大凌河流域典型水生植物微生物群落吸附特征試驗(yàn)分析

趙小龍

(遼寧省營(yíng)口水文局，遼寧 營(yíng)口 115003)

水生植物對(duì)河流水質(zhì)具有一定程度的水體凈化作用，尤其是對(duì)重金屬和氮磷污染物具有較為明顯的吸附作用[1]。細(xì)菌微生物主要吸附在植物的表面，和水生植物松散或緊密結(jié)合在一起形成具有共生的細(xì)菌微生物[2]。水生植物作為生態(tài)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和功能影響較為明顯[3]。水生植物可吸附污染物，通過光合作用為水生生物棲息和產(chǎn)卵提供條件[4]。沉水和浮葉植物通過漂浮葉面為微生物群落提供吸附空間，微生物與生物膜之間存在緊密聯(lián)系，相互影響。近些年來，許多學(xué)者采用各種方法對(duì)水域浮游植物群落時(shí)空變化特征與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行深入探討，其中高通測(cè)序方法應(yīng)用較為成熟和廣泛，研究成果均表明水生植物生物群落吸附作用有助于流域水生態(tài)功能結(jié)構(gòu)的改善[5-7]。

大凌河是遼寧西部地區(qū)第一大河，在全國(guó)流域生態(tài)保護(hù)建設(shè)的大背景下，大凌河流域生態(tài)功能和影響研究也取得較為豐富的成果[8]。但是對(duì)于較為重要的水生植物的微生物吸附特征分析還較少，為對(duì)大凌河生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提供參考依據(jù)，本文對(duì)大凌河流域5種典型水生植物，通過高通測(cè)序方法，對(duì)其生物群落的吸附特征進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

以大凌河流域五刺金魚藻、格菱、狐尾藻、水蓼及蘆葦5種水生植物為研究對(duì)象，水體樣本和水生植物均來自大凌河流域。各樣本采集的時(shí)間分別為2018年4月(春季)、2018年7月(夏季)、2018年10月(秋季)以及2018年12月(冬季)。

1.2 水質(zhì)的測(cè)定

對(duì)采樣區(qū)域水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，水質(zhì)參數(shù)見表1。結(jié)合不同季節(jié)的水質(zhì)測(cè)定數(shù)據(jù)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)采樣區(qū)域不同水生植物的污染物吸附情況進(jìn)行了解，見表2。

表1 不同采樣區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)

表2 各季節(jié)不同類型水生植物污染物削減量結(jié)果

1.3 生物群落的測(cè)定

采樣高通測(cè)序方法對(duì)不同水生植物的生物群落進(jìn)行測(cè)定。以采用高通測(cè)序方法后各樣本長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，以其對(duì)應(yīng)不同長(zhǎng)度的數(shù)值為縱坐標(biāo)，進(jìn)行不同長(zhǎng)度序列的測(cè)序分布分析。不同測(cè)序劃分為多個(gè)OTU(菌群多樣性指數(shù))，測(cè)序閾值在1%～3%可表示為微生物物種，微生物的屬以5%OTU來表示，微生物的綱以15%OTU來表示，以不同類型序列長(zhǎng)度最長(zhǎng)為序列代表，采用RDP(BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)樣本)訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)為樣本數(shù)據(jù)系列進(jìn)行注釋，得到不同OTU原始分類數(shù)據(jù)系列，由于原始數(shù)據(jù)系列含有的OTU數(shù)據(jù)系列較少，序列的置信水平較低，對(duì)樣品中測(cè)定的不同微生物的數(shù)目和豐度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，隨著高通測(cè)序數(shù)據(jù)樣本序列的增加，對(duì)樣本曲線進(jìn)行稀釋，當(dāng)稀釋后曲線逐步平穩(wěn)后，則表明測(cè)序樣本序列已經(jīng)足夠。對(duì)高通測(cè)序進(jìn)行校正，分析其微生物的覆蓋指數(shù)，校正結(jié)果見表3。

表3 不同水生植物的生物群落高通測(cè)序分析結(jié)果

2 不同水生植物附著微生物多樣性及密度試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微生物多樣性指數(shù)分析結(jié)果

采用高通測(cè)序方法，對(duì)大凌河流域五刺金魚藻、格菱、狐尾藻、水蓼及蘆葦5種水生植物在不同季節(jié)的多樣性指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

表4 不同季節(jié)各水生植物的多樣性指數(shù)分析結(jié)果

從OTU和Chao(菌種豐富度)指數(shù)可看出，各季節(jié)中五刺金魚藻和狐尾藻的附著生物群落的多樣性指數(shù)均高于其他水生植物，夏季和秋季各水生植物的覆蓋指數(shù)均較高，在冬季覆蓋指數(shù)達(dá)到最低值，Shannon(生物量豐富度)指數(shù)和Simpon(生物種類覆蓋度)指數(shù)表示為各水生植物附著生物的適宜性。從分析結(jié)果可以看出，大凌河流域各典型水生植物適宜指數(shù)存在明顯的季節(jié)性差異，夏季和秋季適宜指數(shù)較高，藻類附著生物的群落適宜性高于浮葉植物表層，微生物群落在浮葉植物根部的結(jié)構(gòu)與其表面存在明顯差異。

2.2 微生物密度測(cè)定結(jié)果

對(duì)不同季節(jié)各水生植物表層和根部單位質(zhì)量微生物附著群落密度進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表5、表6。

表5 各水生植物表面單位質(zhì)量微生物附著群落密度測(cè)定結(jié)果

表6 各水生植物根部單位質(zhì)量微生物附著群落密度測(cè)定結(jié)果

從各水生植物表層單位質(zhì)量微生物附著群落密度測(cè)定結(jié)果可看出，五刺金魚藻表層微生物附著密度最大，其次為狐尾藻，水蓼和蘆葦表層微生物附著密度最低。各季節(jié)不同水生植物表層微生物附著密度差異性較大，這主要和植物生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。夏季屬于藻類易生長(zhǎng)季節(jié)，因此，其微生物附著密度較大；而進(jìn)入冬季和秋季，由于藻類受溫度影響較大，不容易生長(zhǎng)，微生物附著密度降低。而蘆葦作為典型的浮葉植物，其微生物在其表層附著密度較小，但進(jìn)入秋季后，蘆葦相比于其他浮葉植物更為茂密。因此，其表層附著密度有所增加。從各水生植物根部微生物附著密度可看出，沉水植物如五刺金魚藻、狐尾藻及格菱根系微生物附著密度，同樣存在季節(jié)差異，但浮葉植物根系微生物附著群落密度有所降低。

3 不同水生植物附著微生物群落結(jié)構(gòu)分析

3.1 附著微生物群落豐富度分析

不同季節(jié)各微生物附著密度有所不同，從而影響各微生物的群落結(jié)構(gòu)。為此對(duì)不同季節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，結(jié)果見表7。

表7 不同季節(jié)各水生植物生物群落豐富度分析結(jié)果

在不同季節(jié)的樣品中各分析45種菌類微生物，其中，變形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂桿菌、桿菌、疣微菌門的豐富度之和占據(jù)95%以上，為大凌河5種典型水生植物最為優(yōu)勢(shì)的菌類微生物。和各水生植物群落季節(jié)交替變化類似，其微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯的季節(jié)變化。夏季和秋季變形菌為第一優(yōu)勢(shì)菌種微生物；春季和冬季變形菌優(yōu)勢(shì)有所降低；隨著冬季氣溫的逐步降低，桿菌的優(yōu)勢(shì)有所增加。

3.2 附著微生物群落分類水平分析

優(yōu)屬度主要表征生物群落的豐富程度，在各水生植物不同季節(jié)的群落結(jié)構(gòu)特征分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其不同季節(jié)各水生植物附著微生物群落優(yōu)屬度(豐度)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表8。

表8 不同季節(jié)水生植物附著微生物群落優(yōu)屬度比較

續(xù)表

從表8中可以看出，在各典型水生植物中夏季和秋季各類微生物菌類優(yōu)屬度均較好，這是由于夏季和秋季氣溫適合水生植物生長(zhǎng)；春季和冬季各水生植物吸附的微生物菌類優(yōu)屬度有所變化，這主要和各水生植物生長(zhǎng)及分泌的物質(zhì)有關(guān)，呈現(xiàn)一定程度的專一宿主型。在植物生長(zhǎng)初期菌類附著較為隨機(jī)，而在快速生長(zhǎng)期通過對(duì)水體周圍養(yǎng)分進(jìn)行汲取，使得菌類微生物群落結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，而由于溫度降低及養(yǎng)分的減少使得各水生植物吸附的微生物菌類衰亡，也說明微生物對(duì)環(huán)境影響敏感程度高于水生植物的類型。

3.3 附著微生物群落與水環(huán)境相關(guān)性分析

采用環(huán)境因子相關(guān)分析方法分析不同季節(jié)附著微生物群落指數(shù)與4種主要水環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果見表9。

表9 不同季節(jié)水生植物附著微生物群落與水環(huán)境相關(guān)性分析結(jié)果

將不同季節(jié)各水生植物的附著微生物菌落與TP、TN、pH值、CODMn進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)在春季各微生物菌落與TP、TN、pH值均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與CODMn呈現(xiàn)正相關(guān)，和TN的負(fù)相關(guān)系數(shù)最高。夏季各微生物菌類與4種水環(huán)境指標(biāo)均呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)性排序?yàn)門N>TP>pH值>CODMn,夏季溫度較高，更有利于微生物菌類在水生植物上的吸附。秋季各水生植物微生物吸附菌類與TN、TP呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與其他兩個(gè)水環(huán)境指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)，而在冬季由于溫度降低，各水生植物吸附的微生物群落活性程度較低，使得水環(huán)境因子對(duì)其影響的程度也有所減小。

4 結(jié) 論

本文采用高通測(cè)序方法對(duì)大凌河流域水生植物微生物群落進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)微生物密度測(cè)定的數(shù)據(jù)及不同水生植物附著微生物群落結(jié)構(gòu)分析可知，各微生物群落在不同季節(jié)豐度上存在明顯差異性，其中水環(huán)境對(duì)生物群落的影響比植物類型要高，從而得出如下結(jié)論：

a.變形菌門為大凌河藻類植物優(yōu)勢(shì)菌種，其厭氧性較高，可對(duì)有機(jī)碳和重金屬進(jìn)行有效降解。因此，建議在夏季適當(dāng)加大大凌河藻類植物數(shù)量，從而增加變形菌門在藻類植物的吸附密度，以改善水體中的有機(jī)碳和重金屬含量。

b.桿菌對(duì)水體中有機(jī)物的降解作用較為明顯，在水蓼根系吸附密度較大。因此，建議在秋季可適當(dāng)增加水蓼水生植物的數(shù)量，提高水蓼根系密度，從而對(duì)水體中有機(jī)物的含量進(jìn)行有效吸附和降解。

c.雖然微生物菌類對(duì)水體中有機(jī)碳、重金屬以及有機(jī)物有生物降解作用，但其生態(tài)功能還需要進(jìn)一步討論，尤其是在夏季其與TN、TP呈現(xiàn)正相關(guān)性，因此，對(duì)于水生植物不同季節(jié)的生態(tài)適宜數(shù)量還需探討，并不是各季節(jié)微生物菌類越多越好。

本研究成果可為恢復(fù)大凌河流域水生植物、修復(fù)流域水生態(tài)系統(tǒng)和防治水體富營(yíng)養(yǎng)化提供參考。