青島市不同功能區(qū)冬季空氣微生物群落代謝與多樣性特征

吳等等，宋志文，徐愛(ài)玲，鄭 遠(yuǎn)，夏 巖

青島理工大學(xué), 青島 266033

青島市不同功能區(qū)冬季空氣微生物群落代謝與多樣性特征

吳等等，宋志文*，徐愛(ài)玲，鄭 遠(yuǎn)，夏 巖

青島理工大學(xué), 青島 266033

選取青島市5個(gè)功能區(qū)(市區(qū)街道、海濱區(qū)域、飲用水源地、垃圾填埋場(chǎng)和人工濕地污水處理系統(tǒng))，采用SAS ISO100空氣浮游菌采樣器于2013年冬季采集空氣微生物樣品，應(yīng)用BIOLOG方法分析空氣微生物群落代謝功能多樣性，闡明群落代謝與環(huán)境相關(guān)性。結(jié)果表明，不同功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度存在差異，代謝穩(wěn)定時(shí)，海濱區(qū)域和飲用水源地樣品平均光密度值(AWCD)分別為0.302、0.210，而人工濕地、市區(qū)街道及垃圾填埋場(chǎng)分別為0.063、0.025和0.034，海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度明顯高于其他功能區(qū)。不同功能區(qū)空氣微生物群落Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)接近，但海濱區(qū)域和飲用水源地McIntosh指數(shù)明顯高于其他功能區(qū)。海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物群落碳源代謝類型豐富，代謝水平高，人工濕地、市區(qū)街道和垃圾填埋場(chǎng)碳源代謝類型單一，代謝水平低。5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝差異呈現(xiàn)區(qū)域性，分異代謝差異的主要是羧酸類碳源。風(fēng)速、溫度、濕度等非生物因素對(duì)空氣微生物群落碳源代謝具有不同程度影響，且不同功能區(qū)主導(dǎo)非生物因素存在差異。BIOLOG方法可以提供大量多維數(shù)據(jù)，能夠分析樣品間微生物群落碳源代謝差異，客觀、全面表征空氣微生物群落碳源代謝多樣性特征，是研究空氣微生物群落功能多樣性較理想的方法之一。

青島市; 城市功能區(qū); 空氣微生物; 代謝特征; 群落多樣性; BIOLOG方法

空氣微生物是指空氣中細(xì)菌、霉菌和放線菌等有生命的活體，主要來(lái)源于土壤、水體、動(dòng)植物和人類，此外污水處理、動(dòng)物飼養(yǎng)、發(fā)酵過(guò)程和農(nóng)業(yè)活動(dòng)等也是空氣微生物的重要來(lái)源[1- 4]。已知存在空氣中的細(xì)菌及放線菌有1200種，真菌有40000種[5]?？諝馕⑸锊粌H具有重要的生態(tài)系統(tǒng)功能，還與空氣污染、環(huán)境質(zhì)量和人體健康密切相關(guān)[6]。了解城市空氣微生物群落特征、物種組成及濃度，對(duì)控制城市微生物污染、改善環(huán)境質(zhì)量、維持人群健康和提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)際意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)城市不同功能區(qū)、垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠、養(yǎng)殖環(huán)境等空氣微生物區(qū)系、時(shí)空分布特征進(jìn)行研究[1,7- 14]。但這些研究大多采用傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)方法[15- 20]，由于“可培養(yǎng)類”微生物僅占總微生物的不到1%[21- 22]，并且還有部分微生物處于活的不可培養(yǎng)狀態(tài)，加上培養(yǎng)結(jié)果受培養(yǎng)基組分影響較大，導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況有較大偏差。為了較準(zhǔn)確的反映空氣微生物群落和生態(tài)功能，需要從空氣微生物種類、群落結(jié)構(gòu)、功能多樣性以及生物量等層次來(lái)研究。新發(fā)展的基于微生物群落代謝單一碳源特征的BIOLOG方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，底物碳源的多樣性決定了BIOLOG微平板可以提供大量多維數(shù)據(jù)，且能夠比較樣品間微生物群落差異，較全面地表征微生物群落結(jié)構(gòu)、總體代謝活性與功能信息，該方法已在微生物鑒定、污水處理工藝、污染土壤修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用。

本文以青島市5個(gè)城市功能區(qū)(市區(qū)街道、海濱區(qū)域、飲用水源地、城市生活垃圾填埋場(chǎng)和人工濕地污水處理系統(tǒng))為研究對(duì)象，應(yīng)用BIOLOG方法分析空氣微生物群落碳源代謝功能多樣性，闡明空氣微生物群落代謝與環(huán)境相關(guān)性。對(duì)了解沿海城市不同功能區(qū)空氣微生物特征及其對(duì)大氣環(huán)境和人體健康的影響具有重要意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)概況

選擇青島市區(qū)街道(撫順路青島理工大學(xué)段)、海濱區(qū)域(魯迅公園)、飲用水源地(棘洪灘水庫(kù))、垃圾填埋場(chǎng)(小澗西生活垃圾綜合處理廠)、人工濕地(膠南人工濕地污水處理系統(tǒng))5個(gè)功能區(qū)作為采樣地點(diǎn)。其中，(1)撫順路位于青島市市北區(qū)，是青島市主要交通樞紐，人流量和車流量較大，汽車尾氣和揚(yáng)塵污染較嚴(yán)重；(2)魯迅公園位于青島市市南區(qū)，南面緊鄰大海，長(zhǎng)約1 km，占地面積0.04 km2，綠化面積75%以上，是青島4A級(jí)旅游景點(diǎn)，冬季人流量較少；(3)棘洪灘水庫(kù)位于青島市城陽(yáng)區(qū)，是引黃濟(jì)青工程唯一調(diào)蓄水庫(kù)，庫(kù)區(qū)面積14.4 km2，是青島市主要飲用水源地，供應(yīng)青島市50%以上居民用水，周圍是農(nóng)田，人流量較少；(4)小澗西生活垃圾綜合處理廠位于青島市城陽(yáng)區(qū)，是青島市內(nèi)六區(qū)唯一的生活垃圾填埋場(chǎng)，設(shè)計(jì)庫(kù)容7.1×106m3，占地面積0.66 km2，填埋區(qū)面積0.27 km2，綠地率41.25%，實(shí)際日填埋量3500 t/d，垃圾滲濾液經(jīng)垂直和水平收集系統(tǒng)收集后排入污水處理廠進(jìn)行處理；(5)人工濕地污水處理系統(tǒng)位于青島市黃島區(qū)，東南面緊鄰黃海，采用自由表面流蘆葦濕地工藝，由99個(gè)并聯(lián)運(yùn)行濕地單元組成，每個(gè)單元大小為140 m×32 m，總占地面積76.7 km2，處理規(guī)模3×104m3/d，污水來(lái)源為生活污水和工業(yè)廢水(約1∶1)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

采樣時(shí)間為2013年1月1日—5日，采用SAS ISO 100空氣微生物采樣器采集空氣微生物樣品，空氣流量100 L/min，采樣時(shí)間30 min。采樣后取下凝膠膜，加到100 mL滅菌生理鹽水中，搖床震蕩10 min，凝膠膜溶解后作為接種液。采樣期間利用TASI- 620數(shù)字式溫濕度計(jì)測(cè)定采樣環(huán)境溫度和濕度，利用TASI- 641風(fēng)速儀測(cè)定風(fēng)速(表1)。

表1 采樣點(diǎn)環(huán)境因子Table 1 Environmental factors of sampling sites

1.2.2 BIOLOG-GN操作方法

接種混勻的接種液于BIOLOG-GN板中，每孔接種量125 μL，接種后的BIOLOG-GN板置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)[23]，每隔24 h于BIOLOG讀數(shù)器上讀數(shù)，波長(zhǎng)590 nm，直至光密度值穩(wěn)定為止，整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程共持續(xù)8d。

1.3 計(jì)算方法

1.3.1 微生物碳源代謝水平

平均光密度值(AWCD)計(jì)算方法[23]：AWCD=∑(C-R)/n，式中C為反應(yīng)孔光密度值，R為對(duì)照孔光密度值，n為底物數(shù)量，對(duì)于不同BIOLOG微平板n值不同， BIOLOG-GN板為95。

1.3.2 微生物多樣性計(jì)算方法

選用72 h光密度值計(jì)算5個(gè)不同功能區(qū)空氣微生物群落多樣性指數(shù)[24]： Shannon指數(shù)(H′)、McIntosh指數(shù)(U)和Simpson指數(shù)(D)。計(jì)算公式見(jiàn)表2。

表2 空氣微生物群落多樣性指數(shù)計(jì)算方法Table 2 Computational methods for diversity index of airborne microbial community

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

選取72 h平均光密度值(AWCD)利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行主成分分析(PCA)，利用CANOCA軟件進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)[25]。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度變化

平均光密度值(AWCD)能夠衡量空氣微生物利用不同碳源的整體能力，表征微生物生理活性，從代謝水平上揭示空氣微生物群落功能多樣性。青島市5個(gè)功能區(qū)AWCD隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，最初48 h內(nèi)曲線較平緩，72 h AWCD值進(jìn)入指數(shù)增長(zhǎng)期，192 h達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(圖1)。方差分析表明，海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物碳源代謝水平與其余各功能區(qū)存在顯著性差異(P<0.05)。培養(yǎng)過(guò)程中，人工濕地、市區(qū)街道和垃圾填埋場(chǎng)空氣微生物碳源代謝水平較低，在192 h時(shí)AWCD值仍小于0.1，而海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物碳源代謝水平相對(duì)較高。5個(gè)功能區(qū)AWCD值變化趨勢(shì)不同，表明各功能區(qū)空氣微生物碳源利用能力、豐度等存在差異。

2.2 空氣微生物群落碳源利用水平分析

BIOLOG-GN板包含95種碳源，根據(jù)碳源官能團(tuán)可將其劃為6類，其中糖類(Carbohydrates)30種、羧酸類(Carboxylic acids)24種、氨基酸類(Amino acids)20種、胺/氨類(Amines/amides)6種、聚合物類(Polymers)5種、其他(Miscellaneous)10種[26]。5個(gè)功能區(qū)空氣微生物對(duì)6類碳源利用程度存在差異，海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物碳源代謝水平高于其他功能區(qū)?？諝馕⑸锾荚创x優(yōu)勢(shì)群落依次為羧酸類代謝群落、糖類代謝群落、氨基酸類代謝群落。5個(gè)功能區(qū)空氣微生物對(duì)羧酸類和糖類碳源利用程度均較高，對(duì)其它化合物類利用程度較低，其中，對(duì)胺/氨類代謝水平最低，市區(qū)街道、垃圾填埋場(chǎng)和飲用水源地空氣微生物基本不能代謝這類碳源。同一功能區(qū)對(duì)不同碳源的利用程度也存在差異(圖2)。

圖1 青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物AWCD變化Fig.1 Average well color development (AWCD) changes of airborne microbes at five city functional regions in Qingdao City

圖2 青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落對(duì)BIOLOG平板碳源的相對(duì)利用率Fig.2 Relative utilization ratios of carbon sources in BIOLOG plate by the airborne microbes at five city functional regions in Qingdao City

2.3 空氣微生物群落種群多樣性分析

采用Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)和McIntosh指數(shù)分析5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落功能多樣性，3種多樣性指數(shù)反映了空氣微生物群落功能多樣性不同側(cè)面，其中，Shannon指數(shù)受群落物種豐富度影響較大，反映了微生物群落物種種數(shù)及種間個(gè)體分配的均勻性；Simpson指數(shù)反映了群落中最常見(jiàn)的物種，是評(píng)估微生物群落優(yōu)勢(shì)度的指標(biāo)；McIntosh指數(shù)則是度量群落物種均一度的指標(biāo)?？梢钥闯觯琒hannon指數(shù)飲用水源地最低，其次為海濱區(qū)域，其余3個(gè)功能區(qū)基本相同，Simpson指數(shù)除飲用水源地較低外，其余4個(gè)功能區(qū)基本相同，McIntosh指數(shù)差異較大，飲用水源地和海濱區(qū)域明顯高于其余3個(gè)功能區(qū)(表3)。

表3 不同功能區(qū)空氣微生物群落多樣性指數(shù)Table 3 Diversity index of airborne microbial community at five city functional regions in Qingdao City

2.4 空氣微生物群落代謝功能主成分分析(PCA)

利用主成分分析法(PCA)分析青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落代謝功能，共提取2個(gè)主成分，其中主成分1(PC1)方差貢獻(xiàn)率37.6%，主成分2(PC2)方差貢獻(xiàn)率23.0%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率60.6%，能夠解釋原有變量大部分變異。在PC1上載荷大于0.9的基質(zhì)有15種，主要是羧酸類、氨基酸及糖類，其中D-葡萄糖二酸載荷最大(0.968)；在PC2上載荷大于0.9的基質(zhì)有9種，主要是氨基酸和糖類，其中D-葡萄糖- 6-磷酸載荷最大(0.984)(表4)。PC1、PC2上載荷大于0.9的基質(zhì)類型和利用率較高的碳源類型一致。

表4 與PC1、PC2相關(guān)系數(shù)大于0.9的基質(zhì)

Table 4 Correlation coefficients greater than 0.9 between carbon substrates and Principal component 1(PC1) or Principal component 2 (PC2)

基質(zhì)Carbonsource主成分1Principalcomponent1PC1(r)基質(zhì)Carbonsource主成分2Principalcomponent2PC2(r)D-葡萄糖二酸0.968D-葡萄糖-6-磷酸0.984肝糖0.960α-環(huán)式糊精0.978L-谷氨酸0.959L-蘇氨酸0.976N-乙酰-D-半乳糖胺0.958L-鳥(niǎo)氨酸0.972L-丙氨酸0.955L-絲氨酸0.966L-脯氨酸0.954D-阿拉伯醇0.965吐溫800.953麥芽糖0.963α-戊酮酸0.948尿苷0.939乙酸0.944松二糖0.900α-D-乳糖0.931D-葡萄糖0.925奎寧酸/金雞鈉酸0.914γ-羥丁酸0.904L-海藻糖0.902i-赤蘚糖醇0.903

根據(jù)青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝相似性可以將5個(gè)功能區(qū)歸為3類，其中市區(qū)街道、人工濕地及垃圾填埋場(chǎng)歸為一類；海濱區(qū)域歸為一類；飲用水源地歸為一類。在PC1上，3類區(qū)域空氣微生物碳源代謝差異顯著，碳源利用譜容易區(qū)分。考察成分載荷矩陣可知，羧酸類在PC1上載荷較大，是碳源代謝差異區(qū)域性的主要分異碳源類型(圖3)。

2.5 非生物因素對(duì)空氣微生物群落碳源代謝水平的影響

研究表明，非生物因素(溫度、濕度、海拔、風(fēng)速、風(fēng)向等)對(duì)空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度和單一碳源利用能力有不同程度影響[27- 29]。CCA典范對(duì)應(yīng)分析能夠從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度分析環(huán)境因子和空氣微生物群落碳源代謝相關(guān)性，揭示不同環(huán)境條件下微生物群落結(jié)構(gòu)變化原因。從青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度與環(huán)境因子CCA分析排序圖中可以看出，溫度、濕度與人工濕地、垃圾填埋場(chǎng)、市區(qū)街道空氣微生物群落碳源代謝水平呈正相關(guān)，與海濱區(qū)域、飲用水源地呈負(fù)相關(guān)；風(fēng)速與人工濕地、垃圾填埋場(chǎng)、市區(qū)街道空氣微生物群落碳源代謝水平呈負(fù)相關(guān)，與海濱區(qū)域、飲用水源地呈正相關(guān)(圖4)。

圖3 5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落BIOLOG微平板中底物碳源代謝的主成分分析Fig.3 Principal Component analysis (PCA) of BIOLOG plate data profiles revealed the patterns of microbial communities at five city functional regions in Qingdao City

圖4 5個(gè)功能區(qū)碳源代謝強(qiáng)度與環(huán)境因子CCA分析排序Fig.4 A two-dimensional graph analysis of canonical correspondence analysis (CCA) coordination for AWCD of five airborne microbial community and environment factors

3 討論

不同環(huán)境條件或不同環(huán)境介質(zhì)微生物群落碳源代謝強(qiáng)度、碳源代謝類型差異顯著，微生物群落碳源代謝呈現(xiàn)區(qū)域性，并且分異這種區(qū)域性的碳源類型隨環(huán)境條件和環(huán)境介質(zhì)改變而不同[23,27,29- 31]。

3.1 空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度變化

AWCD可以評(píng)估空氣微生物利用不同碳源的整體能力，從功能代謝水平上揭示空氣微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，是反映空氣微生物活性、描述空氣微生物群落功能多樣性的重要指標(biāo)[29]。青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度存在差異，其中，海濱區(qū)域、飲用水源地空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度較高，人工濕地、市區(qū)街道和垃圾填埋場(chǎng)空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度較低。研究表明，高輻射、寡營(yíng)養(yǎng)及干燥環(huán)境使得一些生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)孢子和芽孢的類群(如放線菌和芽孢桿菌)占優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致碳源利用能力降低[32]，而B(niǎo)IOLOG方法對(duì)生長(zhǎng)緩慢、不能很好利用BIOLOG板中碳源的微生物反映能力較差[33]。海濱區(qū)域和飲用水源地環(huán)境濕度較大，導(dǎo)致空氣微生物生理活性和碳源利用強(qiáng)度相對(duì)較高。對(duì)比BIOLOG方法在土壤微生物群落代謝中的研究結(jié)果[34- 43]，發(fā)現(xiàn)空氣微生物群落碳源代謝整體水平較低，可能與空氣微生物組成及采樣季節(jié)有關(guān)[44]。

3.2 空氣微生物群落多樣性

Shannon指數(shù)(H′)、McIntosh指數(shù)(U)和Simpson指數(shù)(D)分別從微生物群落豐富度、均一性及常見(jiàn)種群優(yōu)勢(shì)度等方面反映空氣微生物群落多樣性。青島市不同功能區(qū)空氣微生物群落豐富度和優(yōu)勢(shì)度接近，但群落均一度存在差異，飲用水源地和海濱區(qū)域空氣微生物群落物種較均一，可能由于該功能區(qū)環(huán)境濕度大，晝夜溫差小，為一些微生物種群提供適宜生存條件[27,29]，同時(shí)，冬季海濱區(qū)域和飲用水源地受人為因素影響較少，揚(yáng)塵等對(duì)空氣微生物群落組成擾動(dòng)較小，從而形成相對(duì)均一穩(wěn)定的空氣微生物群落。

3.3 空氣微生物群落碳源代謝水平差異

青島市5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落碳源代謝類型和代謝水平存在差異，且呈現(xiàn)區(qū)域性。海濱區(qū)域空氣微生物群落碳源代謝類型主要是糖類、氨基酸類、羧酸類及聚合物類，對(duì)糖類代謝水平最高；飲用水源地碳源代謝類型主要是聚合物類、羧酸類、氨基酸類及糖類，對(duì)聚合物類碳源代謝水平最高；市區(qū)街道、人工濕地和垃圾填埋場(chǎng)空氣微生物群落主要碳源代謝類型是羧酸類、糖類；5個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落對(duì)羧酸類碳源代謝水平均較高。研究發(fā)現(xiàn)，空氣微生物群落碳源代謝水平與所處環(huán)境條件具有相關(guān)性，環(huán)境條件影響空氣微生物的來(lái)源，同時(shí)構(gòu)成微生物生存的特殊生境，影響其生理活性，使空氣微生物群落碳源代謝差異呈現(xiàn)區(qū)域性[17,19]。冬季人工濕地、垃圾填埋場(chǎng)和市區(qū)街道均有濕度低、溫差大的特點(diǎn)，并且垃圾填埋場(chǎng)和市區(qū)街道空氣微生物群落組成受人為活動(dòng)影響較大，但研究發(fā)現(xiàn)人工濕地、市區(qū)街道和垃圾填埋場(chǎng)空氣微生物群落碳源代謝相近，推測(cè)這3個(gè)功能區(qū)空氣微生物群落組成及生理活性受溫度、濕度等環(huán)境因子影響較大。海濱區(qū)域和飲用水源地盡管有著相似的溫度、濕度條件，但由于海水環(huán)境和淡水環(huán)境差異，形成空氣微生物生境差異，同時(shí)海風(fēng)也會(huì)影響空氣微生物群落組成，導(dǎo)致海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物群落碳源代謝存在差異。

4 結(jié)論

(1)青島市5個(gè)功能區(qū)冬季空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度和代謝類型存在差異。海濱區(qū)域和飲用水源地空氣微生物群落碳源代謝強(qiáng)度明顯高于其他功能區(qū)，且碳源代謝類型豐富，代謝水平相對(duì)較高。

(2)青島市5個(gè)功能區(qū)冬季空氣微生物豐富度和種群優(yōu)勢(shì)度接近，而群落物種均一度存在差異?？諝馕⑸锶郝涮荚创x差異呈現(xiàn)區(qū)域性，可以歸為3類，分別為:①海濱區(qū)域、②飲用水源地、③人工濕地、市區(qū)街道和垃圾填埋場(chǎng)。羧酸類是分異不同功能區(qū)空氣微生物碳源代謝差異區(qū)域性的主要碳源類型。

(3)BIOLOG方法能夠從微生物群落碳源代謝強(qiáng)度、碳源代謝類型及碳源利用區(qū)域性分異等方面研究微生物群落代謝，但只能反映在BIOLOG-GN板上能夠生長(zhǎng)的微生物。要全面研究空氣微生物群落結(jié)構(gòu)特征，還需要結(jié)合基因多樣性方面的研究。

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Metabolic characteristics and community diversities of airborne microbes at different functional regions in Qingdao in winter

WU Dengdeng, SONG Zhiwen*, XU Ailing, ZHENG Yuan, XIA Yan

CollegeofEnvironmentandMunicipalEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China

Airborne microbes are major biological components of the ecosystem that have important ecosystem functions, affect human health and air pollution, and are key indicators of air quality. To determine the metabolic characteristics and community diversity of airborne microbes in different functional regions of Qingdao in winter, sampling sites were set up in five different functional regions (urban streets, a coastal area, drinking water source area, municipal landfill, and artificial wetlands). Airborne microbes were then collected using an SAS ISO100 air sampler in January 2013 and their carbon source metabolic characteristics, functional diversity, and relationship with environmental factors were systematically analyzed by the BIOLOG method. The results revealed significant differences in carbon metabolic profiles of air microbial communities from the five locations. When metabolism was stable, the average well color developments of samples from the coastal area and drinking water source area were 0.302 and 0.21, respectively, whereas those of artificial wetlands, urban streets, and municipal landfill were 0.063, 0.025, and 0.034, respectively. Therefore, the levels of carbon metabolism in the coastal area and drinking water source area were higher than those at other locations. The Shannon indexes and Simpson indexes at the five different functional regions were similar. However, the McIntosh indexes at the coastal area and drinking water source area were higher than those at other locations. Overall, the microbial diversity and dominant species differed among functional regions, but microflora was distributed more evenly in the coastal area and drinking water source area. Among the five locations, carbon catabolic types and levels in the coastal area and drinking water source area were richer and higher than those in the artificial wetlands, urban streets, and municipal landfill. Overall, the airborne microbes in various functional areas had high carbohydrate and carboxylic acid metabolism, and air microbial communities in the coastal and drinking water source areas had better ability to metabolize polymers, carbohydrates, carboxylic acids, and amino acids than those in the artificial wetlands, urban streets, and municipal landfill. The characteristics of carbon metabolism revealed regional differences that were mainly caused by carboxylic acids. Specifically, urban streets, municipal landfills, and artificial wetlands had similar metabolic characteristics, and could be classified together. Additionally, coastal and drinking water source areas had different characteristics, and could be classified respectively. Environmental factors such as wind speed, temperature, and humidity may affect carbon utilization to a certain degree; however, the dominant factors will differ among environments. The results of canonical correspondence analysis (CCA) showed that wind speed and the carbon metabolism of the coastal area and drinking water source area were positively correlated, while they were negatively correlated with temperature and humidity. However, urban streets, municipal landfill, and artificial wetlands were positively correlated with temperature and humidity and negatively correlated with wind speed. The BIOLOG method could provide a large amount of multi-dimensional data, compare carbon metabolic characteristics of the microbial community between samplers, and reflect characteristics of the carbon metabolic diversity of airborne microbes objectively and generally, making it an ideal method for studying functional diversity of airborne microbes.

Qingdao City; city functional regions; airborne microbial community; metabolic characteristics; microbial diversity; BIOLOG method

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170509)

2013- 06- 05;

日期:2014- 05- 08

10.5846/stxb201306051339

*通訊作者Corresponding author.E-mail: songzhiwen@qtech.edu.cn

吳等等，宋志文，徐愛(ài)玲，鄭遠(yuǎn)，夏巖.青島市不同功能區(qū)冬季空氣微生物群落代謝與多樣性特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(7):2277- 2284.

Wu D D, Song Z W, Xu A L, Zheng Y, Xia Y.Metabolic characteristics and community diversities of airborne microbes at different functional regions in Qingdao in winter.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2277- 2284.