南京花神湖3種沉水植物表面附著微生物群落特征*

劉凱輝,張松賀,呂小央,郭 川,韓 冰,周為民

(河海大學環(huán)境學院，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

南京花神湖3種沉水植物表面附著微生物群落特征*

劉凱輝,張松賀*,呂小央,郭 川,韓 冰,周為民

(河海大學環(huán)境學院，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，南京 210098)

沉水植物表面附著微生物系統(tǒng)是水生態(tài)的重要組成部分，然而當前對其了解仍不清楚.南京市花神湖是一個城市湖泊，沉水植物生長區(qū)域面積占湖面面積的40%左右.盡管花神湖的氮、磷營養(yǎng)鹽水平很高，但最近未發(fā)生過藻類水華現(xiàn)象.本文以南京市花神湖中自然生長的優(yōu)勢種菹草(Potamogetoncrispus)、伊樂藻(Elodeanuttallii)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)為研究對象，利用掃描電鏡和熒光顯微鏡觀測了葉表面附著微生物群落的分布特征，測定了植物表面附著微生物的密度及附生藻類的種類、密度和優(yōu)勢種群，并比較分析了不同水生植物之間附生藻類的差異性.結(jié)果表明，沉水植物表面微生物群落的分布與物種和葉齡有關(guān).3種沉水植物中，菹草表面微生物群落結(jié)構(gòu)最為復雜，微生境最為豐富.底部老葉片上面附著較多的微生物且表現(xiàn)出較高的生物多樣性.植物表面附著微生物密度大小順序為：菹草>金魚藻>伊樂藻；植物表面附生藻類密度大小順序為：菹草>金魚藻>伊樂藻.總體來講，沉水植物表面微生物總量大概比藻類數(shù)量高1～2個數(shù)量級.這為深入研究沉水植物及其表面微生物的生態(tài)功能奠定了基礎(chǔ).

水生植物；微生物群落；附生藻類；微生境；花神湖；菹草；伊樂藻；金魚藻

水生植物廣泛分布在江、河、湖泊等水體中，是自然景觀的重要組成部分.水生植物生長的水塘或濕地很早就被利用來消納污水[1].生物膜(又稱為附植生物群落)是在水生植物-水界面上附著的，由藻類、細菌、真菌等微生物構(gòu)成的微生物群落，普遍存在于大、中型淺水湖泊中[2-3].附植生物群落的形成與宿主植物及周圍水體環(huán)境聯(lián)系密切[4]，其不僅受水體營養(yǎng)鹽、光照、溫度等非生物環(huán)境因子影響，還與沉水植物、食草動物、浮游植物等水生生物類群間存在著復雜的相互作用[5].水生態(tài)系統(tǒng)中的水生植物，尤其是沉水植物為附植生物群落提供了較大的附著面積，進而形成了結(jié)構(gòu)復雜的微生態(tài)類型[6].

這些水生植物及其表面附植生物群落是水體自凈體系的重要組成部分，在污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化及維持生態(tài)平衡方面起著重要作用[7-8].水生植物生長過程中不僅從水體中直接吸收/降解污染物質(zhì)、吸附水體的懸浮物、固著沉積物以及為水生動物提供食物、棲息和產(chǎn)卵場所[9]，還可通過光合作用釋放氧氣在水生植物葉片—生物膜—水界面形成“好氧”微環(huán)境，對水體中碳、氮等要素的轉(zhuǎn)化有著較大影響.比如植物表面附著生物膜內(nèi)的微生物群落對有機物及無機氮等具有較強的代謝能力，能夠為水生植物提供有機復合物和二氧化碳、促進營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，且部分微生物還能抑制對水生植物有害微生物的生長，附植生物群落對水生植物的生長有著顯著的影響[10-12].然而，當前世界范圍內(nèi)都面臨著濕地面積降低、水生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，對受污染水體進行生態(tài)修復和污染治理，是目前國內(nèi)外環(huán)境保護研究中的核心問題[13-14].

水生植物的恢復是提高水體自凈能力的前提和基礎(chǔ)[15-16].水生植物恢復將會大大提高其表面附著微生物群落的面積，兩者對水生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復起著不可替代的作用[17].但當前在受污染水體的水生植物恢復過程中，研究關(guān)注水生植物本身較多，而對水生植物-表面附著生物膜特性及其對外界相關(guān)影響因素的響應關(guān)系研究得不足，這在對受損水體進行污染治理和水生態(tài)修復過程中會遇到較多問題.因此，對水生植物表面附著微生物群落特征以及水生植物與其附著微生物群落之間相互關(guān)系進行研究，對于水生態(tài)修復而言是十分必要的.

本研究以富營養(yǎng)化水體中附著在沉水植物表面的微生物為研究對象，利用熒光顯微鏡及電子顯微鏡觀測水生植物表面附著微生物群落的分布特征、藻類組成及多樣性，比較并分析了3種不同沉水植物表面附著微生物分布的差異性，以期增加人們對沉水植物表面附著微生物群落的了解.

1 材料與方法

1.1 材料

水樣(植物區(qū)和無植物區(qū))及植物樣品(菹草(Potamogetoncrispus)、伊樂藻(Elodeanuttallii)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum))采自南京市花神湖，采樣時間為2013年4月下旬.植物區(qū)設(shè)4個取樣點，包括湖區(qū)中心點4個、次岸邊2個(距離岸邊2m左右)，每個點取約0.7～1kg新鮮植物樣品和1000ml水樣；無植物區(qū)設(shè)2個取樣點(湖區(qū)中心點和次岸邊各1個)，每個取樣點采集1000ml水樣.花神湖位于南京市雨花臺區(qū)，著名旅游景點雨花臺以南2km，面積56000m2，同時也是市區(qū)城南最大湖泊，湖面呈長條形，東西向較窄，水面寬度平均200m左右，水體最深處可達18m2.在湖區(qū)的西北部生長著大量沉水植物，是花神湖自然景觀的重要組成部分.取出的生物樣品直接放入冰盒中，帶回實驗室待分析.

1.2 實驗方法

1.2.1 水質(zhì)的測定及富營養(yǎng)化評估 水質(zhì)均參照國標進行測定，水體的富營養(yǎng)化程度采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法進行界定.總氮濃度(TN)的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-1989)；總磷濃度(TP)的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB1183-1989)；葉綠素a濃度(Chl.a)用葉綠素水下熒光分析儀測定；水體透明度(SD)用塞氏盤法測定；化學耗氧量(COD)采用堿性高錳酸鉀法測定(GB/T5750.7-2006).

綜合營養(yǎng)度計算公式為：

TLI(TN)=10(5.453+1.694 lnTN)

(1)

TLI(TP)=10(9.436+1.624 lnTP)

(2)

TLI(Chl.a)=10(2.5+1.086 lnChl.a)

(3)

TLI(SD)=10(5.118-1.94 lnSD)

(4)

TLI(COD)=10(0.109+2.661 lnCOD)

(5)

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

(6)

式中，TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重.

為了說明湖泊富營養(yǎng)狀態(tài)情況，采用0～100的一系列連續(xù)數(shù)字對湖泊營養(yǎng)狀態(tài)進行分級：TLI(∑)<30為貧營養(yǎng)狀態(tài)；30≤TLI(∑)≤50為中營養(yǎng)狀態(tài)；5070為重度富營養(yǎng)狀態(tài).在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越重.

1.2.2 沉水植物表面微生物密度的測定 采集一定量的植物葉片經(jīng)簡單清洗表面附著物后，根據(jù)植株生長特征分成兩組進行以下處理：1) 植株表面微生物數(shù)量分析，取每個取樣點的15株完整同類植株的全部葉片，并稱重；2) 每個樣品點的每類植株選取50株，分上、下部分取樣(中間部分不用于分析)，分別稱重.上述樣品取樣后，分批次放置于50ml離心管中，加入pH為7.2冰冷的10mlPBS溶液(10mmol/L)及小型玻璃珠顆粒(直徑約1mm)，用恒溫培養(yǎng)震蕩器震蕩5min，在超聲波清洗器中以40W的功率清洗1min后，繼續(xù)震蕩5min.取出清洗后的葉片平鋪在附有保鮮膜的玻璃板上，放在光下以直尺為對照進行拍照，計算葉片的表面積.對洗脫液分梯度稀釋，選取適當濃度的洗脫液，并從中取100μl洗脫液用700μl濃度為10μg/ml的DAPI染色液避光染色30min后，過濾至0.22μm的濾膜上.將濾膜制片在熒光顯微鏡下觀察、拍照[18-19].

1.2.3 沉水植物表面附生藻類的觀測 取全植株清洗樣品用于分析植物表面附生藻類，洗脫方法同1.2.2，洗脫液加魯哥試劑固定24h.充分混勻固定后的洗脫樣品，滴3滴于浮游生物計數(shù)框中央，蓋上蓋玻片，在熒光顯微鏡40倍物鏡下觀察、計數(shù)及分類.

1.2.4 沉水植物表面微生物群落結(jié)構(gòu)及特征的觀測 選擇生長于植物頂部、中部以及靠近根部的葉片，用手術(shù)刀片用力均勻地快速切取3片位置相同的樣品并轉(zhuǎn)移至24孔板中.依次用30%、50%、70%、80%、90%的酒精脫水各15min，再用100%的酒精脫水兩次，每次15min.脫水后的樣品在冷凍干燥儀中干燥12h備用.將制備好的植物樣品噴金后，使用日立S-4800場發(fā)射掃描電鏡進行觀察.選擇生長于植物頂部、中部以及靠近根部的葉片，放置在盛有5μg/ml的DAPI染色液中避光染色30min后，使用100ml 0.1M PBS(pH=7.2)清洗3～5次后，放置在顯微鏡下觀察.

1.2.5 統(tǒng)計分析 實驗數(shù)據(jù)主要利用四格表和雙向無序R×C表進行統(tǒng)計分析.

水生植物表面附生藻類的多樣性采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)進行分析.Shannon-Wiener多樣性指數(shù)用來估算群落多樣性的大小,公式為：

(7)

式中，S表示總物種數(shù)，Pi表示i個種占總數(shù)的比例[20].當群落中只有一個居群存在時，Shannon-Wiener指數(shù)達最小值0；當群落中有兩個以上的居群存在，且每個居群僅有一個成員時，Shannon-Wiener指數(shù)達到最大值lnk.

2 實驗結(jié)果

2.1 花神湖水質(zhì)

水質(zhì)測定結(jié)果為：Chl.a濃度為0.039mg/L；SD為0.5m；CODMn為45mg/L.無植物區(qū)TN含量為9.91±0.02mg/L，TP含量為0.90±0.01mg/L；植物區(qū)總氮含量為9.91±0.01mg/L，總磷含量為0.90±0.02mg/L.測定結(jié)果表明植物區(qū)和無植物區(qū)水樣中的TN和TP含量基本無差別，說明花神湖水體的流動性較好，水質(zhì)均勻.根據(jù)測定的各項水質(zhì)指標計算出水體的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(∑)為61.97，故花神湖水體處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài).

2.2 沉水植物植株表面總微生物密度

通過對菹草、伊樂藻和金魚藻等3種植株表面的微生物進行洗脫及染色觀察分析，發(fā)現(xiàn)在相同水域(外部營養(yǎng)鹽水平、光照、溶解氧等均相同)條件下：單位葉片表面積下，菹草葉表面的微生物密度最大(7.20×105cells/cm2)，其次為伊樂藻(4.86×104cells/cm2)和金魚藻(2.78×104cells/cm2)；在單位質(zhì)量上，菹草葉表的微生物含量最大(4.04×107cells/g)，而伊樂藻(3.24×106cells/g)和金魚藻(3.48×106cells/g)間的差異不大.總體上，單位重量和面積的菹草葉片上附著的微生物的濃度遠高于附著在伊樂藻和金魚藻葉片上的.

2.3 3種沉水植物植株表面附生藻類組成

2.3.1 3種沉水植物植株表面附生藻類的組成 藻類通常附著在沉水植物表面上，經(jīng)過顯微鏡觀察，共檢測出26種藻類，其中18、17和15種藻類分別附著在菹草、伊樂藻和金魚藻葉片上(表1).有10種藻類在3種沉水植物葉片上都有檢出.總體來講這些植物表面藻類中，比例較高的前5類藻類依次為：小球藻、微囊藻、卵形藻、新月藻和絲藻.根據(jù)Shannon-Wiener指數(shù)，計算出菹草、伊樂藻和金魚藻類表面附生藻類多樣性指數(shù)分別為1.602、1.568和1.469.

表1 水生植物表面附生藻類組成*

* “—”表示未檢測出該藻.

菹草表面附生藻類生物量大小為：綠藻門>硅藻門>藍藻門>黃藻門>隱藻門；伊樂藻表面附生藻類生物量大小為：綠藻門>硅藻門>藍藻門>黃藻門>隱藻門；金魚藻表面附生藻類生物量大小為：綠藻門>硅藻門>藍藻門>黃藻門(圖1).花神湖中菹草、伊樂藻和金魚藻表面的附生藻類種類都很豐富，主要包括綠藻門、硅藻門、藍藻門、黃藻門等(圖1和表1).3種水生植物表面的藻類著生密度均以綠藻門最大，其次為硅藻門和藍藻門.3種植物表面著生的藻類種類數(shù)量也存在差異：菹草表面附生藻類以硅藻門種類最多，其次為綠藻門、藍藻門、黃藻門等；伊樂藻表面附生藻類也以硅藻門的種類最多，綠藻門次之，隱藻門最少；金魚藻表面附生藻類則以綠藻門種類最多，其次是藍藻門，再次是硅藻門.

圖1 各水生植物表面附生藻類比例情況Fig.1 The proportion of epiphytic algae attached on three aquatic macrophytes

2.3.2 3種沉水植物植株葉片表面附生藻類密度 單位葉片面積上的藻類密度大小依次為，菹草>金魚藻>伊樂藻,分別為1.42×104、6.46×103、1.23×104cells/cm2.從單位葉片質(zhì)量上來講，菹草的藻類密度最大(5.61×105cells/g)，而金魚藻(4.40×105cells/g)的略高于伊樂藻(4.18×105cells/g)的.

2.4 3種沉水植物表面微生物群落結(jié)構(gòu)及特征的觀測

為了深入分析植物表面附著微生物群落的分布特征，本研究分別利用電子顯微鏡和熒光顯微鏡，從不同角度(尺度)分析微生物在植物葉片的附著特點及密度特征.

2.4.1 掃描電鏡下的沉水植物表面附著微生物特點 菹草頂層(圖2A)葉片上有典型的桿菌群落存在，但未形成類似生物膜的多種微生物和堆積狀結(jié)果，而在底部葉片(圖2B)上有較多的藻類和群落特征.伊樂藻頂層葉片(圖2C)上有明顯的球狀菌和桿菌特征；而底部葉片(圖2D)上有藻類和微生物克隆等特征.金魚藻葉片(圖2E)表面微生物群落較為豐富，但大都以細菌為主，而在底部葉片上有較多的藻類及其他微生物類型(圖2F).這些微生物通過自身分泌的物質(zhì)粘連聚集在一起并附著在植物上，且可明顯看出附著微生物群落沒有完全覆蓋水生植物表面.總體上，頂部葉片上以細菌等微生物為主，而底部則為藻類、細菌等構(gòu)成的復雜微生物群落結(jié)構(gòu).

2.4.2 熒光顯微鏡下的3種沉水植物表面附著微生物特征 菹草的葉片比伊樂藻和金魚藻的要寬大，但后兩種植物的葉片相對較多.與掃描電鏡的結(jié)果相似，如圖3所示，植物頂部葉片表面附著的微生物不太明顯，而在底部葉片上明顯看出附著物.

2.4.3 沉水植物表面附著微生物的分布規(guī)律 通過對3種沉水植物頂部和底部植物表面微生物進行分析顯示：在單位面積和重量上，3種植物中，菹草的頂部和底部微生物密度均最高；同一種植物頂部植物微生物密度均小于底部植物葉片(表2).這與2.3中測定的結(jié)果相符.

3 分析與討論

水質(zhì)分析結(jié)果表明，盡管花神湖處于中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，且比太湖(50～60)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)高，與滇池營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(60～80)相當，但卻并未導致花神湖湖泊水體出現(xiàn)水華，而處于相對較低富營養(yǎng)水平的太湖以及營養(yǎng)狀態(tài)水平相當?shù)牡岢貐s在夏、秋季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)水華現(xiàn)象.其主要原因可能與生長區(qū)域面積占整個湖泊面積40%的沉水植物有關(guān)，而菹草、伊樂藻和金魚藻為該區(qū)域沉水植物的優(yōu)勢種群.已有研究表明，沉水植物是生態(tài)系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)組成和調(diào)節(jié)者，V.americana的種植顯著降低了浮游植物、細菌和絲狀藻類的生物量[21].

表2 水生植物表面單位面積和單位質(zhì)量附著微生物密度

圖2 掃描電鏡下菹草(A、B)、伊樂藻(C、D)和金魚藻(E、F)葉片表面微生物分布特征(A、C、E為植物頂部葉片表面；B、D、F為植物底部葉片表面)Fig.2 The distribution of microorganisms attached on Potamogeton crispus (A, B), Elodea nuttallii(C,D) and Ceratophyllum demersum (E,F) by scanning electron microscope (A, C and E show the leaf at upper part of each aquatic plant; B, D and F show the leaf of the lower part of plant)

為了更深入地探討沉水植物的作用，我們對沉水植物及其表面的附著微生物群落進行了觀測分析.結(jié)果顯示，水生植物表面的附著微生物總密度比附生藻類密度平均高兩個數(shù)量級，即附著細菌、真菌及放線菌的密度要遠大于附生藻類密度，這主要有兩個方面的原因(圖1和圖3)：一方面，細菌、真菌及放線菌的個體普遍小于藻類個體.細菌、真菌和放線菌大小主要介于0.5～10μm之間，雖然不同藻類大小相差懸殊，但其平均大小為幾十微米.個體越小越易于粘附于植物表面，這是由最初粘附階段的機理決定的.最初的粘附效應主要是一系列物理作用，它們對生物的粘附行為起促進或抑制作用.個體越小，其布朗熱運動越激烈，隨之它們與被粘附表面隨機碰撞接觸的幾率越大，所以越容易附著于表面.另一方面，細菌表面分布有氨基、羧基和磷酸基等多種化學基團，細菌因此帶有一定量的電荷，如果用甲醛掩飾氨基，或用EDC(碳二亞胺)和甲胺掩飾羧基來改變細菌表面電荷特征，就可以觀察到細菌粘附行為的明顯變化[22].通過靜電作用，也使得細菌粘附于植物表面的可能性增大.此外，水生植物生長過程中分泌的代謝物質(zhì)也是造成附著細菌、真菌及放線菌密度遠高于附生藻類密度的重要影響因素[23].

附著在3種水生植物表面的附生藻類密度均以綠藻門最大，這可能是由這3種水生植物生長水域的較高營養(yǎng)鹽濃度引起的.有研究表明，生長在正常營養(yǎng)鹽水平自然水體中的菹草，在其整個生活史中，附生藻類的平均密度均以硅藻門最大，其次是綠藻門、藍藻門等[12]，但氨氮對附生藻類群落結(jié)構(gòu)的影響非常明顯[24].不同水生植物表面附著微生物密度存在差異性，菹草表面微生物群落密度最大，金魚藻次之，而伊樂藻最小.沉水植物表面的附著微生物群落可能受到寄主植物和棲息環(huán)境影響[25].其主要原因一方面是由于不同植物的代謝產(chǎn)物不同，這些代謝產(chǎn)物影響其表面微生物群落，這符合相關(guān)研究的結(jié)果.有研究表明，M.spicatum分泌的含有酚類的化感物質(zhì)能夠抑制藻類、藍細菌和異養(yǎng)細菌的生長，從而可能影響其表面附著生物群落組成[26].也有研究利用32P和14C同位素示蹤技術(shù)證明，32P和光反應中14CO2的產(chǎn)物主要由蝦形藻和大葉藻向其附生藻類輸送，附生藻類同時也向海草葉片傳遞營養(yǎng)物質(zhì)，但前者為主要存在形式[27].部分附著在沉水植物表面的藻類能充分吸收利用宿主植物分泌的可溶性有機物質(zhì)進行生長[28].另一方面，沉水植物可以為其上的附植生物群落提供著生面積和固定的生存基質(zhì)[17]，而不同植物所能提供的著生面積各不相同，這也對其表面微生物群落的形成產(chǎn)生影響.與伊樂藻和金魚藻相比較，菹草所能提供的著生面積明顯更大.同時，研究還表明水生植物不僅能夠分泌有機物為微生物提供有機碳源，還能夠通過光照進行光合作用釋放氧氣等引起微生物膜“微環(huán)境”(溶解氧、氧化還原電位、pH值等)發(fā)生晝夜變化，從而影響其表面附著微生物群落結(jié)構(gòu)[29-31].

在自然界中，附著植物葉片表面上附著有極其復雜的組成成分，除了微型生物群落(藻類、細菌、真菌、原生動物、輪蟲、甲殼動物等)，還包括衰老和死亡的細胞以及一些無機顆粒[2]，這也與本實驗的觀測結(jié)果相一致.通過電鏡觀察及各水生植物不同部位表面單位面積和單位質(zhì)量附著微生物比例情況分析，得知同種水生植物底部葉片表面的微生物群落生物量要大于植物頂部，底部葉片表面的生物膜結(jié)構(gòu)更明顯.菹草、伊樂藻和金魚藻3種水生植物的不同部位表面附著微生物的密度、群落也存在差異性，植物底部表面的微生物密度及多樣性均要大于其頂部表面.經(jīng)過分析，認為和以下4方面有關(guān)：

1) 生物膜的形成過程.最近研究發(fā)現(xiàn)，微生物在其他固態(tài)介質(zhì)表面的粘附是一個分階段進行的過程，最初的粘附是可逆的.在這個階段中，微生物與被粘附表面之間的作用力比較弱，用2.5%的NaCl溶液沖洗即可使粘附個體脫離表面[32].隨著時間的推移，粘附逐漸發(fā)展為不可逆，這是微生物在粘附過程中不斷分泌細胞外聚合物，增強表面間相互作用的結(jié)果[33].進入此階段后，用2.5%的NaCl溶液沖洗也不能使粘附個體脫離表面.微生物粘附到表面后，在適宜的環(huán)境條件下會不斷增殖擴展，最終在粘附表面形成比較穩(wěn)定且復雜的微生物群落結(jié)構(gòu).

2) 植物的生長狀態(tài).首先，植物頂部多為新生葉片，其細胞生長分裂的速率要明顯快于植物底部衰老的細胞，生長分裂的細胞代謝快.另外在外界的脅迫作用下會分泌某些次生代謝物質(zhì)從而形成防御機制來抑制附生生物的生長.有研究表明，水生植物生長快時，其附著微生物密度和生物量較生長慢及衰亡時要低得多；年幼和年老的葉片上藻類的群集時間有長、短之別，尤其是年老葉片處于衰敗階段時，通過自溶作用能分泌出大量的溶解性有機物，促進附著微生物群落的生長[12].水生植物的不同生長狀況是影響其表面附著微生物的重要因素[34].

3) 水流作用.水流是影響水體生物膜形成、結(jié)構(gòu)與微生物群落組成的最主要因素之一[35]，高流速水體中河床表面生物膜的厚度比低流速中的要小，而低流速下有利于提高生物膜生物量[36].水生植物生長在水中，其表面附著的微生物群落會受到水流的影響，上層水體比下層水體的運動要更加劇烈，植物頂部所處的水層比植物底部水流運動更加劇烈，從而使得原本附著在其表面的附著微生物群落脫離的幾率增大.當流速過大時，會破壞其表面附著生物膜結(jié)構(gòu)，甚至對植物產(chǎn)生機械損傷[37].

4) 葉片周圍的微環(huán)境.由于沉積物中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物，遠大于水體中的營養(yǎng)物質(zhì)含量和微生物數(shù)量.在水體流動及水生動物活動的作用下沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物被頻繁地釋放到水體中，然后在重力作用下又回到沉積物中，形成了下層水體的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物含量要高于上層水體的現(xiàn)象.有研究也表明，在淺水湖泊中，風浪作用強弱并未影響水體懸浮顆粒物濃度的垂向分布規(guī)律，即底層水體懸浮物含量要顯著高于上層水體[38].相較于植物頂部，植物底部表面處于較下層的水體中，故其周圍的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物的含量要更高，這有利于提高微生物附著及定植效率，有利于復雜微生物群落結(jié)構(gòu)的形成.

4 結(jié)論

以花神湖為例，分析高氮、磷等營養(yǎng)鹽條件下，3種不同水生植物表面附著微生物群落、藻類的密度和分布特征，結(jié)果表明：沉水植物表面附著有微生物群落，并表現(xiàn)出較高的生物差異性，從數(shù)量看，群落內(nèi)微生物以細菌、真菌和放線菌為主，且遠大于附生藻類的數(shù)量.3種水生植物中，菹草表面微生物群落結(jié)構(gòu)最為復雜，微生境最為豐富.附著微生物密度順序為：菹草>金魚藻>伊樂藻，而附生藻類種類數(shù)量大小順序為：菹草>伊樂藻>金魚藻.水生植物的差異性是影響其表面附著微生物群落生長的重要因素.單位質(zhì)量和面積上，沉水植物頂層葉片上微生物的數(shù)量比底部葉片上的低.

[1] 倪樂意.大型水生植物.北京:科學出版社，1999：224-241.

[2] Allanson BR. The fine structure of the periphyton of Char asp andPotamogetonnatansfrom Wytham Pond,Oxford,and its significance to the macrophyte-periphyton metabolic model of RG Wetzel and HLAllen.FreshwaterBiology, 1973,3(6):535-542.

[3] Bronmark C. Interactions between epiphytes macrophytes and freshwater snails a review.JournalofMolluscanStudies, 1989，55(2):299-311.

[4] Gross EM，Claudia F，Andrea G. Epiphyte biomass and elemental composition on submersed macrophytes in shallow eutrophic lakes.Hydrobiologia, 2003 :559-565 DOI: 10.1023/B:HYDR.0000008538.68268.82.

[5] 顧詠潔，王秀芝，廖祖荷.利用著生生物群落動態(tài)變化監(jiān)測水質(zhì)的研究.華東師范大學學報：自然科學版，2005，(4)：87-94.

[6] 紀海婷，謝 冬，周恒杰等.沉水植物附植生物群落生態(tài)學研究進展.湖泊科學，2013，25(2)：163-170.

[7] Jaschinski SD，Brepohl C. The tropic importance of epiphytic algae in a freshwater macrophyte system (PotamogetonperfoliatusL.)： stable isotope and fatty acid analyses.AquaticSciences,2010,73(1):91-101.

[8] 李 博.生態(tài)學.北京：高等教育出版社，2007：117-118.

[9] 劉玉超.羅非魚-附著藻-沉水植物相互關(guān)系研究進展.生態(tài)環(huán)境學報，2010，19(10)：2511-2514.

[10] Kim MA，Richardson JS. Effects of light and nutrients on grazer-periphyton interactions. Proceedings of a Conference on the Biology and Management of Species and Habitats at Risk, Kamloops, B.C., Kamloops, 1999:497-502,15-19.

[11] Liborussen L，Jeppesen E. Temporal dynamics in epipelic，pelagic an d epiphytic algal production in a clear an d a turbid shallow lake.FreshwaterBiology,2003,48(3):418-431.

[12] 蘇勝齊，沈盎綠，姚維志.菹草著生藻類的群落結(jié)構(gòu)與數(shù)量特征初步研究.西南農(nóng)業(yè)大學學報，2002，24(3)：255-258.

[13] 劉鴻亮.湖泊富營養(yǎng)化控制.北京:中國環(huán)境科學出版社，2011.

[14] 秦伯強.太湖水環(huán)境演化過程與機理.北京：科學出版社，2004.

[15] 種云霄，胡洪營，錢 易.大型水生植物在水污染治理中的應用研究進展.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003，2(2)：36-40.

[16] 吳建強，黃沈發(fā)，丁 玲.水生植物水體修復機理及其影響因素.水資源保護，2007，7(4)：18-36.

[17] 姚 潔，劉正文.羅非魚對附著藻類和浮游植物影響的初步研究.生態(tài)科學，2010，29(2)：147-151.

[18] Cai X， Gao G， Yang Jetal. An ultrasonic method for separation of epiphytic microbes from freshwater submerged macrophytes.JournalofBasicMicrobiology, 2013.doi: 10.1002/jobm.201300041.

[19] 李琳琳，湯祥明，高 光等.沉水植物生態(tài)修復對西湖細菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響.湖泊科學，2013，25(2)：188-198.

[20] Pielou EC. Ecological diversity.New York:John Wiley & Sons Inc，1975.

[21] Cathleen W， John W， Karin Letal. Effect ofVallisneriaamericana(L.) on community structure and ecosystem function in lake mesocosms.Hydrobiologia, 2000,418(9):137-146.

[22] Heckels JE， Blackett B， Ward MEetal. The influence of surface charge on the attachment of Neisseria gonohoeaeto human cells.JournalofGeneralMicrobiol, 1976,96(3):359-364.

[23] Gniazdowska A， Bogatek R. Allelopathic interactions between plants. Multi site action of allelochemicals.ActaPhysiologiaePlantarum, 2005,27(3):395-407.

[24] 楊美玖，宋玉芝.氨氮濃度對苦草上附植藻類定植的影響.環(huán)境科學與技術(shù)，2012，35(12)：6-9.

[25] Melanie H， Maja B， Irmgard Betal. Epiphytic bacterial community composition on two common submerged macrophytes in brackish water and freshwater.BMCMicrobiology, 2008,8:58 doi:10.1186/1471-2180-8-58.

[26] Melanie H， Hans-Peter G， Gross EM. Community composition of bacterial biofilms on two submerged macrophytes and an artificial substrate in a pre-alpine lake.AquaticMicrobialEcology，2009,58(1):79-94.

[27] Harlin MM. Transfer of products between epiphytic marine algae and host plants.JournalofPhycology, 1973,9(3):243-248.

[28] Acs E，Kiss KT. Investigation of periphytic algae in the Danube at God(1669 river km, Hungary).ArchHydrobiologia, 1991,62(8)：47-67.

[29] Eriksson PG, Weisner SEB. An experimental study on effects of submersed macrophytes on nitrification and denitrification in ammonium-rich aquatic systems.LimnologyandOceanography, 1999, 44(8): 1993-1999.

[30] Hempel M, Grossart HP, Gross EM. Community composition of bacterial biofilms on two submerged macrophytes and an artificial substrate in a pre-alpine lake.AquaticMicrobialEcology, 2009,58(1): 79-94.

[31] Kreiling RM, Richardson WB, Cavanaugh JCetal. Summer nitrate uptake and denitrification in an upper Mississippi River backwater lake: the role of rooted aquatic vegetation.Biogeochemistry, 2011,104(1/2/3):309-324.

[32] 羅岳平，李益健.細菌和藻類的粘附行為及其生態(tài)學意義.生態(tài)學雜志，1996，15(5)：55-61.

[33] Marshall KC， Stout Ruby， Mitchell Retal. Mechanism of the initial events in the sorption of marine bacteria to surfaces.Microbiology, 1971,68(3):337-348.

[34] Cai X, Gao G, Tang X, Dong Betal. The response of epiphytic microbes to habitat and growth status ofPotamogetonmalaianusMiq. in Lake Taihu.JournalofBasicMicrobiology, 2013,53(10):828-837.

[35] Woodcock S，Besemer K，Battin TJetal. Modelling the effects of dispersal mechanisms and hydrodynamic regimes upon the structure of microbial communities within fluvial biofilms.EnvironMicrobiol, 2012,doi:10.1111/1462-2920.12055.

[36] Battin TJ， Kaplan LA， Newbold Jetal. Contributions of microbial biofilms to ecosystem processes in stream mesocosms.Nature,2003,426(6965):439-442.

[37] Bornette G， Puijalon S. Response of aquatic plants to abiotic factors: a review.AquaticSciences, 2011,73(1):1-14.

[38] 朱廣偉，秦伯強，高 光.強弱風浪擾動下太湖的營養(yǎng)鹽垂向分布特征.水科學進展，2004，15(6)：676-680.

The characteristics of epiphytic microbes of three submerged macrophytes in Lake Huashen

LIU Kaihui, ZHANG Songhe, Lü Xiaoyang, GUO Chuan, HAN Bing & ZHOU Weimin

(KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakeofMinistryofEducation,CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,P.R.China)

Submerged plants-epiphytic microbes system is an important component of aquatic ecosystems, but little is known about their status and roles. Lake Huashen is an urban lake, where submerged plants occupied about 40% of the water surface. Although concentrations of nutrients (P and N) were high in Lake Huashen, the algal blooms have never occurred in recent years. In order to explain this phenomenon in Lake Huashen, we determined the density of epiphytic microbes and dominant epiphytic algae attached on the surface of three submersed macrophytes includingPotamogetoncrispus,ElodeanuttalliiandCeratophyllumdemersum, investigated their distribution using the scanning electron microscopy and fluorescence microscopy and further compared the difference in algae composition among three plants. The results showed that the distribution of microbial communities on leaf surface were related to the foliar age and species of submerged plant. Among the three submerged plants, a higher density and complex structures of epiphyticmicrobial community were found on leaf surface ofPotamogetoncrispusas compared to the other two plants. The quantity of algae and epiphytic microbes were higher on lower leaves of plants than that on the upper leaves. The densities of epiphytic microbes among three plants were in sequence:Potamogetoncrispus>Ceratophyllumdemersum>Elodeanuttallii, and as for algae, in sequencePotamogetoncrispus>Elodeanuttallii>Ceratophyllumdemersum. In general, the number of total epiphyticmicrobes is about 1-2 orders higher than that of algae. The study provided useful information to study the structure and function of submerged plants-epiphytic microbes system.

Aquatic plants; microbial community; epiphytic algae; microhabitat; Lake Huashen;Potamogetoncrispus;Elodeanuttallii;Ceratophyllumdemersum

*國家自然科學基金項目(51379063)和江蘇省自然科學基金項目(BK2012413)聯(lián)合資助.2014-01-19收稿；2014-05-12收修改稿.劉凱輝(1991～)，男，碩士研究生；E-mail：kaihui1209369059@163.com.

**通信作者；E-mail: shzhang@hhu.edu.cn.