水平[43]。

3.2 營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

營(yíng)養(yǎng)鹽通過(guò)改變水體pH、透明度和光照等環(huán)境因子,從而使細(xì)菌群落受到環(huán)境選擇的強(qiáng)烈影響,最終導(dǎo)致細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[42,44]。在本研究中,水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性主要受到水體pH的影響,而沉積物細(xì)菌群落多樣性則是受到沉積物中TP的驅(qū)動(dòng)(圖6),這表明太湖不同區(qū)域營(yíng)養(yǎng)鹽水平通過(guò)影響水體pH與沉積物中TP來(lái)間接驅(qū)動(dòng)水體和沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的改變。當(dāng)水體pH較高時(shí),水體細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的平均度、聚集系數(shù)、模塊性以及總內(nèi)聚力趨向于更高值,使得細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜;同時(shí),在高pH脅迫下,細(xì)菌群落的穩(wěn)定性可能會(huì)下降(圖8),這表明營(yíng)養(yǎng)鹽還可以通過(guò)影響pH而間接影響細(xì)菌的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外,本研究結(jié)果表明沉積物細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量有關(guān)(圖8),隨著沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽含量的增加,生境的異質(zhì)性可能會(huì)由于大型植物的喪失而大大降低,進(jìn)而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中可利用生態(tài)位的減少,最終引發(fā)物種對(duì)有限資源的更加激烈的競(jìng)爭(zhēng)[45],這意味著隨著太湖富營(yíng)養(yǎng)化程度的增加,沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)可能會(huì)變得更加緊密,種群間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈。

3.3 重金屬對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

重金屬的存在通常會(huì)對(duì)細(xì)菌具有毒害作用[46-47],其主要通過(guò)誘導(dǎo)活性氧自由基產(chǎn)生,進(jìn)而對(duì)細(xì)菌造成不同程度的損傷[48],最終導(dǎo)致細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變[49-50]。在本研究中,水體細(xì)菌群落多樣性受PC1驅(qū)動(dòng),而沉積物細(xì)菌群落多樣性受重金屬元素Li驅(qū)動(dòng)(圖6),這表明太湖水體和沉積物中細(xì)菌群落對(duì)重金屬污染產(chǎn)生了截然不同的響應(yīng)機(jī)制。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)水體和沉積物共有的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)種受不同金屬元素的驅(qū)動(dòng)(圖6),產(chǎn)生這種變化的原因可能與細(xì)菌所處的環(huán)境有關(guān)[51]。此外,本研究結(jié)果表明隨著沉積物中金屬元素含量的增加,細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸增加,但其復(fù)雜性出現(xiàn)了下降(圖8),其原因可能是重金屬脅迫使得細(xì)菌群落物種產(chǎn)生了改變,從而改變了細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)[48]。

4 結(jié)論

1)太湖水體和沉積物中細(xì)菌群落組成表現(xiàn)出明顯的差異性。Actinobacteria、Proteobacteria和Cyanobacteria是水體細(xì)菌群落中最主要的細(xì)菌門,而沉積物中Proteobacteria占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位;同時(shí),與水體相比,沉積物細(xì)菌群落在空間上的周轉(zhuǎn)率更大。

2)太湖不同區(qū)域水體和沉積物中細(xì)菌群落組成以及多樣性具有明顯的空間分布差異。Actinobacteria、Proteobacteria和Acidobacteria等優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門的相對(duì)豐度在不同區(qū)域之間均表現(xiàn)出顯著差異;水體和沉積物細(xì)菌群落豐富度均表現(xiàn)為A區(qū)>B區(qū)>D區(qū)>C區(qū)的分布規(guī)律,而細(xì)菌群落獨(dú)特性(LCBD)則均表現(xiàn)為A區(qū)最高的分布規(guī)律。

3)營(yíng)養(yǎng)鹽水平和重金屬含量對(duì)太湖水體和沉積物細(xì)菌群落影響顯著,且兩類生境中細(xì)菌群落驅(qū)動(dòng)因子存在顯著差異。對(duì)水體而言,水體電導(dǎo)率、pH值、PC1和沉積物孔隙度是驅(qū)動(dòng)細(xì)菌豐富度的重要因子,PC1、水溫及pH值是影響細(xì)菌群落LCBD的重要因子,而細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性隨pH值的增加而增加,且在高pH環(huán)境中占主導(dǎo)地位;對(duì)沉積物而言,其豐富度和LCBD變化的重要影響因子均是沉積物總磷和鋰,細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性隨金屬元素施加的環(huán)境壓力增大而降低,但隨總磷、磷酸鹽和銨態(tài)氮濃度的增加而增加。

5 附錄

附表Ⅰ、Ⅱ見(jiàn)電子版(DOI: 10.18307/2023.0536)。