草海湖濱帶沉積物微生物群落對(duì)磷形態(tài)的影響

龍?jiān)拼?蔣 娟,胡 菁,張珍明,朱成斌,蘇榮翔,周少奇*

草海湖濱帶沉積物微生物群落對(duì)磷形態(tài)的影響

龍?jiān)拼?,2,蔣 娟1,2,胡 菁2,張珍明1,2,朱成斌2,蘇榮翔1,周少奇2*

(1.貴州科學(xué)院貴州省生物研究所,貴州 貴陽(yáng) 550009；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

為探究高原湖泊湖濱帶沉積物中微生物群落對(duì)磷賦存形態(tài)的影響,以草海湖濱帶沉積物為研究對(duì)象,分析了磷素賦存形態(tài);通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)分析了細(xì)菌和古菌的群落組成.結(jié)果表明,草海湖濱帶表層沉積物的總磷含量范圍在662.89～881.26mg/kg之間,平均值為750.36mg/kg;各磷形態(tài)中NaOH-NRP＞Res-P＞BD-P＞HCl-P＞NaOH-SRP＞NH4Cl-P.細(xì)菌群落由變形菌門(mén)(Proteobacteria)等59個(gè)門(mén)和硫桿菌屬()、厭氧粘細(xì)菌屬()等1259個(gè)屬組成;古菌群落由泉古菌門(mén)(Crenarchaeota)等8個(gè)門(mén)和甲烷絲菌屬()等67個(gè)屬組成.冗余分析、主成分分析和共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析表明,微生物群落能驅(qū)動(dòng)草海沉積物中磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化,細(xì)菌主要通過(guò)影響鐵的氧化/還原和堿性磷酸酶的活性;古菌則通過(guò)改變有機(jī)質(zhì)和酸性磷酸酶活性來(lái)調(diào)控沉積物磷形態(tài).

沉積物；高通量測(cè)序；磷形態(tài)；共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)；古菌

沉積物是湖泊系統(tǒng)中污染物的主要蓄積場(chǎng)所,沉積物內(nèi)源磷是湖泊中水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[1].沉積物中不同磷形態(tài)的遷移度和生物利用度存在差異[2].已有研究表明微生物可以通過(guò)分泌有機(jī)酸、磷酸酶等胞外物質(zhì),在土壤和沉積物中磷的循環(huán)中起關(guān)鍵作用[3-4].沉積物中豐富的微生物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)、元素遷移轉(zhuǎn)化、污染物降解和水體自?xún)舻冗^(guò)程中發(fā)揮著重要作用[5].古細(xì)菌作為除細(xì)菌和真核生物外的主要域,雖介導(dǎo)了甲烷生成、有機(jī)物分解、好氧氨氧化、硫酸鹽還原和磷酸鹽增溶等生物地球化學(xué)過(guò)程[6],但對(duì)古菌的研究較少,需更多的關(guān)注.

湖濱帶作為水體生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的水陸交錯(cuò)帶[7],其沉積物中微生物群落的組成結(jié)構(gòu)和功能受到周邊人類(lèi)活動(dòng)的干擾.由于高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特殊性,其沉積物中的微生物群落也與其他生態(tài)系統(tǒng)中有著顯著不同[8].貴州草海,典型的高原湖泊,臨近威寧縣城且周邊村莊耕地眾多,其人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的湖濱帶微生物群落組成變化及其對(duì)元素生物地球化學(xué)循環(huán)的影響也鮮為人知.因此,本研究以貴州草海的湖濱帶沉積物為研究對(duì)象,分析沉積物細(xì)菌和古菌的群落組成、多樣性和磷素賦存形態(tài),探究沉積物中微生物群落對(duì)磷形態(tài)的影響.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州草海位于云貴高原中部,是國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、典型的高原濕地生態(tài)系統(tǒng).草海湖區(qū)面積25km2,平均海拔2171.7m,年平均氣溫10.5℃,年平均日照時(shí)長(zhǎng)1805.4h,年平均降雨量950mm[9].草海是黑頸鶴等鳥(niǎo)類(lèi)的越冬棲息地,有“高原明珠”美稱(chēng)[10].威寧縣城位于草海東北部,距離草海湖區(qū)僅數(shù)公里.此外,依托西海碼頭(位于草海北側(cè))、江家灣碼頭(位于草海北側(cè))、白家嘴碼頭(位于草海東側(cè))的旅游活動(dòng)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成了強(qiáng)烈干擾.

1.2 樣品采集與處理

2019年6月,根據(jù)草海濕地湖濱帶的地形設(shè)置如圖1所示的12個(gè)采樣點(diǎn)(編號(hào)分別為S21～S32).使用抓斗采樣器采集0～10cm表層沉積物樣品,裝入無(wú)菌自封袋內(nèi)密封低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室.沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后去除石塊、動(dòng)植物殘?bào)w等雜質(zhì),研磨,過(guò)100目篩后置于-20℃冰箱內(nèi)待測(cè).

圖1 貴州草海湖濱帶沉積物采樣點(diǎn)分布

1.3 沉積物磷形態(tài)及性質(zhì)測(cè)定

沉積物中磷形態(tài)的測(cè)定采用Psenner化學(xué)順序提取方法[11],該方法將磷分為弱吸附態(tài)磷(NH4Cl- P)、可還原態(tài)磷(BD-P)、鐵鋁氧化態(tài)磷(NaOH- SRP)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)磷(NaOH-NRP)、鈣結(jié)合態(tài)磷(HCl-P)和殘?jiān)鼞B(tài)磷(Res-P) 6種磷形態(tài).沉積物燒失量(LOI)采用灼燒法測(cè)定,沉積物酶活性檢測(cè)采用索萊寶土壤酶活性檢測(cè)試劑盒利用分光光度法測(cè)定.

1.4 沉積物微生物多樣性分析

使用Power Soil?DNA提取試劑盒(Mo Bio Laboratories)提取0.5g沉積物中的細(xì)菌和古菌DNA.使用通用引物338F/806R擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA的V3～V4高變區(qū);使用引物524F/958R擴(kuò)增古菌的16S rRNA.PCR擴(kuò)增產(chǎn)物純化、建庫(kù)后在Illumina MiSeq PE300平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序(上海美吉生物公司執(zhí)行).測(cè)序原始序列經(jīng)拼接、篩選、聚類(lèi)后,獲得的有效序列進(jìn)行生物信息學(xué)分析.

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013和SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,利用Origin 2018作圖.采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析理化指標(biāo)與磷形態(tài)的相關(guān)性,采用主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)探討微生物群落對(duì)磷賦存形態(tài)的影響,采用Gephi 0.9.2軟件分析沉積物微生物群落與磷形態(tài)的共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò).

2 結(jié)果與分析

2.1 草海沉積物中細(xì)菌群落組成

表1 微生物群落的alpha多樣性指數(shù)

對(duì)于細(xì)菌微生物群落,12個(gè)樣品的有效序列共452683條,平均長(zhǎng)度為417.77bp.根據(jù)相似水平取值97%,共聚類(lèi)8786OTUs.本文采用Chao1指數(shù)反映草海沉積物微生物群落的豐富度,Shannon評(píng)價(jià)微生物群落的多樣性.從表1可以看出,草海湖濱帶沉積物細(xì)菌群落的Chao1指數(shù)為(4347±654.89),高于白洋淀湖泊的沉積物(Chao1指數(shù)(1354.96±645.82))[12]、華南地區(qū)的紅樹(shù)林沉積物(Chao1指數(shù)(2243±96))[13],這說(shuō)明草海湖濱帶沉積物中細(xì)菌群落的豐富度較高.Shannon值與群落多樣性呈正比[14],Shannon指數(shù)的平均值為(6.58±0.41),說(shuō)明草海湖濱帶沉積物中的細(xì)菌群落較為多樣.

根據(jù)分類(lèi)學(xué)分析,12個(gè)樣本的沉積物細(xì)菌群落共包含59門(mén)、141綱、375目、654科、1259屬、2762種.在門(mén)水平上,變形菌門(mén)(Proteobacteria)占主導(dǎo)地位(19.80%～51.26%).其次是,綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、芽單胞菌門(mén)(Gemmatimonadetes)、Patescibacteria門(mén)、埃普西隆桿菌門(mén)(Epsilonbacteraeota)、棒狀桿菌門(mén)(Rokubacteria)、疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、Latescibacteria門(mén)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)、藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria)、螺旋體門(mén)(Spirochaetes)、硝棘菌門(mén)(Nitrospinae)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)16門(mén),其相對(duì)豐度均大于1%(圖2a).在屬水平上,硫桿菌屬()和厭氧粘細(xì)菌屬()的豐度最高(圖2b),其次是梭菌屬()、硫氧化菌屬()、鐵氧化屬()、厭氧繩菌屬()、地發(fā)菌屬()、地桿菌屬()、芽單胞菌屬()、苔蘚桿菌屬()等.

2.2 草海沉積物中古菌群落組成

對(duì)于古菌群落,12個(gè)樣品的有效序列共470522條,平均長(zhǎng)度為427.94bp.根據(jù)97%相似性,聚類(lèi)至979OTUs.從表1可以看出,古菌群落的Chao1指數(shù)為(333.42±59.76),說(shuō)明草海湖濱帶沉積物古菌群落的豐富度低.Shannon指數(shù)為(2.90±0.63),說(shuō)明草海湖濱帶沉積物細(xì)菌群落多樣性不高.比較細(xì)菌和古菌群落,兩者有效序列數(shù)無(wú)顯著差異,且古菌群落的有效序列數(shù)還稍高;聚類(lèi)得到的OTU數(shù),細(xì)菌群落遠(yuǎn)高于(8.97倍)古菌群落;分類(lèi)得到的門(mén)、屬的數(shù)量,細(xì)菌群落也遠(yuǎn)高于古菌群落.細(xì)菌群落的豐富度遠(yuǎn)高于(大于11倍)古菌群落,但細(xì)菌群落的多樣性稍高于(2.27倍)古菌群落.

系統(tǒng)發(fā)育分類(lèi)結(jié)果顯示,12個(gè)樣本的古菌群落共包含8個(gè)古菌門(mén),包括25綱37目50科67屬152種.在門(mén)分類(lèi)水平上,相對(duì)豐度大于1%的古菌門(mén)有5個(gè),如圖3a所示.豐度最高的門(mén)為泉古菌門(mén)(Crenarchaeota),其相對(duì)豐度分布范圍為4.46%～71.17%,平均值為44.49%;其次為廣古菌門(mén)(Euryarchaeota)、奇古菌門(mén)(Thaumarchaeota)、Asgardaeota門(mén)、Diapherotrites門(mén).未分類(lèi)(unclassified)古菌門(mén)和相對(duì)豐度低于0.1%的稀有古菌門(mén)歸類(lèi)于“Others”,其占比為1.04%～8.99%,平均值為2.68%.圖3b列出了草海沉積物中古菌群落的主要屬.甲烷絲菌屬()相對(duì)豐度最高,其次為、甲烷八疊球菌屬()、甲烷桿菌屬()、等.值得注意的是,未確定分類(lèi)地位的屬(unclassified、norank)和稀有屬(相對(duì)豐度在所有樣本中均低于0.1%)占每個(gè)樣本相對(duì)豐度的50%以上.此外,在所有樣品中無(wú)法確定分類(lèi)地位的屬的平均相對(duì)豐度約為80%,這表明草海沉積物中存在大量未知作用的古菌.總體來(lái)看,盡管各樣點(diǎn)沉積物均包含有大部分微生物類(lèi)群,但各采樣點(diǎn)的微生物群落組成存在一定差異.

2.3 草海湖濱帶沉積物磷素賦存特征

湖泊沉積物是水生態(tài)系統(tǒng)中磷的重要蓄積庫(kù),生活污水、農(nóng)業(yè)排放的磷及湖泊生物組成磷都可能進(jìn)入到沉積物中,使沉積物中的磷素富集增多.草海湖濱帶表層沉積物的總磷含量分析結(jié)果如圖4所示,草海湖濱帶沉積物不同點(diǎn)位受不同人類(lèi)活動(dòng)影響其總磷有所差異,其中S29、S31、S32采樣點(diǎn)的總磷含量最高.S29采樣點(diǎn)位于草海東南部,周邊村莊耕地分布多;S31、S32采樣點(diǎn)位于草海東北部,臨近威寧縣城.據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)耕地磷肥年平均使用量高達(dá)100kg/hm2,分別是美國(guó)和歐盟同期磷肥使用量的2.6和2.5倍.在這種長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度施肥之后,只有10%～15%的磷能被吸收,而其余的則流失到徑流和/或地下水中[15].另外,畜禽糞便產(chǎn)量達(dá)60億t(2015年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)),但60%以上的畜禽糞便未經(jīng)處理而隨意排放.因此,S29樣點(diǎn)總磷含量高可能與周邊村莊的含磷生活污水、畜禽糞便及農(nóng)業(yè)面源污染的無(wú)序排放有關(guān).此外,2017年之前,威寧縣城每天連續(xù)向草海直接排放約8000t污水[8].S31、S32采樣點(diǎn)臨近威寧縣城,其總磷含量高與歷史上長(zhǎng)期排放未經(jīng)處理的污水有關(guān).總磷含量范圍在662.89～881.26mg/kg之間,平均值為750.36mg/kg.貴州草?？偭缀窟h(yuǎn)高于長(zhǎng)江中下游的洞庭湖、鄱陽(yáng)湖、洪澤湖等湖泊(600mg/kg以下)[16],這與貴州草海為半封閉性城市高原湖泊有關(guān).草海海拔較高、換水周期長(zhǎng)、易于沉積物磷的累積,并長(zhǎng)期受縣城污水排放及周邊農(nóng)業(yè)面源污染徑流輸入的影響,因此需加強(qiáng)草海流域生活污水及農(nóng)業(yè)徑流的處理與控制.

圖4 沉積物各形態(tài)磷含量分布

如圖4所示,NaOH-NRP是各形態(tài)中占比最高的磷組分,其含量為262.37～354.78mg/kg,平均值為314.25mg/kg.通常NaOH-NRP為有機(jī)物和微生物生物質(zhì)結(jié)合的磷[11],相對(duì)化學(xué)惰性,但在一定條件下可轉(zhuǎn)化為小分子正磷酸鹽.草海湖濱帶沉積物中占比最小的是NH4Cl-P,含量為1.42～5.10mg/kg.NH4Cl-P是一種松散吸附態(tài)磷,是最不穩(wěn)定、生物有效性最高的磷組分,容易被水生植物利用并釋放到上覆水體中[17].樣點(diǎn)S29,S31, S32的總磷和NH4Cl-P含量都較高,磷素釋放潛力較大.BD-P對(duì)氧化還原條件非常敏感,主要是與鐵氫氧化物和錳化合物結(jié)合的磷,具有潛在的遷移性[18].草海湖濱帶沉積物BD-P含量為60.07～113.64mg/kg. NaOH-SRP通常被認(rèn)為是與鐵鋁結(jié)合的磷組分,并與氧化還原不敏感的氫氧化鋁強(qiáng)耦合[11].NH4Cl-P、BD-P、NaOH-SRP和NaOH-NRP被認(rèn)為是活性磷[17].活性磷較為活躍,受沉積物-水界面的物理、化學(xué)及生物條件變化影響較大,在生物地球化學(xué)作用下可能發(fā)生一系列的遷移轉(zhuǎn)化,影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的分布.草海湖濱帶沉積物中的活性磷總含量為430.99～516.58mg/kg,平均值為472.05mg/kg,占總磷的63.21%.相對(duì)較高的活性磷占比預(yù)示著大部分磷可釋放至上覆水體,草海湖濱帶沉積物中能釋放至水體的潛在內(nèi)源磷負(fù)荷不容忽視.

Res-P即殘?jiān)鼞B(tài)磷,主要是大分子有機(jī)磷或其他難溶性磷,被認(rèn)為是永久結(jié)合態(tài)磷[19], 其平均含量為204.75mg/kg. HCl-P即鈣磷,是與沉積碳酸鈣或自生的磷灰石結(jié)合的磷.它穩(wěn)定存在于各種巖土礦物中,生物難以直接利用,在弱堿性水環(huán)境中比較穩(wěn)定[20].草海濕地的水質(zhì)pH值為弱堿性,因而HCl-P釋放較難.此外,根據(jù)相關(guān)理論,當(dāng)沉積物中Ca/(Fe+ Al)比值大于0.7時(shí),為鈣質(zhì)沉積物[19];草海沉積物的Ca/(Fe+Al)平均值約為0.3,該區(qū)域沉積物為非鈣質(zhì)沉積物,因而HCl-P在總磷中占比較低(平均值9.81%).總之,草海湖濱帶沉積物中各形態(tài)磷的含量分布為NaOH-NRP>Res-P>BD-P>HCl-P>NaOH- SRP>NH4Cl-P.

2.4 沉積物性質(zhì)

草海湖濱帶沉積物性質(zhì)的結(jié)果見(jiàn)表2.燒失量(LOI)可以反映沉積物中有機(jī)質(zhì)的含量.草海湖濱帶沉積物的LOI變化范圍為8.47%～29.33%.與云南滇池(10.2%～18.5%)、太湖(2.0%～7.6%)[21]相比,草海有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高,且存在明顯的空間差異.草海湖濱帶沉積物中有機(jī)質(zhì)含量差異較大,總體上草海東部區(qū)域(S29～S32采樣點(diǎn))沉積物的LOI明顯高于其他區(qū)域.草海東部區(qū)域更靠近威寧縣城,縣城大量的生活污水排放(8000t/d)增加了湖濱帶沉積物有機(jī)質(zhì)負(fù)載[8];另外,該區(qū)域水深較淺,有利于水生植物的生長(zhǎng)繁殖,分布廣泛的水生植物產(chǎn)生的植物殘?bào)w、腐殖質(zhì)等物質(zhì)使得該區(qū)域沉積物的LOI含量高.沉積物中的酶多產(chǎn)自環(huán)境中的微生物,草海湖濱帶沉積物的微生物群落組成差異會(huì)引起酶活性大小的變化.從結(jié)果來(lái)看,堿性磷酸酶(AKP)活性的變化范圍為1.49～6.30μmol/(d·g),平均酶活性是(3.49±1.40)μmol/ (d·g);酸性磷酸酶(ACP)活性為5.87～12.03μmol/ (d·g),平均值為(8.07±2.08)μmol/(d·g).這2種酶活性的最大值均出現(xiàn)在S32采樣點(diǎn).該樣點(diǎn)緊鄰?fù)幙h城,總磷含量也高,且水生植物生長(zhǎng)茂密[22],外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流入加強(qiáng)了該區(qū)域水生植物及植物根際微生物的活動(dòng),從而使沉積物里的酶活性增高.

表2 草海沉積物性質(zhì)

3 討論

沉積物中磷的遷移轉(zhuǎn)化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,涉及物理、化學(xué)及生物等諸多因素.其中微生物是沉積物磷轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子,但對(duì)其相關(guān)研究較少,微生物對(duì)磷的影響機(jī)制不清.貴州草海湖濱帶沉積物中微生物群落組成較為豐富,共有細(xì)菌1259屬, Chao1指數(shù)高達(dá)(4347±654.89).為深入了解沉積物微生物群落對(duì)磷形態(tài)的影響機(jī)制,本文采用了冗余分析(RDA)、主成分分析(PCA)和共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析3種手段.

微生物群落(豐度最高的10個(gè)細(xì)菌屬和古菌屬)對(duì)不同形態(tài)磷的冗余分析(RDA)分析結(jié)果如圖5所示.細(xì)菌群落的10個(gè)主要屬共解釋了95.1%的磷形態(tài),其中、、、和分別解釋了23.6%、27.4%、12.8%和8.4%.是分布廣泛、研究最多的一類(lèi)鐵還原菌[23],它的主要作用是鐵還原、硫還原及甲烷生成[24].有利用有機(jī)物作為電子供體進(jìn)行鐵異化還原的功能.鐵是地殼中豐度排第4的元素,在沉積物中分布廣泛;由于沉積物的潮濕缺氧的環(huán)境,鐵多以二價(jià)態(tài)的形式相對(duì)穩(wěn)定的存在于沉積物中;但同時(shí)存在的三價(jià)態(tài)鐵通常以鐵氧復(fù)合物的形式發(fā)生沉淀,并對(duì)沉積物中的磷具有強(qiáng)烈的吸附和固定作用.RDA圖中對(duì)NaOH-SRP和BD-P有顯著影響(圖5a),而B(niǎo)D-P主要是與鐵錳結(jié)合的磷,NaOH-SRP是與鐵鋁結(jié)合的磷組分.此外,在NaOH-SRP含量分布最高的區(qū)域(S25),也表現(xiàn)出最高的相對(duì)豐度(圖4).有研究表明,能將單質(zhì)硫或還原性硫化物氧化為硫酸鹽[25].硫化物可以和磷競(jìng)爭(zhēng)與鐵(III)氧化物結(jié)合,導(dǎo)致鐵(III)結(jié)合態(tài)中磷的活化[24].綜合來(lái)看,細(xì)菌主要通過(guò)鐵(III)氧復(fù)合物來(lái)調(diào)節(jié)沉積物磷形態(tài).

古菌群落豐度最高的10個(gè)屬中,、、、分別解釋了36.9%、12.0%、11.8%、7.5%的磷形態(tài)變異.可以利用硝酸鹽或Fe3+或Mn4+作為電子受體,進(jìn)行甲烷的厭氧氧化[26].多參與脅迫環(huán)境下的氮代謝.和都是產(chǎn)甲烷菌,在沉積物厭氧環(huán)境下進(jìn)行有機(jī)物降解等碳代謝過(guò)程[27].這些古菌基本上都有甲烷代謝等碳代謝功能;此外,細(xì)菌Thiobacillus也是土壤中主要的解磷菌,能通過(guò)產(chǎn)磷酸酶等方式將難以被利用的磷轉(zhuǎn)化為生物可利用的磷[28].

因此,運(yùn)用主成分分析(PCA)研究磷酸酶、LOI(反映碳含量)及微生物群落(選取RDA分析中對(duì)磷形態(tài)解釋度最高的4種細(xì)菌屬和4種古菌屬)對(duì)沉積物磷形態(tài)的影響,結(jié)果如圖6所示.PC1能解釋36.71%的總方差,PC1對(duì)總磷、NH4Cl-P、Res-P、HCl-P、NaOH-NRP及ACP、LOI有較高的正載荷,說(shuō)明有機(jī)質(zhì)(以LOI指示)和磷酸酶(以ACP指示)對(duì)沉積物中磷形態(tài)有較大影響.一般情況下,有機(jī)質(zhì)是有機(jī)磷的重要載體,高濃度的有機(jī)質(zhì)通常伴隨著較高的有機(jī)磷含量[29],因此有機(jī)質(zhì)與磷組分往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的相互作用關(guān)系.磷酸酶能水解有機(jī)磷的磷酸酯或磷酸酐,將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化至無(wú)機(jī)磷,從而讓磷被水生生物利用[30].、、、、等微生物與大部分磷形態(tài)處于同一區(qū)間(-0.294～0.213),這也間接驗(yàn)證了如前所述‘細(xì)菌群落和古菌群落對(duì)磷形態(tài)產(chǎn)生重要影響’的觀點(diǎn).

為了形象的展示沉積物微生物群落(豐度最高的10個(gè)細(xì)菌屬和古菌屬)、磷形態(tài)及沉積物性質(zhì)的相互關(guān)系,運(yùn)用Gephi生成相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.4),如圖7所示.細(xì)菌群落alpha指數(shù)Shannon與NaOH-SRP負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.652.細(xì)菌豐度最高的10個(gè)屬中,、、與多個(gè)磷形態(tài)相互作用關(guān)系緊密.其中,與BD-P、HCl-P、NaOH- NRP及總磷相關(guān)性較強(qiáng);與NaOH-SRP、NaOH-NRP、總磷的相關(guān)系數(shù)分別為-0.601、-0.704和-0.533;與NaOH-SRP和HCl-P的相關(guān)系數(shù)分別為0.591和-0.585.是一類(lèi)典型的鐵氧化細(xì)菌,能將沉積物中廣泛存在、相對(duì)穩(wěn)定的二價(jià)態(tài)鐵通過(guò)生物鐵氧化反應(yīng)氧化為三價(jià)態(tài)鐵,并以鐵氧復(fù)合物的形式吸附沉積物中的磷,導(dǎo)致沉積物中磷的固定[31].結(jié)合前面分析的細(xì)菌屬的功能,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌主要通過(guò)鐵的氧化/還原來(lái)影響沉積物磷形態(tài).相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)中的古菌群落中, alpha指數(shù)Shannon、Chao1與BD-P、NaOH-SRP、NaOH-NRP等磷形態(tài)相關(guān)性較強(qiáng),說(shuō)明古菌群落的豐富程度和多樣性程度強(qiáng)烈影響著沉積物中的磷形態(tài).具體地,豐度最高的10個(gè)古菌屬中,與多個(gè)磷形態(tài)相互作用關(guān)系較強(qiáng).

圖6 沉積物微生物、性質(zhì)與磷形態(tài)的主成分分析

圖7 沉積物微生物、磷形態(tài)及沉積物性質(zhì)的共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)

每個(gè)節(jié)的顏色表示不同的分類(lèi).紅線和綠線分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān);線條粗細(xì)表示相關(guān)性的大小

此外,分析有機(jī)質(zhì)(LOI指示)和磷酸酶(ACP、AKP指示)在微生物對(duì)磷形態(tài)影響中的作用.從圖7中可以看出,AKP、ACP酶、LOI與多個(gè)磷組分相關(guān)性強(qiáng),這也證實(shí)了PCA結(jié)果中關(guān)于有機(jī)質(zhì)和磷酸酶對(duì)磷形態(tài)影響較大的論述.細(xì)菌、、、與AKP酶相關(guān)性較強(qiáng);這說(shuō)明草海沉積物中細(xì)菌群落可以分泌堿性磷酸酶來(lái)影響沉積物中磷形態(tài)的分布.古菌、、與ACP酶相關(guān)性較強(qiáng);古菌、與LOI相關(guān)性較強(qiáng);這表明草海沉積物中的古菌通過(guò)影響酸性磷酸酶和有機(jī)質(zhì)來(lái)影響沉積物中的磷形態(tài).

總體而言,草海湖濱帶沉積物中微生物群落能驅(qū)動(dòng)磷賦存形態(tài)的變化,細(xì)菌群落主要通過(guò)鐵的氧化/還原和調(diào)控堿性磷酸酶活性來(lái)影響沉積物磷形態(tài),而古菌群落則通過(guò)改變酸性磷酸酶活性和有機(jī)質(zhì)來(lái)影響沉積物磷形態(tài).下一步,建議加強(qiáng)對(duì)包括生物和非生物因子的高分辨率原位分布,磷與碳、氮等關(guān)鍵元素循環(huán)耦合的化學(xué)計(jì)量機(jī)制,以及元素循環(huán)中關(guān)鍵菌群或物種的作用等關(guān)鍵過(guò)程的研究,以進(jìn)一步探明沉積物磷素生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制.

4 結(jié)論

4.1 草海湖濱帶沉積物的總磷含量為662.89～881.26mg/kg,其中NaOH-NRP>Res-P>BD-P>HCl- P>NaOH-SRP>NH4Cl-P.

4.2 草海湖濱帶沉積物中微生物群落組成存在一定的空間差異,細(xì)菌群落豐富度和多樣性高于古菌.細(xì)菌群落共含有1259個(gè)屬,以硫桿菌屬、厭氧粘細(xì)菌屬為優(yōu)勢(shì)屬;古菌群落以甲烷絲菌屬為主.

4.3 草海湖濱帶微生物群落能驅(qū)動(dòng)沉積物磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化,細(xì)菌主要通過(guò)調(diào)控鐵的氧化/還原和堿性磷酸酶活性來(lái)影響磷形態(tài),而古菌則通過(guò)改變有機(jī)質(zhì)和酸性磷酸酶活性來(lái)調(diào)控磷形態(tài).

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致謝：本實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)采樣工作由貴州草海國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理委員會(huì)協(xié)助完成,在此表示感謝.

Effects of microbial communities on phosphorus speciation in lakeside sediments of Caohai Lake.

LONG Yun-chuan1,2, JIANG Juan1,2, HU Jing2, ZHANG Zhen-ming1,2, ZHU Cheng-bin2, SU Rong-xiang1, ZHOU Shao-qi2*

(1.Guizhou Institute of Biology, Guizhou Academy of Sciences, Guiyang 550009, China；2.College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)., 2022,42(4)：1869～1876

To explore the effect of the microbial community on phosphorus speciation in the sediment from plateau lake, the lakeside sediments from Caohai were collected, then the phosphorus speciation was analyzed, and the community compositions of bacteria and archaea were investigated using high-throughput sequencing. The results showed that the total phosphorus content in the sediments ranged from 662.89 to 881.26 mg/kg, with an average of 750.36mg/kg. Among thephosphorus fractions, NaOH- NRP>Res-P>BD-P>HCl-P>NaOH-SRP>NH4Cl-P. The bacterial community consisted of 59 phyla (dominated by Proteobacteria) and 1259 genera (dominated byand). The archaeal community consisted of 8 phyla (dominated by Crenarchaeota) and 67 genera (dominated by). The redundancy analysis, principal component analysis, and co-occurrence network analysis revealed that the microbial community could drive the transformation of the phosphorus speciation in lakeside sediments from Caohai. The bacteria affected the phosphorus species mainly through regulating the activity of alkaline phosphatase and the oxidation/reduction of iron, while the archaea impacted it by changing organic matter and acid phosphatase.

sediment；high-throughput sequencing；phosphorus fraction；co-occurrence network；archaea

X524

A

1000-6923(2022)04-1869-08

龍?jiān)拼?1989-),男,重慶銅梁人,助理研究員,博士研究生,主要從事環(huán)境微生物研究.發(fā)表論文40余篇.

2021-09-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1612441);貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目([2020]4Y020,[2020]1Y168);貴州省生物研究所科技計(jì)劃項(xiàng)目([2021]08)

*責(zé)任作者, 教授, zhousq@gzu.edu.cn