毛振鍍,王洪偉,周天旭,3,夏炎雷,李化炳,邢 鵬,吳慶龍,4,5**

(1:中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,南京 210008)(2:中國科學院大學,北京 100049)(3:南京信息工程大學,南京 210044)(4:中國科學院大學中丹學院, 北京 100049)(5:中國科學院撫仙湖高原深水湖泊研究站,玉溪 652500)

微生物群落是生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分,在元素循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用,微生物群落結構和功能變化,將影響生態(tài)系統(tǒng)提供正常功能與服務[1-3]。在全球變化背景下,越來越多的研究人員呼吁關注微生物群落對環(huán)境變化的響應和穩(wěn)定性,從而更好地預測生態(tài)系統(tǒng)功能和服務的變化趨勢[4]。其中,微生物群落穩(wěn)定性是微生物群落在外界干擾或環(huán)境波動下保持不變或相對穩(wěn)定的能力,它是衡量群落對環(huán)境變化響應的重要性質[3]。微生物群落穩(wěn)定性及相關機制的研究可以幫助理解和預測變化環(huán)境下微生物群落結構和功能動態(tài),服務于生態(tài)系統(tǒng)保護。

一般認為,環(huán)境條件會影響微生物群落的穩(wěn)定性[2,5-6]。一方面,高脅迫水平可能限制了微生物群落對干擾的響應[7],而高的營養(yǎng)水平則促進微生物群落對于干擾的響應[8],因為群落需要更多的資源做出調整以更好響應干擾[2,9]。另一方面,環(huán)境條件可能通過對特定微生物的選擇,進而影響群落對于干擾的響應[10]。例如,高的營養(yǎng)水平可能會選擇富營養(yǎng)型菌(copiotrophs)[11-12],導致群落在面對干擾時更加敏感,但是因為較快的生長速率能夠更快恢復到干擾前的生物量[13]?？傮w來說,環(huán)境變化(如營養(yǎng)水平變化),對于群落穩(wěn)定性的影響可能是復雜的。

鹽度是塑造全球微生物群落多樣性的重要因子[14],對湖泊浮游微生物群落多樣性和功能有著強烈作用[8,15-17]。同時,全球湖泊可能因為人類活動(如過度水資源開發(fā))或者全球氣候變化(水分蒸發(fā)速率加快)面臨著鹽度增加的挑戰(zhàn)[18]。在此背景下,浮游細菌群落在鹽度干擾下如何維持穩(wěn)定性具有重要意義。基于此,許多穩(wěn)定性相關研究將鹽度干擾作為淡水微生物群落的模式化干擾進行研究,為后續(xù)研究提供了重要借鑒[19-22]。因而,利用鹽度干擾研究淡水浮游細菌群落對干擾的響應及穩(wěn)定性機制是一個比較合適的范式。

群落穩(wěn)定性雖然有著簡單且直觀的含義,但是至今仍沒有一個統(tǒng)一的度量指標,并且在不同研究之間表現(xiàn)為一個多方面的復雜概念[23-24]。文獻計量分析顯示,絕大多數(shù)研究通過測量1～2個穩(wěn)定性指標以反映穩(wěn)定性,忽略了穩(wěn)定性其多面性的特點[24-25]。為了解群落穩(wěn)定性的多面性,一些穩(wěn)定性研究開始嘗試采用多個穩(wěn)定性指標對群落穩(wěn)定性進行分析[26-28]。這些研究發(fā)現(xiàn)不同穩(wěn)定性指標之間相關性并不高,因此有必要了解多個穩(wěn)定性指標的高低以綜合判斷群落的穩(wěn)定性[25,27,29-31]。在以往微生物群落穩(wěn)定性的研究中,對穩(wěn)定性的描述通常集中于2個穩(wěn)定性指標——抵抗力和恢復力[2,3,32-33]。抵抗力定義為群落抵抗干擾并使自身在干擾下保持不變的能力;恢復力定義為群落在干擾后恢復到原狀的能力[32]。在微生物群落研究當中較少研究抵抗力、恢復力與其他穩(wěn)定性指標的關系。在反映群落穩(wěn)定性時,不同穩(wěn)定性指標的結果是否一致也值得探討。

本研究設置了2個營養(yǎng)水平(高營養(yǎng)水平和低營養(yǎng)水平)和3個鹽度干擾水平(對照組、3‰和9‰),通過較高頻次的樣品采集,研究浮游細菌群落在鹽度干擾后不同階段群落結構和細胞密度,計算了基于細胞密度的多個穩(wěn)定性指標(反應力、抵抗力、恢復力和時間穩(wěn)定性),分析不同穩(wěn)定性指標之間的相關性,并嘗試揭示群落在鹽度干擾下潛在的穩(wěn)定性機制。

1 材料與方法

1.1 裝置建立

1.1.1 水樣采集 本研究中使用的初始浮游細菌群落來自中國江蘇省南京市內受人類活動影響相對較小的紫霞湖。紫霞湖(32°3′32.4″～32°3′36.0″N,118°50′34.8″～118°50′38.4″E)的總面積約為5 hm2,位于紫金山中部(海拔448 m)。從紫霞湖表層以下0.5 m處采集水樣,作為初始浮游微生物群落。采樣時水溫接近22.8℃。

1.1.2 初始浮游細菌群落的構建 通過真空泵抽取并依次進行1次5 μm孔徑的聚碳酸酯濾膜(Millipore, USA)和2次0.8 μm孔徑的聚碳酸酯濾膜(Millipore, USA)過濾,移除湖水中的大型浮游生物,得到的水樣作為初始浮游細菌群落。大型浮游生物的移除主要為了剔除浮游細菌的捕食者——鞭毛蟲和纖毛蟲[34],排除捕食者對于浮游細菌群落穩(wěn)定性的影響。在正式進行后續(xù)實驗之前,初始浮游細菌群落保存在4℃冰箱冷藏。

1.1.3 不同營養(yǎng)水平設置 本實驗借助稀釋的手段,來操縱群落的營養(yǎng)水平,避免額外添加營養(yǎng)(單一碳源或者氮磷等營養(yǎng)鹽)變化帶來的α多樣性變化。將未過濾的湖水進行高溫高壓滅菌(121℃,30 min)以殺死湖水中所有生物,作為無菌培養(yǎng)基,用于培養(yǎng)浮游細菌群落。取2 L的0.8 μm濾后水裝入3 L錐形瓶中,作為低營養(yǎng)水平組。將200 mL 0.8 μm濾后水加到裝有1.8 L滅菌湖水的3 L錐形瓶中,作為高營養(yǎng)水平組。每個營養(yǎng)水平包含9個平行裝置。值得注意的是,高營養(yǎng)水平組包含原位水體全部的有機碳(包含顆粒物),而低營養(yǎng)水平組僅包含水體中能通過0.8 μm孔徑的有機碳。

1.1.4 培養(yǎng)條件 所有瓶子在完成上述步驟以后,在超凈臺中用可以透氣但不能通過微生物的半透膜覆蓋,并置于23℃(與采樣時水溫相近)的黑暗環(huán)境下。每天上午和下午各搖晃一次,以促進氧氣在水中的溶解。在正式添加干擾之前,設置了8天的適應期,讓浮游細菌群落適應生長環(huán)境。

1.2 添加干擾

通過文獻調研,在研究浮游細菌群落的鹽度強度-穩(wěn)定性關系時,一些研究均使用了3‰鹽度干擾[20,35]并且Hu等的研究結果指出3‰鹽度干擾是鹽度-多樣性關系的臨界點[19],因此本文選用3‰鹽度干擾作為其中一個干擾水平。而預實驗表明,6‰比3‰鹽度干擾對細胞密度差異不顯著,因此最終選用了9‰和3‰鹽度干擾研究不同干擾強度對于群落穩(wěn)定性的影響。

用超純水配置30、90 g/L的氯化鈉溶液,并進行高溫高壓滅菌(121℃,20 min),用于后續(xù)模擬鹽度干擾。在預培養(yǎng)8天以后,隨機將同一稀釋水平的9個錐形瓶分成3組:對照組、3‰鹽度干擾組和9‰鹽度干擾組,隨后,分別加入200 mL滅菌后的超純水、30 g/L氯化鈉溶液(終濃度3‰)、90 g/L氯化鈉液(9‰)。充分混合以后,放回暗處培養(yǎng)。鹽度干擾的添加以及后續(xù)水樣采集工作均在無菌工作臺中完成,并在完成操作以后立刻用半透膜覆蓋,以避免外界微生物擴散進入體系。阻斷外界微生物擴散進入體系中,可以避免擴散引發(fā)的隨機定殖導致群落的強烈波動[36]。

1.3 指標收集與測量

1.3.1 細胞計數(shù) 在添加干擾前,干擾后6、24、48 h以及4、6、8、10、12、14和16 d,將每個裝置混勻后,使用移液槍吸取3 mL的水樣裝入5 mL無菌離心管中。隨后,添加40%甲醛進行固定,使甲醛終濃度為2%,隨后置于4℃冰箱中保存,直至實驗結束后統(tǒng)一測量(最長保存時間為20 d)。細胞密度的測量采用Gong等的方法[37](cells/mL)。

1.3.2 DNA收集、提取和測序 在實驗干擾前(加入無菌水之前)以及干擾后的第1、2、4、8、16天對浮游細菌群落結構進行測定。除了16 d以外的其他時間點,從3個平行中各取200 mL的水樣,混合后(總體積600 mL)配合0.2 μm聚碳酸酯濾膜(Millipore, USA)進行抽濾。在第16天的時候,分別從每一個平行取600 mL的水樣,配合0.2 μm聚碳酸酯濾膜(Millipore, USA)進行抽濾。所有濾膜都保存在-20℃下至DNA提取。將濾膜剪碎以后,根據(jù)土壤DNA提取試劑盒(Mo Bio Laboratories, Carlsbad, CA, USA)說明書提取DNA。使用靶向16S rRNA 基因 V4可變區(qū)(515F-806R)的擴增子[38]對原核生物多樣性進行調查,對DNA進行PCR以后,根據(jù)標準協(xié)議在Illumina MiSeq平臺(上海凌恩生物科技有限公司)上對擴增子庫進行雙端測序(2×250 bp)。測序下機數(shù)據(jù)存放在美國國家生物信息中心(National Center for Biotechnology Information)中,登錄號為PRJNA987196。

1.3.3 基礎水化指標 紫霞湖原位湖水測得的水化指標為:總磷濃度為0.052 mg/L,可溶性總磷為0.018 mg/L;總氮濃度為3.75 mg/L,可溶性總氮為3.40 mg/L;總有機碳為35.67 mg/L,可溶性有機碳為24.00 mg/L。在模擬實驗中,取0.2 μm濾膜的濾后液裝在棕色瓶中,并冷凍在-20℃環(huán)境直至測量。測量時,使用總有機碳分析儀(TOC-V CPN, Shimadzu, Japan)測定水樣中的溶解性有機碳(mg/L)。

1.4 穩(wěn)定性定義與計算

參考White等[28]和Hillebrand等[27]對于穩(wěn)定性的定義,本研究使用4個穩(wěn)定性指標(圖1):反應力(reactivity)、抵抗力(resistance)、恢復力(resilience)和時間穩(wěn)定性(temporal stability)。在穩(wěn)定性的計算過程中,使用細胞密度的自然對數(shù)效應值(log-response ratio,LRR)對群落對干擾處理的響應進行定量化[27-28]。

圖1 基于干擾過程的穩(wěn)定性不同維度的定義(其中虛線表示對照處理下功能的置信區(qū)間。此處假設當群落不受到干擾時,群落功能將維持在對照組的置信區(qū)間內)Fig.1 The definition of different dimensions of stability based on a disturbance process (The dash line represents the confidence interval of function under control group. Here we hypothesize that if community was not disturbed, the community function would have remained within the confidence interval of the control group)

(1)

4個穩(wěn)定性指標總體來說描述了群落響應干擾不同過程,并且所有穩(wěn)定性的數(shù)值越大表示群落穩(wěn)定性越強。反應力表示群落放大干擾的能力,數(shù)學上為干擾后到達最大值過程中的斜率[28]。抵抗力表示群落抵抗干擾后變化的能力,數(shù)學上表示在干擾以后的最大變幅。抵抗力對應時間點為了方便后續(xù)表述,本文稱之為抵抗時間。觀察到群落恢復到正常水平(對照組置信區(qū)間范圍內)的時間點為恢復時間[28];如果群落在觀測結束時,沒有恢復到對照水平,則取最后一次觀測時間作為恢復時間?；謴土Ρ硎救郝浠謴偷皆瓉頎顟B(tài)的快慢,數(shù)學上表示為抵抗時間和恢復時間之間的斜率;時間穩(wěn)定性表示群落在恢復過程中的變異程度,數(shù)學上表示為抵抗時間和恢復時間之間殘差的方差的倒數(shù)[27]。我們計算了每一個裝置的反應力、抵抗力、恢復力和時間穩(wěn)定性。值得注意的是,理論上,不同穩(wěn)定性指標是獨立的,因為它們描述了穩(wěn)定性不同過程[30]。詳細的計算代碼可見附件1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 擴增子分析 使用R統(tǒng)計軟件中“DADA2”包構建16S rRNA基因擴增子序列的單核苷酸突變(amplicon sequence variants,ASV)豐度表[39]。使用Cutadapter分別對左右兩端序列切除引物[40]。隨后進行質量控制時,并設置允許最大的預期錯誤(maxEE參數(shù))為2。將左右兩端序列合并,生成單核苷酸突變豐度表,并除去嵌合體。隨后使用“DADA2”內置的樸素貝葉斯分類算法[41]比對核糖體數(shù)據(jù)庫計劃(Ribosomal Database Project)的訓練集v18(trainset 18)[42],對獲得的ASV序列進行注釋,其中置信閾值為80%。將第16天中同一處理下的序列進行混合用于后續(xù)分析。將所有樣品抽平至22609條序列進行后續(xù)分析。隨后,我們使用ASV數(shù)目反映群落的物種豐富度,并計算了處理組相對于對照組的物種豐富度自然對數(shù)效應值(見公式(1));使用群落之間Bray-Curtis不相似度反映群落結構的變化。借助R統(tǒng)計軟件中的“vegan”包,使用非度量多維排列(non-metric multidimensional scaling,NMDS)對群落結構變化進行降維,使用相似性分析(analysis of similarity, ANOSIM)對于不同營養(yǎng)水平以及不同干擾處理之間群落結構差異進行檢驗。借助R統(tǒng)計軟件中的“VennDiagram”包計算兩個營養(yǎng)水平下群落的特有物種和共有物種,并繪制韋恩圖。

1.5.2 統(tǒng)計分析 借助R統(tǒng)計軟件(http://www.r-project.org)中的“l(fā)merTest”包分別對不同營養(yǎng)水平下干擾強度對于細胞密度的作用進行混合線性模型的構建,其中設置干擾處理為確定效應(fixed effect),采樣時間點為隨機效應(random effect),并對參數(shù)進行估計。在分析不同處理(營養(yǎng)水平和干擾強度)對于穩(wěn)定性的影響時,恢復力和時間穩(wěn)定性在不同處理之間的方差并不一致,因此統(tǒng)一選用Scheirer-Ray-Hare檢驗進行非參數(shù)的雙因素方差檢驗[43],借助R統(tǒng)計軟件中的“rcompanion”包實現(xiàn)該檢驗。

除了特殊說明以外,本文所有圖片均由R統(tǒng)計軟件中的“ggplot2”和“ggpubr”包進行繪制。

2 結果

2.1 不同營養(yǎng)水平群落差異

經(jīng)過8 d的預培養(yǎng)后,高營養(yǎng)水平組中的溶解性有機碳((7.7±1.04) mg/L)顯著高于低營養(yǎng)水平組((4.89±0.53) mg/L)(P=0.014)。營養(yǎng)水平影響了浮游細菌群落細胞密度:在對照處理下高營養(yǎng)水平下的浮游細菌群落的細胞密度要高于低營養(yǎng)水平群落(圖2a;P< 0.001)。因此,高營養(yǎng)水平通過更高的可利用物質,維持了更高的浮游細菌細胞密度。

圖2 不同處理下浮游細菌群落的(a)細胞密度、(b)物種豐富度和(c)特有物種和共有物種Fig.2 The (a) cell density, (b) species richness, and (c) unique and sharing species of bacterioplankton community under different treatments

在多樣性方面,對照處理下的高營養(yǎng)水平群落和低營養(yǎng)水平群落有著相近的物種豐富度(圖2b;P=0.21)。高營養(yǎng)水平群落和低營養(yǎng)水平群落在所有處理下的γ多樣性也相近(圖2c)。總體來說,使用稀釋的方法避免營養(yǎng)水平增加導致的物種豐富度降低,因此排除了營養(yǎng)水平通過物種豐富度變化影響群落的穩(wěn)定性。同時,營養(yǎng)水平顯著地改變群落結構(ANOSIM:P<0.001)。高營養(yǎng)水平群落中γ變形菌綱(Gammaproteobacteria)的相對豐度更高,而低營養(yǎng)水平群落中疣微菌門(Verrucomicrobia)、放線菌門(Actinobacteria)和浮霉菌門(Planctomycetes)的相對豐度更高(圖3a)。

圖3 不同鹽度干擾和營養(yǎng)水平下浮游細菌群落結構和優(yōu)勢屬隨時間變化(其中(a)包含箭頭的折線表示群落結構隨時間變化的路徑)Fig.3 Changes of community structure composition and dominant genus of bacterioplankton with time under different salinity disturbance intensities and nutrient levels((a)The broken line containing an arrow represents the path of community structure dynamic over time)

2.2 不同營養(yǎng)水平下細胞密度和碳利用能力對響應干擾差異

干擾添加后,處理組的浮游細菌群落細胞密度相對于對照組顯著降低(圖4a),由此可見浮游細菌群落對鹽度干擾敏感。在干擾后,隨時間增加部分群落的細胞密度恢復到了對照組水平(與對照組無顯著差異),而部分群落在實驗結束時仍沒有恢復(圖4a)。借助混合線性模型發(fā)現(xiàn),無論是高營養(yǎng)水平群落還是低營養(yǎng)水平群落,9‰鹽度干擾比3‰造成了更大的細胞密度損失(高營養(yǎng)水平:P<0.001;低營養(yǎng)水平:P=0.046)。低營養(yǎng)水平群落在9‰鹽度干擾下的細胞密度損失在干擾后0～4 d要小于3‰,反映了群落動態(tài)的復雜性。與干擾后細胞密度降低相對應,可以發(fā)現(xiàn)在處理組中溶解性有機碳相對于對照處理組在干擾后迅速增加,隨著干擾后時間的增加而降低。

圖4 干擾前后不同時間(a)浮游細菌群落細胞密度(平均值±標準差)和(b)水體中溶解性有機碳相對于同一時間對照組的變化(基于對數(shù)效應值)Fig.4 The change of (a) cell density of bacterioplankton community (mean±standard deviation) and (b) dissolved organic carbon in water samples relative to the control group on the same census before and after disturbance (based on log-response ratio)

2.3 不同營養(yǎng)水平下群落多樣性對干擾的響應

無論是高營養(yǎng)水平和低營養(yǎng)水平群落中,不同強度的干擾均造成了浮游細菌群落物種豐富度的降低(圖2b;圖5a)。由此可以推測部分浮游細菌并不能夠適應升高的鹽度環(huán)境。浮游細菌群落結構在不同干擾下相對于對照組均發(fā)生了顯著的變化(ANOSIM:P<0.001;圖3)。沿著干擾后時間,干擾組和對照組之間的浮游細菌群落結構Bray-Curtis不相似度增加,即群落結構沒有表現(xiàn)出恢復(圖5b)。

圖5 浮游細菌群落物種豐富度(基于對數(shù)效應值)和群落結構(基于Bray-Curtis不相似度)相對于同一時間對照組的變化Fig.5 The species richness change (based on log-response ratio) and community structure shift (Bray-Curtis dissimilarity) of bacterioplankton communities relative to the control group on the same census

浮游細菌群落中,不同主要門或綱對于干擾的響應并不一致(圖6):γ變形菌綱的相對豐度在干擾后普遍增加;擬桿菌門(Bacteroidetes)、浮霉菌門和疣微菌門的相對豐度在干擾后普遍下降。部分細菌門類對于在不同營養(yǎng)水平和干擾強度下,響應不一致:β變形菌綱(Betaproteobacteria)的相對豐度在低營養(yǎng)水平群落中增加,但是在高營養(yǎng)水平群落中下降;α變形菌綱(Alphaproteobacteria)的相對豐度僅在9‰鹽度干擾下的高營養(yǎng)水平群落中增加;而放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度僅在9‰鹽度干擾下的低營養(yǎng)水平群落中維持一個較高的水平。相似的,在屬水平上,不同類群也表現(xiàn)出不同的響應(圖3b)。其中,Pseudomonas、Methyloversatilis、Limnobacter和Sphingobium等屬的豐度在鹽度干擾后增加;Pelomonas屬的豐度在鹽度干擾后減少(圖3b)。

圖6 浮游細菌群落中優(yōu)勢門和綱相對豐度相對于同一時間對照組的變化(基于自然對數(shù)效應值)(變形菌門拆分成α-、β-和γ-變形菌綱)Fig.6 The change (based on log-response ratio) of relative abundance for abundant phyla/classes relative in bacterioplankton communities to control group on the same census (The phylum Proteobacteria is separated into α-, β- and γ-Proteobacteria)

2.4 不同處理下群落的穩(wěn)定性

基于對照組和處理組之間細胞密度差異,計算了反應力、抵抗力、恢復力和時間穩(wěn)定性描述浮游細菌群落在鹽度干擾下不同過程的穩(wěn)定性,其中4個穩(wěn)定性數(shù)值越大,表示穩(wěn)定性越高。高營養(yǎng)水平群落在9‰鹽度干擾下穩(wěn)定性最低(圖7)。其中,除了抵抗力和恢復力之間斯皮爾曼相關性不顯著以外,穩(wěn)定性的不同指標均表現(xiàn)出了較高的相關性(表1)。而抵抗力和恢復力相關性不顯著意味著兩者代表了穩(wěn)定性相對獨立的維度,高的抵抗力不代表著高的恢復力;因此兩者在反映穩(wěn)定性具有一定的代表性。

表1 不同功能穩(wěn)定性指標之間的斯皮爾曼相關性Tab.1 The spearman’s correlation among different functional stability index

圖7 不同營養(yǎng)水平和干擾強度下浮游細菌群落基于細胞密度計算的反應力、抵抗力、恢復力和時間穩(wěn)定性(其中空心點表示實測值,實心點表示平均值。誤差棒表示標準差)Fig.7 Reactivity, resistance, resilience and temporal stability based on cell density under different nutrient level and disturbance strength (The open circles represent measured value and the closed circles represent mean value; The error-bars represent the standard deviation)

使用Scheirer-Ray-Hare對穩(wěn)定性進行雙因素方差非參數(shù)檢驗,結果表明干擾強度顯著改變了抵抗力(表2),更高的干擾強度顯著降低了抵抗力(圖7b)。干擾強度和營養(yǎng)水平對反應力、恢復力和時間穩(wěn)定性存在顯著的交互作用;在9‰鹽度干擾下,高營養(yǎng)水平群落的反應力、恢復力和時間穩(wěn)定性取到所有水平的最低值(圖7b～d)。

表2 干擾強度和營養(yǎng)水平對不同穩(wěn)定性指標的雙因素方差分析的Scheirer-Ray-Hare檢驗Tab.2 The Scheirer-Ray-Hare test for two-way ANOVA of disturbance intensity and nutrient level for different stability metrics

3 討論

3.1 干擾后的群落細胞密度和結構的變化

0.05。 在所有干擾處理下,浮游細菌群落的動態(tài)變化存在一定的共性,這可能與群落的穩(wěn)定性機制相關。具體來說,鹽度干擾降低了群落細胞密度(圖4a),在群落結構方面也發(fā)現(xiàn)物種豐富度的損失(圖5a)。可以推測部分物種對鹽度敏感,在干擾后死亡,進而導致整體細胞密度下降。而這些死亡的生物體裂解后將細胞內含物釋放出來,可能為后續(xù)細胞生長提供底物[44]。這與我們觀察到干擾組中溶解性有機碳相對于對照組快速增加一致(圖4b)。值得注意的是,在高營養(yǎng)水平組,溶解性有機質的可能來源除了死亡微生物釋放的細胞內含物以外,還可能通過顆粒物分解產(chǎn)生。在鹽度干擾后,微生物群落細胞密度的降低,可能導致對顆粒物分解產(chǎn)生的溶解性有機質的利用能力降低[17],進而使得溶解性有機質的積累?？傮w而言,干擾無論是導致敏感物種的死亡,還是抑制現(xiàn)有生物的活性,都增加了可利用的有機質,都為后續(xù)恢復過程中微生物的生長提供底物。

在群落結構方面,浮游細菌中擬桿菌門、浮霉菌門和疣微菌門等類群的相對豐度在不同處理下都相對于對照組降低,反映這些類群不適應鹽度升高后的環(huán)境。這主要是因為鹽度對物種有較強的篩選作用[17,45-46]。僅有γ變形菌綱的相對豐度在不同營養(yǎng)水平下和干擾強度下均表現(xiàn)為增加。一些將鹽度作為干擾的研究也報道,鹽度干擾導致γ變形菌綱在干擾后增加[19-20,22]。一般來說,相對于其他淡水優(yōu)勢細菌門類,γ變形菌綱能更加適應高鹽度環(huán)境,甚至更加偏好高鹽度環(huán)境[47];在高鹽環(huán)境中,比如在鹽湖和海洋中,γ變形菌綱比淡水湖泊中有著更高的相對豐度[47-48]。同時,γ變形菌綱也往往認為是富營養(yǎng)型菌,偏好富營養(yǎng)條件[47]。本研究也發(fā)現(xiàn)高營養(yǎng)水平群落比低營養(yǎng)水平群落有著更高比例的γ變形菌綱(圖6)。因此,推測γ變形菌綱的增加不僅與鹽度的增加有關,而且可能與干擾后增加的溶解性有機碳密切相關。

總體來說,浮游細菌群落結構和功能的結果共同反映了鹽度干擾后補償過程:適應干擾后環(huán)境的鹽度耐受物種,通過占據(jù)鹽度敏感物種干擾騰出的生態(tài)位,甚至利用死亡微生物釋放的有機物,從而促進群落生物量的恢復。而這一結果與前人的結果一致[49-50]。Fl?der等發(fā)現(xiàn),在改變鹽度以后,生長快速的浮游植物種類占優(yōu)勢從而促進浮游植物群落恢復[49]。Steiner等發(fā)現(xiàn),通過稀釋降低水體多營養(yǎng)級群落生物量后,浮游植物的快速生長,促進群落水平上生物量的恢復[50]。

3.2 干擾強度和營養(yǎng)水平影響群落穩(wěn)定性

本研究發(fā)現(xiàn),干擾強度越高,群落細胞密度的損失越大(圖4a)。這一結果與前人的研究結果相一致,例如Berga等研究鹽度干擾強度和群落響應關系時,發(fā)現(xiàn)隨著鹽度干擾強度增加,浮游細菌群落的細胞密度、同化速率的損失也在增大[20,35]。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)干擾強度越高群落的抵抗力越低(圖7;表2)。抵抗力越高(越接近于0),表示群落抵抗干擾并使自身在干擾下保持不變的能力越強[2];而抵抗力越低(越遠離0),表示群落對干擾的敏感性越低。其中,高鹽度干擾下低的抵抗力表示群落對強干擾更加敏感。

本研究發(fā)現(xiàn),與抵抗力不同,反應力沒有隨著干擾強度的增加而降低,雖然兩者都反映了群落對于干擾的敏感性[28]且表現(xiàn)出顯著的正相關(表1)。反應力表示群落放大干擾的能力,這與群落中物種適應環(huán)境變化的速度有關[30]。反應力越高(越接近于0),表示群落放大干擾的能力越弱,即群落越能夠快速地適應干擾后的環(huán)境。在9‰鹽度干擾下,低營養(yǎng)水平浮游細菌群落表現(xiàn)出了較高的反應力,這與其抵抗力的表現(xiàn)差異最大。這可能與部分微生物形成休眠體等手段避開干擾有關[51];在9‰鹽度干擾下,低營養(yǎng)水平群落維持著相對較高比例的放線菌門(圖6),而放線菌可以形成孢子以避開不良環(huán)境[47]。這樣一種干擾響應機制,可以延后群落的恢復過程,導致較低的反應力[30]。遺憾的是,以往的研究常常忽略了群落放大干擾的能力,比如Hillebrand等抵抗力定義為第一個時間點時處理組相對于對照組的變化[27],而與本研究的定義并不完全相同。在本研究中,干擾后最大變化往往不是干擾后的第一個時間點(干擾后6 h),一般在干擾后4～10 d才達到最大變化。反應力的研究可以為我們理解生物群落抵抗外界干擾提供新視角。

在3‰鹽度干擾下,所有群落的細胞密度都在觀測結束之前恢復到了對照組水平(落入到對照組置信區(qū)間內),并且在高營養(yǎng)水平群落表現(xiàn)出較高的恢復力?；謴土Ρ硎救郝湓诟蓴_后恢復到原狀的能力,在本研究主要指處理組恢復到對照組水平的快慢?；謴土υ酱?表示群落恢復到原先狀態(tài)的能力越強,從而維持其正常的功能[32]。類似地,在植物群落的研究中也有發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)水平的增加促進了群落生物量的恢復,并且往往通過快速生長的物種占優(yōu)勢實現(xiàn)的[52-53]。而高營養(yǎng)水平群落有著更高比例的富營養(yǎng)型菌,如本研究中的γ變形菌綱,可以促進群落的恢復[32]。相反,9‰鹽度干擾下,部分低營養(yǎng)水平群落和所有高營養(yǎng)水平群落沒有恢復到干擾前的水平。這可能是因為升高的鹽度環(huán)境進一步增加細胞代謝成本,降低了生長效率[17]。而富營養(yǎng)型菌在干擾后占優(yōu)勢,一方面促進了細胞密度的恢復;另一方面,在資源有限的情況下也可能會限制群落的恢復,因為它們的生長往往是低效的,通過消耗大量底物用于自身生長[54]。比如,高營養(yǎng)水平群落在9‰鹽度干擾后2～8天中觀察到了細菌密度的快速但不完全的恢復(圖4a),這可能就是富營養(yǎng)型菌低效但快速增長的結果[55]。相對來說,低營養(yǎng)水平群落在9‰鹽度干擾后,細胞快速增長的時間相對于高營養(yǎng)水平晚,對于溶解性有機質的消耗較少,最終部分低營養(yǎng)水平群落恢復到了干擾前的水平?？傮w來說,營養(yǎng)水平在3‰和9‰鹽度干擾下對于恢復力表現(xiàn)出了不同的作用。

時間穩(wěn)定性反應了群落在一定時間跨度上的變異程度[27]。時間穩(wěn)定性越高,表示群落越能夠緩沖環(huán)境的變化。在本研究中,時間穩(wěn)定性與恢復力表現(xiàn)出顯著正相關性,即更加快速的恢復越接近于線性的(殘差較小)。而時間穩(wěn)定性和恢復力,往往較少有顯著相關的結果[27-28]。我們觀察到顯著的正相關可能是因為補償效應造成了快速的恢復:完全且快速的恢復過程實現(xiàn)高恢復力的同時表現(xiàn)出較好的線性,即高的時間穩(wěn)定性;而不完全但快速的恢復并不會展現(xiàn)出高的恢復力,并且時間穩(wěn)定性較低。

值得注意的是,我們發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)水平和干擾強度對反應力、恢復力和時間穩(wěn)定性上存在顯著的相互作用——高營養(yǎng)水平群落在9‰鹽度干擾強度下表現(xiàn)出最低的穩(wěn)定性。同時,在群落結構變化方面,營養(yǎng)水平和干擾強度也存在相互作用——僅高營養(yǎng)水平群落中,9‰鹽度干擾下的群落結構變化高于3‰鹽度干擾。我們推測,這可能是營養(yǎng)水平的增加重塑了浮游細菌群落結構,尤其是優(yōu)勢類群,導致群落對9‰鹽度干擾呈較低的抵抗力[10,52]。比如,高營養(yǎng)水平群落面對鹽度干擾的α多樣性損失要高于低營養(yǎng)水平(圖5a);低營養(yǎng)水平群落中β變形菌綱優(yōu)勢類群是Methyloversatilis屬,而Methyloversatilis屬在鹽度干擾后增加(圖3b);而高營養(yǎng)水平群落中β變形菌優(yōu)勢類群是Pelomonas屬,而Pelomonas屬在鹽度干擾后減少(圖3b)。此外,放線菌門可能通過形成孢子從而躲避劇烈的鹽度干擾[51],以維持細胞密度的穩(wěn)定,但是營養(yǎng)水平的增加導致了放線菌門相對豐度的減少(圖3a)。在9‰鹽度干擾下高營養(yǎng)水平群落非常低的抵抗力(將近90%的細胞死亡)和有限的營養(yǎng)來源最終限制浮游細菌群落恢復到干擾前的水平,進而表現(xiàn)為較低的恢復力和時間穩(wěn)定性。

另一方面,鹽度對于群落結構的影響明顯小于營養(yǎng)水平(圖3a),這也是導致干擾強度對群落結構的影響并不顯著。在生物地理格局上,鹽度往往被認為是影響湖泊浮游細菌群落的最主要因素[8,15-16],因此鹽度干擾對于群落結構的作用應該強于營養(yǎng)水平。造成這一現(xiàn)象的原因有以下兩種可能:(1)本研究所用的浮游細菌群落來源沒有鹽度干擾歷史。有相似干擾歷史的群落能夠為新干擾提供更多潛在適應類群,促進群落結構對干擾的響應[2,56]。(2)實驗體系是一個封閉體系,與外界沒有微生物的交流。從其他擴散源招募耐鹽物種也可以幫助鹽度改變的群落適應高鹽環(huán)境,并且促進群落結構變化[22]。這兩個原因均導致環(huán)境當中更加適應高鹽環(huán)境的物種無法進入到體系當中,僅能從體系中已有物種中選擇耐鹽物種,大大減少了群落結構的變化,導致鹽度干擾帶來的變化小于營養(yǎng)水平。

在全球變化背景下,尤其是增溫增強了水分蒸發(fā)和人類活動用水減少了淡水補給,內陸湖泊面臨著鹽度增加的風險[18]。野外調查的研究報道干旱/半干旱區(qū)域的內陸湖泊中高營養(yǎng)水平和高鹽度水平往往同時發(fā)生,即高鹽湖泊往往也有更高的營養(yǎng)水平[8,57-59]。這可能是因為湖泊中水分蒸發(fā)的同時,未將水體中的營養(yǎng)元素帶走,溶質濃度增加,導致鹽度增加的同時也使得營養(yǎng)富集。本研究表明,高鹽度和高營養(yǎng)水平下,浮游細菌群落結構變化最大,并且穩(wěn)定性最低。類似地,Tang等也在野外調查中發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)水平的增加進一步加劇了鹽度對于浮游細菌群落多樣性的作用[8]。總體來說,蒸發(fā)導致的鹽度增加伴隨著營養(yǎng)富集,會進一步加劇浮游細菌群落結構的變化和穩(wěn)定性的降低,進而威脅浮游細菌群落執(zhí)行正常功能;在此基礎上,湖泊生態(tài)系統(tǒng)可能會變得更加脆弱。

4 結論

1)在細胞密度方面,不同處理下浮游細菌群落面對鹽度干擾表現(xiàn)為敏感,其中部分群落在干擾后恢復到對照水平;在結構方面,鹽度導致浮游細菌群落物種豐富度降低,部分敏感門類相對豐度降低,而部分適應干擾后環(huán)境的物種在干擾后占優(yōu)勢,導致群落結構發(fā)生顯著變化。

2)補償效應在鹽度干擾下是維持浮游細菌群落穩(wěn)定的重要機制:鹽度干擾降低了細胞密度,增加水體中可利用的有機物,促進了適應干擾后環(huán)境的物種生長,從而實現(xiàn)群落細胞密度上的恢復。

3)更高的干擾強度顯著降低群落細胞密度,降低抵抗力并且影響群落的恢復。而營養(yǎng)水平和干擾強度交互作用共同影響了群落結構的響應和穩(wěn)定性,這主要是因素營養(yǎng)水平重塑了優(yōu)勢類群進而影響了群落對強鹽度干擾的穩(wěn)定性。我們觀察到高營養(yǎng)水平和強鹽度干擾下群落穩(wěn)定性最低,這意味著內陸湖泊在鹽度增加過程中伴隨著的營養(yǎng)富集會進一步導致群落變得更加脆弱。

4)多數(shù)穩(wěn)定性指標之間表現(xiàn)出顯著的正相關,可以協(xié)同指示浮游細菌群落的穩(wěn)定性;抵抗力和恢復力之間并不顯著相關,反映這兩個指標可以從不同角度反映群落穩(wěn)定性;多個穩(wěn)定性指標的應用和高頻次觀測有助于了解浮游細菌群落對干擾的響應與穩(wěn)定性機制。

5 附錄

附件1見電子版(DOI: 10.18307/2024.0234)。