史玉嬌,李文寶,2*,郭 鑫(.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,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008；2.黃河流域內(nèi)蒙段水資源與水環(huán)境綜合治理協(xié)同創(chuàng)新中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 0008)

細(xì)菌作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,廣泛存在于水體和土壤中[1].它們參與物質(zhì)和能量循環(huán),在生物多樣性演替過(guò)程中起著關(guān)鍵作用,且不同屬種細(xì)菌相對(duì)豐度及群落生態(tài)功能特征的變化是水文循環(huán)、水質(zhì)變化、生態(tài)系統(tǒng)演化及不同介質(zhì)交互過(guò)程的重要響應(yīng)指標(biāo)之一[2].通常,河流中的細(xì)菌會(huì)隨著水流的運(yùn)動(dòng)而向其他區(qū)域擴(kuò)散,從而重塑河流生態(tài)系統(tǒng)中微生態(tài)結(jié)構(gòu),而土壤和沉積物中的細(xì)菌則通過(guò)與水體之間的交互作用或同化等生物活動(dòng)來(lái)響應(yīng)水文循環(huán)過(guò)程發(fā)生的改變[3].作為具有顯著不同理化性質(zhì)的介質(zhì),水-土中微生物類(lèi)型差異明顯.例如尤本勝等人主要分析了太湖水-土生境中細(xì)菌群落組成和結(jié)構(gòu)的差異[4],王丹丹等[5]主要對(duì)青藏高原中東部湖泊水-土生境中細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程的差異進(jìn)行了探究.

黃河內(nèi)蒙段地處河套灌區(qū),屬農(nóng)牧交錯(cuò)帶[6-7],由于其特殊的地理位置,河流在12 月上旬封河和翌年3 月中下旬解凍開(kāi)河.伴隨河冰消融,河水動(dòng)力條件也隨之改變[8].與未解封的河流相比,解封后水體流速的加快使凹岸受到較強(qiáng)的沖刷作用,而凸岸則存在更多的沉淀物,進(jìn)而改變河岸水、土介質(zhì)的交互模式,對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.目前,關(guān)于黃河水體、土壤和沉積物中細(xì)菌群落的研究,已經(jīng)取得了豐碩的研究成果.例如有研究者探索了黃河水體和土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及演替規(guī)律[6-7],但是整體上從微生態(tài)的角度對(duì)黃河內(nèi)蒙段開(kāi)河期凹凸岸水體及土壤中微生物異同性及交互模式的研究相對(duì)薄弱,尤其是細(xì)菌群落的空間關(guān)聯(lián)性及關(guān)鍵物種的厘定還不夠清晰.

本文選取黃河內(nèi)蒙段開(kāi)河初期(4 月中旬),在受流速影響差異明顯的凹、凸岸分別開(kāi)展水、土樣品的取樣,利用高通量測(cè)序技術(shù),分析了菌門(mén)及菌屬水平上黃河內(nèi)蒙段凹、凸岸水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落組成特征,結(jié)合空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析,對(duì)水、土中的共有、獨(dú)有及顯著差異物種進(jìn)行了篩選,同時(shí)厘定維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的關(guān)鍵物種,旨在闡明水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化和生態(tài)過(guò)程對(duì)于維持黃河內(nèi)蒙段開(kāi)河期生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和穩(wěn)定性的意義,為以細(xì)菌群落為指示生物進(jìn)行河流生態(tài)評(píng)價(jià)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古黃河流域位于自治區(qū)中西部,自寧夏石嘴山入境到準(zhǔn)格爾旗出境,河長(zhǎng)約843.5km.由于受到中溫帶大陸性季風(fēng)氣候的控制,黃河內(nèi)蒙段呈現(xiàn)出區(qū)域降水量小、蒸發(fā)量大的特點(diǎn).根據(jù)氣象資料顯示,黃河內(nèi)蒙段氣溫呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律,多年平均氣溫約為9℃,降水量150～450mm/a,且多集中于7～9 月份,多年平均蒸發(fā)量為2611.68mm/a,最高值出現(xiàn)在5～8 月.河流大約于每年11 月份開(kāi)始流凌,翌年1月份冰封全部完成,而3月中下旬開(kāi)始開(kāi)河.由于其特殊的地理位置,它不僅是當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)退水的重要排泄通道,也是周邊城市工業(yè)和生活用水的水源地[9-11].因此,本文選取黃河內(nèi)蒙段的托克托縣段為對(duì)象,該段河流上游與重工業(yè)城市包頭市銜接,下游與萬(wàn)家寨水庫(kù)相連,在區(qū)域生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面起著關(guān)鍵作用(圖1).

圖1 黃河內(nèi)蒙段位置和采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Yellow River Inner Mongolia section location and sampling point distribution schematic

1.2 樣品采集

黃河內(nèi)蒙古托克托縣段地處上中游分界點(diǎn),河身迂回曲折.特別是河流解封初期,水流速度的加快會(huì)使凹岸土壤被沖刷,而河流彎曲處水流速度減慢,使凸岸土壤沉淀下來(lái).因此根據(jù)河道特征,共布設(shè)6個(gè)取樣點(diǎn)(土壤樣品為河漫灘土樣),由西到東,水樣依次命名為S-1、S-2、S-3、S-4、S-5 和S-6,土樣依次命名為T(mén)-1、T-2、T-3 和T-4(圖1),于2021年4 月中旬完成水樣和土樣的采集工作.收集樣品方法:利用取土鉆和取水器分別對(duì)土樣和水樣進(jìn)行采集,土樣直接裝入凍存管并放入干冰桶中,水樣采集完成后裝入1L 聚乙烯瓶中,并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)濾.其中,水樣首先通過(guò)5μm 的水濾膜進(jìn)行過(guò)濾[12],再將5μm 過(guò)濾后的水樣經(jīng)過(guò)0.22μm 的水濾膜進(jìn)行過(guò)濾來(lái)收集浮游細(xì)菌,將過(guò)濾得到濾膜立即放入干冰桶中,用于后續(xù)DNA 提取和PCR 擴(kuò)增[13].

1.3 DNA 抽提和PCR 擴(kuò)增

根據(jù)E.Z.N.A.? soil DNA kit(Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行微生物群落總DNA抽提.首先使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的提取質(zhì)量,再使用338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)對(duì)16S rRNA 基因V3-V4 可變區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增,擴(kuò)增程序如下:95℃預(yù)變性3min,27 個(gè)循環(huán)(95℃變性30s,55℃退火30s,72℃延伸30s),然后72℃穩(wěn)定延伸10min,最后在4℃進(jìn)行保存.

1.4 測(cè)序及數(shù)據(jù)處理

利用 2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),并用Quantus? Fluorometer(Promega,USA)對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量,同時(shí)使用NEXTFLEX Rapid DNASeq Kit 進(jìn)行建庫(kù),得到原始數(shù)據(jù).進(jìn)一步使用fastp 和FLASH 對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控和拼接[14-15],過(guò)濾掉reads 尾部質(zhì)量值低于20 的堿基,并根據(jù)PE reads之間的overlap 關(guān)系,將成對(duì)reads 拼接成一條序列,并根據(jù)序列首尾兩端的barcode 來(lái)調(diào)整序列方向,最終使用UPARSE 和RDP classifier 軟件對(duì)OTU 和每條序列進(jìn)行聚類(lèi)以及物種分類(lèi)注釋[16-17],比對(duì)Silva 16S rRNA 數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)置比對(duì)閾值為70%.

對(duì)OTU 進(jìn)行優(yōu)化聚類(lèi)處理后,利用mothur 計(jì)算Ace 指數(shù)、Shannoneven 指數(shù)和Shannon 指數(shù);利用R 語(yǔ)言進(jìn)行群落組成、PCoA 和LefSe 分析;利用Cytoscape 繪制水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落在菌屬水平的網(wǎng)絡(luò)共現(xiàn)性;利用Gephi 繪制水、土樣細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).

2 結(jié)果與分析

2.1 水、土中細(xì)菌群落α 多樣性對(duì)比

為了解黃河內(nèi)蒙段細(xì)菌群落在水、土中的組成,對(duì)序列進(jìn)行質(zhì)控和篩選后,共獲得1155457 條序列,OTU 水平上水樣及土樣細(xì)菌群落覆蓋度均達(dá)到95%以上(水樣均值約為 99.77%,土樣均值約為97.07%),表明本次實(shí)驗(yàn)可以反映細(xì)菌群落的真實(shí)情況(圖2),同時(shí)在97%的相似水平下對(duì)序列進(jìn)行聚類(lèi)[16],計(jì)算α 多樣性中反映群落豐富度的Ace 指數(shù)、均勻度的Shannoneven 指數(shù)和多樣性的Shannon 指數(shù)[18-19],分析了水、土中細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)特征.

圖2 水、土樣中細(xì)菌群落α 多樣性指數(shù)Fig.2 Bacterial community alpha diversity index in water and soil

結(jié)合α 多樣性分析發(fā)現(xiàn),在水樣中,反應(yīng)細(xì)菌群落豐富度的平均Ace 和Shannoneven 豐度指數(shù)分別為1690 和0.806,在土樣中則為5699.5 和0.807,且水樣中群落豐富度均顯著低于土樣(P<0.01);水樣中Shannon 指數(shù)的均值為5.804,同樣低于土樣(6.728),同時(shí)二者多樣性存在顯著的組間差異,這表明土樣細(xì)菌群落多樣性較水樣更加豐富(圖2).進(jìn)一步,不同樣本類(lèi)型取樣點(diǎn)指數(shù)的空間變化幅度也并不一致,水樣各取樣點(diǎn)的 Ace 指數(shù)(641.77～4067.39)、Shannoneven 指數(shù)(0.76～0.87)及Shannon 指數(shù)(5.35～6.63)空間變化幅度要高于土樣中的 Ace 指數(shù)(4300.85～6295.96)、Shannoneven 指數(shù)(0.78～0.85)及Shannon 指數(shù)(6.56～7.14).因此,黃河內(nèi)蒙段水樣中細(xì)菌群落空間分布差異性較土樣中更高(圖2).

2.2 水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異

細(xì)菌作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,驅(qū)動(dòng)和響應(yīng)元素的形態(tài)轉(zhuǎn)換,參與地球化學(xué)循環(huán),其細(xì)菌門(mén)類(lèi)的組成及相對(duì)豐度可以作為指示環(huán)境的指標(biāo)[20].為探究黃河內(nèi)蒙段水-土介質(zhì)中細(xì)菌群落在門(mén)及屬水平上的組成情況,在分析對(duì)比細(xì)菌α 多樣性的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索了細(xì)菌群落相對(duì)豐度的變化(將平均相對(duì)豐度小于1%的統(tǒng)稱(chēng)為others).

在門(mén)水平上,雖然Proteobacteria(變形菌門(mén))、Actinobacteria(放線(xiàn)菌門(mén))、Bacteroidetes(擬桿菌門(mén))、Chloroflexi(綠彎菌門(mén))、Acidobacteriota(酸桿菌門(mén))、Cyanobacteria(藍(lán)細(xì)菌門(mén))和Firmicutes(厚壁菌門(mén))等是水中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)(圖3(a)),但各優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度存在顯著差異.其中變形菌門(mén)的相對(duì)豐度在水體中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),約為29.63%～43.51%,高于放線(xiàn)菌門(mén)(19.32%～27.67%)和擬桿菌門(mén)(7.47%～12.59%)在水體中的比例.特別地,凹岸取樣點(diǎn)(S-1和S-2)中變形菌門(mén)的相對(duì)豐度明顯低于凸岸取樣點(diǎn)(S-4 和S-5),而擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度在凹岸要高于凸岸.在土樣中,最優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)為變形菌門(mén),相對(duì)豐度約為16.26%～34.52%,在T-1 和T-3 取樣點(diǎn)中的相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于其他取樣點(diǎn);其次分別為酸桿菌門(mén)(8.91%～22.32%)和綠彎菌門(mén)(9.42%～18.92%),二者的相對(duì)豐度差異并不明顯(圖3(a),(b)).

圖3 水、土樣中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Comparison in bacterial community structure between water and soil

在屬水平上,水樣和土樣中優(yōu)勢(shì)菌屬結(jié)構(gòu)差異顯著.如hgcI_clade(歸屬于放線(xiàn)菌門(mén))在水樣中的相對(duì)豐度最高(約為6.19%～12.75%),遠(yuǎn)高于CL500-29_marine_group(歸屬于酸桿菌門(mén),約為 2.97%～5.05%)和 Acinetobacter(歸屬于變形菌門(mén),約為0.74%～12.24%)的相對(duì)豐度(圖3(c)).在土樣中,優(yōu)勢(shì)菌屬主要包括 norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96(歸屬于綠彎菌門(mén))、norank_f__norank_o__Vicinamibacterales(歸屬于酸桿菌門(mén))和norank_f__Gemmatimonadaceae(歸屬于Gemmatimonadota(芽單胞菌門(mén))),其相對(duì)豐度約為 1.95%～4.91%、2.35%～4.67%和2.20%～4.73%(圖3d).相較于其他取樣點(diǎn),上述3類(lèi)優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度均在T-2取樣點(diǎn)中最高.

2.3 細(xì)菌群落共現(xiàn)性及差異物種分析

采用PCoA 分析對(duì)水樣與土樣各采樣點(diǎn)浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行聚類(lèi),探索了不同生境分組樣本間群落組成的差異性,結(jié)果如圖4(a).黃河內(nèi)蒙段細(xì)菌群落共有90.69%被解釋,其中PCoA1 軸的解釋度為81.68%,PCoA2 軸的解釋度為9.01%.不同樣本中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分布情況呈現(xiàn)明顯的分離模式,土樣中細(xì)菌群落的分布較水體中更為分散.同時(shí),ANOSIM統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步顯示了水、土樣中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)之間的差異性(r=0.845,P=0.003).

圖4 水、土樣中細(xì)菌群落空間分布及共現(xiàn)性分析Fig.4 Spatial distribution and co-occurrence analysis of bacterial communities in water and soil

為分析水-土細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征,對(duì)二者的優(yōu)勢(shì)菌屬進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,從共存關(guān)系角度上對(duì)不同介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異進(jìn)行了探討[21].相對(duì)豐度超過(guò)500 的細(xì)菌菌屬在水-土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中共得到62個(gè),其中水樣獨(dú)有的菌屬為25 個(gè),土樣獨(dú)有的菌屬為23 個(gè),水-土樣品共有的菌屬為14 個(gè)(圖4(b)).水、土樣共有的菌屬主要?dú)w屬于6 大細(xì)菌門(mén)類(lèi),其中歸屬于變形菌門(mén)的菌屬數(shù)量最豐富,主要包括Polaromonas、Rhodoferax 和Pseudomonas,歸屬于放線(xiàn)菌門(mén)的菌屬數(shù)量次之,主要包括Arthrobacter 和Gaiella. 對(duì)于其他優(yōu)勢(shì)菌屬如 norank_f__Vicinamibacteraceae 歸 屬 于 酸 桿 菌 門(mén) 、Flavobacterium 歸屬于擬桿菌門(mén)等.通過(guò)分析共有屬的相對(duì)豐度信息得知,在水、土樣品共有的菌屬中,unclassified_f__Comamonadaceae(歸屬于變形菌門(mén))是第一大優(yōu)勢(shì)菌屬,主要存在于水樣中.相反,Gaiella 和norank_f__norank_o__ Actinomarinales(歸屬于放線(xiàn)菌門(mén))在共有菌屬中相對(duì)豐度最低,且主要存在于土樣中.

為尋找水樣與土樣中具有顯著差異性的物種,利用LEfSe 分析,設(shè)置線(xiàn)性回歸LDA 指數(shù)為4.0,估算出每個(gè)物種的相對(duì)豐度對(duì)不同類(lèi)型樣本差異性影響的程度.水樣與土樣中具有顯著差異性的物種包括7 個(gè)門(mén),9 個(gè)綱,10 個(gè)目,13 個(gè)科,13 個(gè)屬.在門(mén)水平上,放線(xiàn)菌門(mén)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、MBNT15、芽單胞菌門(mén)和綠彎菌門(mén)是水樣和土樣中的顯著差異物種,其中放線(xiàn)菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌門(mén)在水樣中的相對(duì)豐度顯著高于土樣,而酸桿菌門(mén)、MBNT15、芽單胞菌門(mén)和綠彎菌門(mén)在土樣中的相對(duì)豐度顯著高于水樣;在屬水平上, CL500- 29_marine_group 、hgcI_clade 和norank_f__ Sporichthyaceae 等在水樣中的相對(duì)豐度顯著高于土樣, 而 norank_f__norank_o__Vicinamibacterales 和 norank_f__Gemmatimonadaceae 等在土樣中的相對(duì)豐度顯著高于水樣(圖5(a)).判別結(jié)果顯示水樣中hgcI_clade 和CL500-29_marine_group、以及土樣中 norank_f__norank_o__Vicinamibacterales 和 norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96 的LDA 指數(shù)較高,這表明上述菌屬是造成水樣與土樣中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)存在顯著差異的關(guān)鍵因素(圖5(b)).

2.4 水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于相對(duì)豐度前 100 的優(yōu)勢(shì)菌屬,采用spearman 分析方法(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值≥0.5,P<0.05),構(gòu)建了不同生境中浮游細(xì)菌的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).結(jié)果顯示,水樣浮游細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共由397 條邊組成,圖密度為0.082,模塊化指數(shù)為0.610;土樣浮游細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共由594 條邊組成,圖密度為0.130,模塊化指數(shù)為0.710.在水樣中,浮游細(xì)菌菌屬間的互作模式以拮抗關(guān)系為主(負(fù)相關(guān)關(guān)系占比為52.64%),而土樣中浮游細(xì)菌菌屬間的互作模式以協(xié)作關(guān)系為主(正相關(guān)關(guān)系占比為 60.61%)(圖6(a),(b),表1).

通過(guò)對(duì)細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分,水體細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要被分為5 個(gè)模塊,各模塊的占比分別為25.25%(模塊1)、24.24%(模塊2)、21.21%(模塊3)、15.15%(模塊4)和14.14%(模塊5),且不同模塊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均主要由歸屬于放線(xiàn)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)的優(yōu)勢(shì)菌屬主導(dǎo).土樣細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要被分為8 個(gè)模塊,各模塊的占比分別為25.00%(模塊1)、14.71%(模塊2)、11.46%(模塊3)、10.42%(模塊4)、9.38%(模塊5)、7.29%(模塊6)、6.25%(模塊7)和4.17%(模塊8)(圖 6(b)),不同模塊中維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的細(xì)菌類(lèi)群并不一致,模塊1 是土樣細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最大的模塊,主導(dǎo)該模塊的細(xì)菌屬類(lèi)主要?dú)w屬于變形菌門(mén)和Planctomycetota(扁平霉菌),對(duì)于其他模塊,如模塊2中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由歸屬于酸桿菌門(mén)的優(yōu)勢(shì)菌屬主導(dǎo),模塊3 中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由歸屬于綠彎菌門(mén)的優(yōu)勢(shì)菌屬主導(dǎo)等(圖6(c),(d)).

圖6 水、土細(xì)菌群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Ecological network structure of bacterial community between water and soil

水-土生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的細(xì)菌門(mén)類(lèi)主要包括10門(mén),在水樣中變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)分布廣泛,而土樣中變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)和酸桿菌門(mén)的分布較為廣泛,上述優(yōu)勢(shì)菌門(mén)在水、土樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的總體占比均達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)的50%以上,其中變形菌門(mén)無(wú)論在水體還是土樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的占比均最高.此外,為進(jìn)一步分析水、土介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中菌屬對(duì)于維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要性,利用度數(shù)值對(duì)各優(yōu)勢(shì)菌屬在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的重要性進(jìn)行了量化.結(jié)果顯示,變形菌門(mén)的 Delftia 、 Escherichia-Shigella 和Candidatus_Methylopumilus, 放 線(xiàn) 菌 門(mén) 的Marmoricola 和Arthrobacter,酸桿菌門(mén)的Rb41,以及Crenarchaeota( 泉 古 菌 門(mén) ) 的 Candidatus_Nitrocosmicus 度數(shù)值在水體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中較高,相對(duì)地,變形菌門(mén)的Rhodoferax、Ellin6067、MND1 和Thiobacillus 、 擬桿菌門(mén)的 Flavobacterium 和Lutibacter,以及放線(xiàn)菌門(mén)的Arthrobacter 度數(shù)值在土樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中較高(圖6(a),(b)).

從各優(yōu)勢(shì)菌屬所位于的模塊位置來(lái)看,水樣中Delftia 和Escherichia-Shigella 是維持模塊2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵菌屬,其他關(guān)鍵菌屬如Candidatus_Methylopumilu、Marmoricola 和Arthrobacter 等主要存在于模塊3 中;土樣中關(guān)鍵菌屬的分布較為分散,其中Rhodoferax 主要位于模塊6、Ellin6067、MND1和Thiobacillus 主要位于模塊4、Lutibacter 主要位于模塊1,以及Arthrobacter 主要位于模塊7(圖6).

3 討論

黃河內(nèi)蒙段是黃河最北端,受夏冬季節(jié)交替影響明顯,冬季出現(xiàn)河面冰封現(xiàn)象,直至3 月底或4 月初冰體才能全部融化.解封后的河流通暢且流速相對(duì)增加[22],這將對(duì)河流細(xì)菌群落具有一定的擾動(dòng)作用,導(dǎo)致河岸水-土中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和空間網(wǎng)絡(luò)特征發(fā)生顯著變化.

3.1 開(kāi)河初期水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征分析

由于屬性差異,水-土介質(zhì)中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)存在一定差異.例如,張雨晴等[23]研究發(fā)現(xiàn)河流中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)主要為變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén),而土樣中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)主要為綠彎菌門(mén),這與黃河內(nèi)蒙段水、土介質(zhì)中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)結(jié)構(gòu)具有一定程度的相似性(圖 3(a),(b)).具體來(lái)看,在黃河內(nèi)蒙段,雖然變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、疣微菌門(mén)、扁平霉菌、芽單胞菌門(mén)均廣泛存在于水、土介質(zhì)中,但在不同類(lèi)型的樣品中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度出現(xiàn)明顯變化.如河水中放線(xiàn)菌門(mén)的相對(duì)豐度明顯高于土樣,這可能是因?yàn)榉啪€(xiàn)菌門(mén)的體積較小,不易附著于顆粒物表面且更適宜在水體中營(yíng)浮游生活[24];再如土中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)泉古菌門(mén)、Methylomirabilota(甲基微菌門(mén))、Myxococcota(粘球菌門(mén))和Nitrospirota(硝化菌門(mén))的相對(duì)豐度超過(guò)了1.00%,明顯高于水樣中的相對(duì)豐度,而水中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)藍(lán)細(xì)菌門(mén)的相對(duì)豐度在土中則顯著下降(圖3(a),(b)).藍(lán)細(xì)菌門(mén)作為黃河內(nèi)蒙段河水中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi),但其相對(duì)豐度遠(yuǎn)低于湖泊水中相對(duì)豐度[25];變形菌門(mén)被認(rèn)為是顆粒降解物,該細(xì)菌門(mén)類(lèi)下的很多菌屬具有多樣化的代謝途徑,能夠加快污染物的降解能力,這是變形菌門(mén)成為黃河內(nèi)蒙段第一大優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi),且近幾年相對(duì)豐度并未發(fā)生明顯變化的重要原因[26].與水相比,土中的細(xì)菌群落具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),且細(xì)菌群落豐富度、均勻度和多樣性均高于河水,一種可能的解釋是土中營(yíng)養(yǎng)成分較水體更高,且土擁有更為穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境和較高的生境異質(zhì)性,可以提供更豐富的生境類(lèi)型和多樣化生物物種,以此來(lái)支持更高的細(xì)菌群落多樣性[27](圖2).

河流解封初期水動(dòng)力條件的改變對(duì)凹岸和凸岸細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成影響.例如河水中前3大優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度均呈現(xiàn)出凹岸低于凸岸的趨勢(shì)(如凹岸中 hgcI_clade 和 CL500-29_marine_group 的相對(duì)豐度分別為7.56%和3.85%,凸岸中則升高為10.05%和4.62%),但在土樣中,前三大優(yōu)勢(shì)菌屬不僅在凹凸岸發(fā)生了更替,而且凹岸優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度顯著高于凸岸(如凹岸中優(yōu)勢(shì)菌屬Flavobacterium 和Thiobacillus 的相對(duì)豐度分別為6.65%和4.38%;凸岸中優(yōu)勢(shì)菌屬更替為Rhodoferax和Arthrobacter,相對(duì)豐度分別為4.50%和3.18%))(圖7).多樣性分析結(jié)果顯示,凹岸水樣中細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)均高于凸岸的趨勢(shì);對(duì)于土樣中,雖然細(xì)菌群落α 多樣性指數(shù)的變化并不顯著,但整體上由凹岸至凸岸也表現(xiàn)出一定的降低趨勢(shì)(表2),這進(jìn)一步說(shuō)明了開(kāi)河期水流對(duì)河岸的沖刷作用造成了細(xì)菌群落在空間尺度上的明顯差異.

表2 凹岸與凸岸水、土樣中細(xì)菌群落多樣性的變化Table 2 Changes in bacterial community diversity in soil and water samples from concave and convex banks

圖7 凹凸岸水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化Fig.7 Structural changes of bacterial communities in soil and water media of concave and convex banks

3.2 水、土介質(zhì)中細(xì)菌群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以有效表征不同生物之間的直接或間接相互作用.水及土介質(zhì)中細(xì)菌群落的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征表明土樣中細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比水樣中的連接更緊密,這表明土樣細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)更高效的系統(tǒng),在能量、物質(zhì)和信息傳輸方面速度更快(圖6,表2).網(wǎng)絡(luò)模塊代表著生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用和生態(tài)位共享,且高模塊化可能會(huì)增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但拓?fù)浠治鼋Y(jié)果顯示,水樣細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的模塊化系數(shù)較土樣更低,這表明該生境中水體細(xì)菌群落抵御外界環(huán)境干擾的穩(wěn)定性較弱.平均路徑長(zhǎng)度作為衡量網(wǎng)絡(luò)中各菌屬之間信息交換速度的重要指標(biāo),其數(shù)值越小,代表該網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的生物群落對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度越快,因此土樣細(xì)菌群落生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較水樣更加敏感.此外,生物之間的相互作用主要被解釋為生物物種之間的協(xié)作或拮抗關(guān)系,本研究中土樣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要以正相關(guān)關(guān)系為主,這說(shuō)明土樣細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力更強(qiáng),由生境類(lèi)型導(dǎo)致的優(yōu)勢(shì)種對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,在維持群落穩(wěn)定方面發(fā)揮著重要作用[27](表1).

水、土樣由于外界環(huán)境和水動(dòng)力條件等原因?qū)е录?xì)菌群落間進(jìn)行頻繁的物質(zhì)能量交換來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的改變,其相互之間的聯(lián)系也較為密切.具體來(lái)看,雖然黃河內(nèi)蒙段的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)(如變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、扁平霉菌和放線(xiàn)菌門(mén))在水、土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中均占有主導(dǎo)地位,但各優(yōu)勢(shì)菌門(mén)在不同樣品和不同模塊的占比存在差異(圖6).水樣中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各模塊均主要是放細(xì)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)主導(dǎo),而土樣中關(guān)鍵模塊主要為模塊1、模塊2 以及模塊3,不同模塊的生態(tài)功能可能存在差異,其中由變形菌門(mén)和扁平菌門(mén)主導(dǎo)的模塊1 可能主要以降解有機(jī)物為主、酸桿菌門(mén)主導(dǎo)的模塊2 可能以植物殘?bào)w降解為主[21,28],而綠彎菌門(mén)主導(dǎo)的模塊3 可能根據(jù)外界條件的變化切換營(yíng)養(yǎng)代謝方式以此來(lái)適應(yīng)不穩(wěn)定的環(huán)境[29].此外,生存環(huán)境的改變對(duì)細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵菌屬的互作模式存在影響.水樣中度數(shù)值較高的菌屬主要分布在同一模塊(模塊2),且該模塊在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的占比較高,這說(shuō)明Candidatus_Methylopumilus、Marmoricola、Arthrobacter、Rb41 和Candidatus_Nitrocosmicus 等相互關(guān)系及生態(tài)功能較為相似,由它們主導(dǎo)的模塊3 是維持整個(gè)水樣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最關(guān)鍵模塊(圖6);相反,土樣中度數(shù)值較高的菌屬主要分布于不同模塊,其相互關(guān)系和生態(tài)功能也存在著一定差異.

4 結(jié)論

4.1 雖然黃河內(nèi)蒙段水體及河漫灘土樣細(xì)菌群落的空間分布存在顯著差異,土樣細(xì)菌群落多樣性較河水更豐富,但二者的細(xì)菌群落組成存在相似性,其中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)類(lèi)主要包括變形菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)等,優(yōu)勢(shì)菌屬主要包括hgcI_clade、CL500-29_marine_group、norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96 和norank_f__norank_o__Vicinamibacterales等;再者,開(kāi)河初期水動(dòng)力條件的改變也是影響細(xì)菌分布的關(guān)鍵因素,與整體河段相比,水體中細(xì)菌群落在凹凸岸的差異性?xún)H表現(xiàn)在相對(duì)豐度上,而土樣中凹凸岸優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落種類(lèi)發(fā)生了更替.

4.2 共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析表明,水-土網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中細(xì)菌群落的交互作用主要由歸屬于變形菌門(mén)(Polaromonas、Rhodoferax 和 Pseudomonas) 和 放 線(xiàn) 菌 門(mén)(Arthrobacter 和Gaiella)的菌屬主導(dǎo);相反,以hgcI_clade、CL500-29_marine_group、norank_f__ norank_o__Vicinamibacterales 和 norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96 為代表的菌屬又進(jìn)一步使黃河內(nèi)蒙段細(xì)菌群落存在明顯的介質(zhì)差異;整體上,土樣較水樣擁有更大的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且聯(lián)系更緊密,抗干擾能力更強(qiáng);水體細(xì)菌群落主要是通過(guò)拮抗關(guān)系來(lái)抵御外界環(huán)境變化,河漫灘土樣細(xì)菌群落主要是通過(guò)協(xié)作關(guān)系來(lái)抵御外界環(huán)境變化;此外,歸屬于變形菌門(mén)的Candidatus_Methylopumilu、Marmoricola、Arthrobacter、Rb41 和Candidatus_ Nitrocosmicus 等是維持水體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵菌屬,而Rhodoferax、Ellin6067、MND1 和Thiobacillus 是維持河漫灘土樣生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵菌屬.