24節(jié)氣內(nèi)烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

薛 娟,張 濤,曾 軍,李 萍,3,高小其,婁 愷,*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所,烏魯木齊 830091； 2. 石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 石河子 832000；3. 新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 烏魯木齊 830046； 4. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局, 烏魯木齊 830011)

24節(jié)氣內(nèi)烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

薛 娟1,2,張 濤1,曾 軍1,李 萍1,3,高小其4,婁 愷1,*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所,烏魯木齊 830091； 2. 石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 石河子 832000；3. 新疆大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 烏魯木齊 830046； 4. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局, 烏魯木齊 830011)

為了解烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性在24節(jié)氣內(nèi)的變化,選取24節(jié)氣當(dāng)天采集泉水樣品(計(jì)24份),利用末端限制性片段長度多態(tài)性(T-RFLP)技術(shù)對其進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)及多樣性分析,并結(jié)合該泉地球水文化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行典型相關(guān)性分析。結(jié)果表明:泉水細(xì)菌群落的香農(nóng)指數(shù)(H)變化幅度較大(1.088—3.003),春季(立春至谷雨)樣品呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)趨勢,并在驚蟄時(shí)達(dá)到最低值(1.088),夏季(立夏至大暑)和秋季(立秋至霜降)樣品在節(jié)氣內(nèi)出現(xiàn)類似的遞增趨勢,冬季(立冬至大寒)樣品則保持在較低水平(≈1.761)；辛普森指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)(E)在24節(jié)氣內(nèi)變化的差異不顯著。24節(jié)氣的泉水細(xì)菌群落組成主要有厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門及梭桿菌門,此外,還有少量隸屬于藍(lán)藻門、螺旋體門、異常球菌-棲熱菌門、綠菌門、柔膜菌門和硝化螺菌門等的類群存在于某些特定的節(jié)氣中；春夏季節(jié)革蘭氏陰性菌為優(yōu)勢類群,秋冬季節(jié),革蘭氏陽性菌為優(yōu)勢類群；硫氧化菌類群(Acidithiobacillus、Thiothrix)和硫還原菌群落(Desulfobacter、Desulfoluna)的存在,與10號(hào)泉的含硫特性相關(guān)。通過對各項(xiàng)地球水文化學(xué)指標(biāo)的分析顯示,電導(dǎo)率、水汞、甲烷、硫化物在各節(jié)氣的波動(dòng)最為劇烈；烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落組成隨24節(jié)氣更替存在一定變化并與地球水文化學(xué)指標(biāo)相關(guān)。

24節(jié)氣；細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)；多樣性；T-RFLP；烏魯木齊10號(hào)泉

烏魯木齊10號(hào)泉, 為國家基本水化一類臺(tái), 位于烏魯木齊南部柳樹溝—紅雁池?cái)嗔褞?E 87°37′, N 43°42′) 上。泉水硫化物氣味強(qiáng)烈,pH值為7.7,全年水溫為11.0 ℃左右,為HCO3-SO4-Cl-Na型弱堿性礦化水[1]。目前,該泉是新疆維吾爾自治區(qū)最重要的地下流體綜合觀測泉,也是中國新疆與哈薩克斯坦交換地下流體資料的監(jiān)測泉點(diǎn)之一[2]。

目前對24節(jié)氣的相關(guān)研究主要集中在植物物候[3- 6]、動(dòng)物物候[7]及氣候調(diào)查[8- 10]方面,對于微生物群落的物候變化,國內(nèi)相關(guān)研究較少[11- 12]。在含硫冷泉微生物方面,Nancy[13]、Anita[14]、Susanne[15]及Christian[16]等人借助不同的手段分別對加拿大極地冷泉、密歇根州硫化泉、加拿大硫化物冷泉和德國冷泉進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):硫化物對維持微生物群落穩(wěn)定有重要作用,含硫冷泉內(nèi)細(xì)菌大部分屬于變形菌門,硫化物氧化細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌等為其主要的優(yōu)勢類群。而針對含硫冷泉水體微生物群落的物候變化的研究,尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

對烏魯木齊10號(hào)泉的研究主要集中于地震分析[17- 19]和水體微生物群落結(jié)構(gòu)方面[20- 24],而水體細(xì)菌群落在24節(jié)氣內(nèi)的組成及結(jié)構(gòu)上是否存在差異,群落變化是否存在物候現(xiàn)象及細(xì)菌群落與地球水文化學(xué)參數(shù)間的響應(yīng)關(guān)系尚不清楚。本研究采用T-RFLP技術(shù)對烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌在24節(jié)氣內(nèi)群落結(jié)構(gòu)組成及多樣性的變化,以及與地球水文化學(xué)元素之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,以期通過研究,為后續(xù)的微生物映震提供細(xì)菌群落組成的背景參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及預(yù)處理

2011年8月3日至2012年7月27日的1a周期內(nèi),于每節(jié)氣當(dāng)天采集泉水樣品3 L,采樣后4 h內(nèi)低溫運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室[25]。所有采集的泉水樣品經(jīng)0.22 um微孔濾膜過濾,再用10 mL GTE buffer進(jìn)行洗脫,用于后續(xù)DNA提取。

1.2 泉水12項(xiàng)理化指標(biāo)測定

對24節(jié)氣時(shí)所采集的泉水樣品中的氟(F-)、硫化物(HS-)、水汞(Hg)、氡(Rn)、氦(He)、氬(Ar)、氮(N2)、甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)、流量(Flow)、電導(dǎo)率(C)和氣體總量(Gas)等12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定[26],并利用基于GIS的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Mapsis 2.8.5)繪制理化參數(shù)波動(dòng)折線圖。

1.3 樣品總DNA提取

泉水中微生物總DNA的提取參照Shaheen等的方法[27],并根據(jù)泉水樣品自身的特點(diǎn)稍作改進(jìn)。取800 μL GTE 洗脫液,加入溶菌酶(10 mg /mL)30 μL 至終濃度為10 mg /mL,37 ℃水浴2 h；加入蛋白酶K(20 mg /mL)10 μL 至終濃度為0. 2 mg /mL,20% 的SDS 17 μL和5 mol /L的NaCl 10 μL,53℃水浴2 h；等體積的酚∶氯仿∶異戊醇(25∶24∶1) 抽提,離心取上清,再加入2 /3體積的氯仿抽提,離心取上清,加入0. 6 倍的異丙醇,4 ℃過夜；離心棄上清,用預(yù)冷的70% 乙醇清洗1 次,倒置涼干；加入20 μL TE 緩沖液,-20 ℃保存。

1.4 16S rDNA 片段擴(kuò)增

利用細(xì)菌通用引物8F(5′-FAM-AGAGTTTGAT CCTGGCTCAG-3′)和926R(5′-CCGTCA ATTCCTTTR AGTTT-3′)[28](Sangon,上海)對細(xì)菌16S rDNA片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增體系如下:預(yù)混Premix 15 μL,上下游引物各0.25 μL,10倍稀釋的DNA模板0.5 μL,Taq polymerase 0.05 μL,加dd H2O至體系為30 μL。

PCR擴(kuò)增采用降落PCR,程序?yàn)?預(yù)變性95 ℃ 6 min, 95 ℃ 45 s,61 ℃ 45 s, 72 ℃ 90 s,擴(kuò)增10個(gè)循環(huán),每個(gè)循環(huán)遞減0.5 ℃；95 ℃ 45 s, 56 ℃ 45 s, 72 ℃ 90 s,擴(kuò)增20個(gè)循環(huán),72 ℃延伸10 min,共計(jì)30個(gè)循環(huán)。 以無菌水為空白作為陰性對照。擴(kuò)增結(jié)束后,產(chǎn)物用1%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行含量及特異性檢測。

1.5 細(xì)菌T-RFLP分析

利用HinfⅠ(Takara,大連)和MspⅠ(Takara,大連)兩種限制性內(nèi)切酶對PCR產(chǎn)物進(jìn)行酶切,酶切體系根據(jù)說明書略作調(diào)整。HinfⅠ和MspⅠ酶切條件為37 ℃酶切10 h,酶切完畢后65 ℃水浴20 min終止反應(yīng)。酶切產(chǎn)物利用2.5%的瓊脂糖凝膠進(jìn)行酶切效果檢測。酶切產(chǎn)物遮光送上?；瞪锛夹g(shù)有限公司檢測,使用ABI 3730測序儀掃描,用Peak Scanner Software V1.0分析結(jié)果。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

選擇末端限制性片段大小在50—900 bp之間,熒光強(qiáng)度大于50 FU且目的片段的峰面積比大于總峰面積0.5%(小于0.5%被認(rèn)為是噪音)的片段進(jìn)行多樣性分析。分別計(jì)算各樣品的香農(nóng)指數(shù)(Shannon-Weiner indexH)、辛普森指數(shù)(Simpson indexD)和均勻度指數(shù)(Evenness indexE)[29]。利用Mica PAT+在線數(shù)據(jù)庫(http://mica.ibest.uidaho.edu/)比對分析各T-RFs片段所代表的細(xì)菌種屬,并將峰面積比大于4%的種屬確定為優(yōu)勢類群[30]。分別對HinfⅠ和MspⅠ酶切片段進(jìn)行比對,挑出共有種屬,確定為該環(huán)境條件下所擁有的細(xì)菌群落。選用SPSS18.0進(jìn)行樣品系統(tǒng)聚類分析；借助CANOCO軟件,分析泉水細(xì)菌群落組成與12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 泉水理化指標(biāo)波動(dòng)式變化

理化指標(biāo)分析顯示,在24節(jié)氣內(nèi),各項(xiàng)指標(biāo)均圍繞背景值呈現(xiàn)出不同程度的上下波動(dòng)(圖1),其中,氮、氡、氟、流量和氣體總量的波動(dòng)較為平緩,氬、二氧化碳、甲烷、氦等4項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)了低于背景值的波動(dòng),硫化物、水汞和電導(dǎo)率等指標(biāo)則出現(xiàn)了顯著高于背景值的明顯波動(dòng)。

2.2 T-RFLP圖譜及多樣性分析

共獲得T-RFLP指紋圖譜48個(gè),根據(jù)HinfⅠ和MspⅠ酶切T-RFLP圖譜(圖2)中T-RFs數(shù)目及相對峰高和峰面積值,分別計(jì)算了24個(gè)樣品香農(nóng)指數(shù)(H),辛普森指數(shù)(D)、均勻度指數(shù)(E)(圖3)。結(jié)果顯示,MspⅠ酶切樣品微生物多樣性高于HinfⅠ酶切,故后續(xù)分析采用MspⅠ酶切結(jié)果。

各項(xiàng)指數(shù)中,香農(nóng)指數(shù)(H)變化幅度較大(1.088—3.003),春季(立春至谷雨)樣品呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)趨勢,并在驚蟄時(shí)達(dá)到最低值(1.088),夏季(立夏至大暑)和秋季(立秋至霜降)樣品在節(jié)氣內(nèi)呈現(xiàn)類似的遞增趨勢,冬季(立冬至大寒)樣品則保持在較低水平(≈1.761),且夏季樣品的香農(nóng)指數(shù)明顯高于冬季。此外,辛普森指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)變化較為平緩(E)。驚蟄時(shí)期樣品的三項(xiàng)指數(shù)均最低。

2.3 樣品聚類分析

對24節(jié)氣樣品進(jìn)行質(zhì)心法聚類分析顯示(圖4):芒種、大暑、處暑與小滿等夏季樣品,霜降、冬至、立秋與寒露等秋季樣品,小寒、立春、清明、谷雨、驚蟄與春分等春季樣品分別聚為一支；夏至與小暑、大雪與小雪、白露與秋分、清明與谷雨、驚蟄與春分等相鄰節(jié)氣聚為一支；芒種與大暑、處暑與小滿、立秋與寒露、小寒與立春等相距較近的節(jié)氣聚在一起。

圖2 部分樣品的T-RFLP酶切圖譜Fig.2 parts of the sample T-RFLP restriction map

圖3 Msp Ⅰ 酶切各項(xiàng)指數(shù)的變化Fig.3 the index variation by Msp Ⅰ digeste

圖4 24節(jié)氣烏魯木齊10號(hào)泉細(xì)菌群落聚類圖(1—24為采樣日期)Fig.4 Dendrogram of the hierarchical clustering analysis of bacterial community in Urumqi No.10 Spring durning 24 solar terms(1—24 are sampling date)

2.4 24節(jié)氣內(nèi)細(xì)菌群落組成

經(jīng)Mica數(shù)據(jù)庫比對(表1,表2),24節(jié)氣內(nèi)所有細(xì)菌群落主要隸屬于11個(gè)門,其中,放線菌門,擬桿菌門、厚壁菌門、梭桿菌門和變形菌門的含量較高,占總體的75%以上。以上5門按其含量作折線圖(圖5),擬桿菌門和變形菌門在24節(jié)氣內(nèi)呈現(xiàn)出較為一致的含量波動(dòng)；秋冬季節(jié),變形菌門在群落中的含量最高,春夏季節(jié),擬桿菌門在群落中的含量最高；秋冬季節(jié)各節(jié)氣中放線菌門和其他類群與厚壁菌門呈現(xiàn)出相似的波動(dòng)規(guī)律；春夏季節(jié)內(nèi)的各節(jié)氣又與擬桿菌門呈現(xiàn)出相似的波動(dòng)規(guī)律；24節(jié)氣中厚壁菌門含量的波動(dòng)始終與擬桿菌門等呈現(xiàn)出相反的趨勢,即：擬桿菌門含量最高時(shí),厚壁菌門含量最低。

進(jìn)一步分析各片段所代表的細(xì)菌類群,優(yōu)勢類群包括放線菌門的Arthrobacter、Corynebacterium、Frankia、Nocardioides和Streptomyces代表片段為130 bp和165 bp；擬桿菌門的Flavobacterium和Flexibacter,代表片段為84 bp和93 bp,厚壁菌門的Bacillus、Clostridium、Eubacterium和Paenibacillus代表片段為130 bp、165 bp、270 bp和485 bp；變形菌門的Acidithiobacillus、Acidiphilium、Caulobacter和Thiothrix代表片段有130 bp和165 bp；梭桿菌門的Leptotrichia,代表片段為165 bp；以及普遍存在于大部分樣品中的暫定名類群(Candidatus),他們的代表片段為130 bp和165 bp。

特殊類群指僅在某些特定季節(jié)或節(jié)氣中出現(xiàn),且含量較少的類群,包括放線菌門的Microbacterium和Mycobacterium,代表片段為84 bp和165 bp；擬桿菌門的Capnocytophaga、Cytophaga和Microscilla,代表片段為84 bp和93 bp；變形菌門的Achromatium、Acidiphilium、Azoarcus、Azospirillum、Desulfatiferula、

Desulfobacter、Desulfofrigus和Stenotrophomonas,代表片段有84 bp、130 bp、165 bp、441 bp和455 bp；異常球菌-棲熱菌門的Deinococcus,代表片段為270bp；藍(lán)藻門的Synechococcus和Cylindrospermopsis,代表片段為130 bp和148 bp；螺旋體門的Treponema,代表片段為305 bp,硝化螺菌門的Leptospirillum,代表片段為80 bp；綠菌門的綠菌科某屬和Prosthecochloris,代表片段為127 bp以及柔膜菌門的Phytoplasma,代表片段為212 bp。

2.5 細(xì)菌群落與12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)的CCA分析

24節(jié)氣樣品基于T-RFs片段大小(圖6-A)和細(xì)菌門含量(圖6-B)與12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)的CCA分析顯示,電導(dǎo)率、甲烷、流量和氡等對細(xì)菌群落的分布影響較大。兩種排序方式均顯示群落組成有明顯的聚集現(xiàn)象,主要可以分為兩類。第一類：春夏季節(jié)內(nèi)節(jié)氣為主的細(xì)菌群落組成與氟、氡等具有較高的相關(guān)性；第二類：秋冬季節(jié)內(nèi)節(jié)氣為主的細(xì)菌群落組成與電導(dǎo)率等具有較高的相關(guān)性。其中,甲烷對秋季各節(jié)氣細(xì)菌群落的影響較為顯著。

通過對樣品群落多樣性與泉水理化參數(shù)的CCA分析發(fā)現(xiàn)(圖6-C),24節(jié)氣泉水細(xì)菌群落多樣性與環(huán)境因子存在明顯相關(guān)性。其中,氡、甲烷、流量、硫化物、電導(dǎo)率等因子對群落多樣性的影響較大,均勻度指數(shù)(E)受環(huán)境影響相對較小,香農(nóng)指數(shù)(H)與二氧化碳的含量變化呈顯著正相關(guān),辛普森指數(shù)(D)與流量、甲烷及電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān),與氡呈顯著負(fù)相關(guān)。

表1 24節(jié)氣細(xì)菌群落組成的百分比例表

圖5 細(xì)菌優(yōu)勢門在24節(jié)氣內(nèi)的含量變化Fig.5 Dominant Community composition in 24 solar terms

類群Groups門Phylum屬Genus熒光片段T-RFs優(yōu)勢類群DominantCommunityActinobacteriaArthrobacter165Corynebacterium165Frankia130Nocardioides130Streptomyces130/165BacteroidetesFlavobacterium84/93/485Flexibacter93FirmicutesBacillus53/130/145/165Clostridium93/165/485Eubacterium270/485Paenibacillus130ProteobacteriaAcidithiobacillus165Acidiphilium441Geobacter130Thiothrix130FusobacteriaLeptotrichia165OthersOlavius165特殊類群ParticularCommunityActinobacteriaMicrobacterium165Mycobacterium165BacteroidetesCapnocytophaga84Cytophaga84Microscilla93ProteobacteriaAchromatium455Azoarcus84Azospirillum130/165Caulobacter130Desulfatiferula165Desulfobacter165Desulfofrigus165Stenotrophomonas455SpirochaetesTreponema165/305CyanobacteriaSynechococcus130Cylindrospermopsis148ChlorobiChlorobiaceae某屬127Prosthecochloris127Deinococcus-ThermusDeinococcus270NitrospiraeLeptospirillum80TenericutesPhytoplasma212

根據(jù)24節(jié)氣細(xì)菌群落的門組成與12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)在CCA軸上的分布(圖6-D),擬桿菌門、厚壁菌門和其他類群受氟和氡的影響最大；放線菌門、變形菌門和綠菌門受電導(dǎo)率影響較大；藍(lán)藻門、異常球菌-棲熱菌門和硝化螺菌門分別受到二氧化碳、水汞和硫化物的影響較大；12項(xiàng)水化參數(shù)對梭桿菌門的影響較小。

圖6 24節(jié)氣(A、B)、多樣性(C)、細(xì)菌群落(D)與烏魯木齊10號(hào)泉理化參數(shù)的典型相關(guān)性分析Fig.6 Canonical correspondence analysis between bacterial community(A、B)、 diversity(C)、dominant genus(D)parameters of the No. 10 spring

3 討論

通過對烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù)及均勻度指數(shù)的計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn),24節(jié)氣內(nèi),水體細(xì)菌群落呈現(xiàn)出秋升冬降春波動(dòng)夏回升的趨勢,且夏季的各項(xiàng)指數(shù)明顯高于冬季。烏魯木齊10號(hào)泉水溫年變化甚微[2],故判斷溫度對出現(xiàn)此變化趨勢的影響較小。分析原因可能為:(1)雖然10號(hào)泉屬寡營養(yǎng)環(huán)境,但隨著季節(jié)更替,外界環(huán)境溫度的逐漸回升,泉區(qū)東南方的博格達(dá)山區(qū)大氣降水與高山積雪融水的補(bǔ)給增多,泉水徑流量增加,導(dǎo)致水體營養(yǎng)成分有所變化所致；(2)烏魯木齊10號(hào)泉處于地震斷裂帶上,受地球內(nèi)部活動(dòng)的影響,細(xì)菌群落可能對氡、甲烷、流量、硫化物、電導(dǎo)率等地球水文化學(xué)因子產(chǎn)生得響應(yīng)所致；(3)物候現(xiàn)象可對微生物群落產(chǎn)生影響所致。

細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的分析表明：該環(huán)境下的微生物群落有優(yōu)勢類群和隨機(jī)類群組成。放線菌門、擬桿菌門等5個(gè)門中的部分細(xì)菌類群(Arthbater,Corynebacterium,Flexibacter,Clostridium,Eubacterium,GeobacterDesulfobacter,Thiothrix等)為該環(huán)境下的優(yōu)勢群落,它們隨時(shí)間、季節(jié)變化而穩(wěn)定存在,對環(huán)境具有高度的適應(yīng)性,這與Farnleitner等人[31]和Pronk等人[32]對不同冷泉系統(tǒng)微生物群落的研究結(jié)果相一致。隨機(jī)類群包括放線菌門、擬桿菌門等5個(gè)門中部分隨機(jī)出現(xiàn)的細(xì)菌類群和藍(lán)藻門、異常球菌-棲熱菌門等類群,它們在監(jiān)測期內(nèi)僅存在于某些特定季節(jié)或節(jié)氣內(nèi),其豐度變化并無明顯的規(guī)律可循,推測可能是受物候影響所致。例如：無色桿菌屬(Achromatium)、嗜纖維菌屬(Cytophaga)等僅出現(xiàn)在春季的各節(jié)氣中；冷彎菌屬(Psychroflexus)僅見于冬季的節(jié)氣中；異常球菌屬(Deinococcus)僅出現(xiàn)在立秋、立冬、立春和立夏節(jié)氣附近。此外,群落中存在較為豐富的硫氧化菌類群(Acidithiobacillus、Thiothrix)和硫還原菌類群(Desulfobacter、Desulfoluna),他們共同維持著該環(huán)境下的硫循環(huán)。

12項(xiàng)水文化學(xué)參數(shù)對細(xì)菌群落影響的分析結(jié)果表明,理化參數(shù)的變化對10號(hào)泉水體細(xì)菌群落的多樣性有顯著影響,其中影響作用較大的因子有甲烷、流量、硫化物、氡及電導(dǎo)率等。烏魯木齊10號(hào)泉中含有的CO2、H2、N2、HS、CH4等可作為潛在的電子供體和受體,它們可為微生物多樣性的代謝類型提供可能[13],它們同時(shí)影響著泉水的電導(dǎo)率。在CCA排序軸上的排序顯示,大部分的樣品這幾項(xiàng)指標(biāo)的變化呈正相關(guān),這一結(jié)果表明,細(xì)菌群落的多樣性受多項(xiàng)環(huán)境因子的共同作用[33]。24節(jié)氣樣品基于T-RFs和群落組成門含量在CCA軸上的排序均顯示春夏季節(jié)樣品和秋冬季節(jié)樣品具有差異性,結(jié)合5個(gè)優(yōu)勢門含量在24節(jié)氣內(nèi)的波動(dòng)變化可知,擬桿菌門和厚壁菌門在含量上呈互補(bǔ)關(guān)系,受氟和氡的共同作用,春夏季節(jié)的各節(jié)氣,優(yōu)勢的細(xì)菌類群為擬桿菌為代表的革蘭氏陰性菌,秋冬季節(jié)的各節(jié)氣,優(yōu)勢類群為厚壁菌為代表的革蘭氏陽性菌。革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌相比,細(xì)胞壁具有較厚的肽聚糖層,相關(guān)研究表明,肽聚糖具有抗新陳代謝活性、免疫調(diào)解活性等生物學(xué)功能[34],因而細(xì)胞壁中肽聚糖含量占干重30%—95%的革蘭氏陽性菌[34],可能對惡劣環(huán)境具有更高的耐受性。

4 結(jié)論

烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性在24節(jié)氣內(nèi)的變化明顯,水體細(xì)菌群落呈現(xiàn)出秋升冬降春波動(dòng)夏回升的趨勢,且夏季的各項(xiàng)指數(shù)明顯高于冬季,群落多樣性受水文化學(xué)參數(shù)的影響；烏魯木齊10號(hào)泉中穩(wěn)定存在有放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門及梭桿菌門的某些細(xì)菌種屬,只是在各節(jié)氣所占比例略有差別,此外,放線菌門、擬桿菌門、變形菌門、厚壁菌門、藍(lán)藻門、異常球菌-棲熱菌門、綠菌門、柔膜菌門、螺旋體門及硝化螺菌門的某些種屬存在于特定季節(jié)或節(jié)氣內(nèi)且含量相對較低；厚壁菌門為代表的革蘭氏陽性菌對環(huán)境變化具有更好的耐受性。

由于T-RFLP技術(shù)的局限性[35],后續(xù)可結(jié)合克隆文庫分析及核酸雜交分析來獲得更加詳實(shí)的信息,為深入研究烏魯木齊10號(hào)泉水體微生物群落奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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Structure changes of bacteria community in 24 solar terms at No.10 spring Urumqi

XUE Juan1,2, ZHANG Tao1, ZENG Jun1, LI Ping1,3, GAO Xiaoqi4, LOU Kai1,*

1InstituteofMicrobiology,XinjiangAcademyofAgricultureScience,Urumqi830091,China2CollegeofLifeScience,ShiheziUniversity,Shihezi832000,China3CollegeofLifeScienceandTechnology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China4SeismologicalBareauofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,China

Urumqi No.10 spring is located in the fracture zone of Willow ditch-Hongyanchi in southern Urumqi, and is one of the most important national key hydrological observation points. The spring water contains various geochemical elements, such as sulfide, methane, hydrogen, radon, sulfide, methane, carbon dioxide, helium, fluorine and mercury. Microbes living in the spring are intensely affected by hydro-geochemical changes caused by movements of the Earth′s crust. The 24 solar terms, part of the Chinese traditional calendar, can accurately reflect changes in the Earth′s climate, and the habitats of microorganisms also change with changes in the solar terms. In order to understand the changes in the structure of the bacterial community and diversity in Urumqi No.10 spring with the 24 solar terms, spring water samples collected during each period of the 24 solar terms were analyzed by T-RFLP, and CCA analysis combined with hydro-chemical analysis of indicators in the spring was conducted. Diversity analysis shows that the Shannon index (H) of the spring bacterial communities has a large variation (from 1.088 to 3.003). Spring samples (from ‘Beginning of Spring’ to ‘Grain Rain’) show a significant fluctuating trend and reaches its lowest value in ‘Waking of Insects’ (1.088); in summer (from ‘Beginning of Summer’ to ‘Greater Heat’) and autumn (from ‘Beginning of Autumn’ to ‘Frost’s Descent’), the index shows similar increasing trends within the solar terms, while for winter (from ‘Beginning of Winter’ to ‘Greater Cold’), the index remains at a low level (approximately 1.761). The changes in Simpson (D) and evenness index (E) were not significant throughout the 24 solar terms and the lowest value appeared in ‘Waking of Insects’. Hierarchical cluster analysis shows that the bacterial community patterns for the spring water appear to cluster with the solar terms, reflecting the similarity of the sample community composition between solar terms within the same season. Adjacent seasons show mild diversity, indicating that the bacterial community composition has intraseasonal variations. T-RFLP analysis shows that there are 11 phyla in total:Actinobacteria,Bacteroidetes,Firmicutes,ProteobacteriaandFusobacteriaare the main taxa (≥70%), and their proportions vary in each solar term;Cyanobacteria,Deinococcus-Thermus,Spirochaetes,Nitrospirae,Chlorobi,Tenericutesand some unknown taxa only appear in some of the solar terms, are present in low numbers, but they occupy a very important position in the community composition; Gram-positive bacteria are abundant in autumn and winter, while Gram-negative bacteria dominate in spring and summer. The existence of sulfur-oxidizing bacteria (Acidithiobacillus,Thiothrix) and sulfate-reducing bacteria (Desulfobacter,Desulfoluna) may be related to the high H2S content in the spring. Hydrological chemical indicator analysis shows that conductivity, mercury, methane and hydrogen sulfide show the most variation. Of these indicators, fluorine and radon concentration can influence the dominant taxa, such asBacteroidetesandFirmicutes, whileDeinococcusis influenced by mercury concentration. These results indicate that the bacterial community in No.10 spring is influenced by changes in the 24 solar terms which in turn affect the hydrological chemical indicators.

24 solar terms; bacterial community structure; diversity; T-RFLP; No.10 Spring Urumqi

新疆維吾爾自治區(qū)高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目(201216145)

2013- 01- 31; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301310205

*通訊作者Corresponding author.E-mail: loukai02@mail.tsinghua.edu.cn

薛娟,張濤,曾軍,李萍,高小其,婁愷.24節(jié)氣內(nèi)烏魯木齊10號(hào)泉水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6214- 6224.

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