岱海水體及沉積物細(xì)菌多樣性及群落組成特征*

張雨晴，邵克強，胡 洋，丁艷青，張恩樓，高 光，湯祥明**

(1：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室，南京 210008) (2：中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州 221116)

湖泊連接地球上的各個圈層，是陸地水圈的重要組成部分. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)是地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，擁有著豐富的微生物資源[1]. 湖泊中的異養(yǎng)微生物主要負(fù)責(zé)有機物降解和系統(tǒng)呼吸，在生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)方面發(fā)揮著重要的作用[2]. 作為微生物的重要類群之一，細(xì)菌是湖泊微食物網(wǎng)的重要組成部分[3]，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境變化反應(yīng)敏感[4]. 大量研究表明，營養(yǎng)物質(zhì)、水溫、溶解氧、氮磷含量等環(huán)境因素都會對湖泊中的細(xì)菌群落產(chǎn)生影響[5-6]. 通過研究湖泊中細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的時空分布格局，可以揭示其對環(huán)境變化的適應(yīng)機制，從而預(yù)測湖泊生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律，對湖泊管理及區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

沉積物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，為微生物生存提供環(huán)境和營養(yǎng)物質(zhì)，具有高度的生物活性[7]. 沉積物和水體之間存在頻繁的物質(zhì)交換，沉積物中的氮磷等營養(yǎng)元素可通過靜態(tài)或動態(tài)釋放，進(jìn)入到水體中，成為誘發(fā)水體富營養(yǎng)化的重要因素之一[8]. 這一過程主要發(fā)生在表層沉積物中，但是湖泊沉積是一個緩慢發(fā)生的歷史過程，不同歷史時期湖泊信息可在不同深度沉積物中有所反映，因此了解不同深度沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，對于全面了解湖泊歷史演化過程具有重要意義.

在全球變暖的大背景下，干旱和半干旱地區(qū)湖泊由于蒸發(fā)量大于補給量，導(dǎo)致湖泊水位下降，湖面積萎縮，湖泊咸化現(xiàn)象加劇[9]. 湖泊鹽度的差異，會導(dǎo)致湖泊微生物群落結(jié)構(gòu)的不同[10]. 常見的細(xì)菌群落包括放線菌門、變形菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門等[11]，隨著鹽度的增加，細(xì)菌群落組成的優(yōu)勢菌群發(fā)生改變，放線菌的相對比例減少，細(xì)菌多樣性隨著鹽度的升高而下降[12]. 水體中鹽分的升高影響著細(xì)菌菌體內(nèi)外的滲透壓及群落代謝水平，因而鹽度成為影響細(xì)菌群落分布的重要因素[13].

岱海(40°32′～40°37′N，112°36′～112°46′E)是內(nèi)蒙古第三大內(nèi)陸湖，位于烏蘭察布涼城縣的陷落盆地中，是個封閉的湖泊，歷史上也是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的漁業(yè)養(yǎng)殖基地[14]. 岱海主要入湖河流有弓壩河、五號河、步量河、天成河等22條[15]，其中弓壩河全長約70 km，流域面積最大[16-17]. 目前，岱海長約11 km，寬度約7.3 km[18]. 2016年統(tǒng)計岱海水位為980.15 m[16]，平均水深7 m，容積約為988.9×106m3[19-20]. 岱海水位變化及其水量的增加受控于流域降水、入湖水量，而排水則完全靠湖面的蒸發(fā)[21]. 隨著氣候變化和人類活動的影響，岱海的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了顯著變化. 近30年來，岱海面積持續(xù)萎縮，1989年岱海湖面面積約為115 km2，到2018年時湖面面積僅為53 km2[22]. 湖泊面積萎縮導(dǎo)致湖水咸化的問題越來越突出[23]. 岱海在1964年時礦化度(TDS)為2.25 g/L左右，屬于微咸水湖范圍，到2004年已接近咸水湖標(biāo)準(zhǔn)的下限5 g/L[24]；根據(jù)本文在2018年的監(jiān)測結(jié)果，TDS已達(dá)到13.9 g/L，屬于咸水湖. 岱海流域?qū)?xì)菌群落的研究主要集中在兩個方面：一方面是對湖濱濕地不同鹽化程度土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)的研究[25]，另一方面是對湖區(qū)沉積物微生物量動態(tài)變化的研究[26-27]，目前對岱海水體和沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究還十分匱乏.

干旱半干旱地區(qū)的環(huán)境脆弱，區(qū)域內(nèi)的湖泊對于涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、維護(hù)生態(tài)平衡起到了重要作用. 近幾十年來，由于氣候變化以及人類活動的影響，我國干旱和半干旱地區(qū)的部分湖泊出現(xiàn)了不同程度的水位下降、湖面萎縮及湖水咸化等問題，嚴(yán)重影響了流域的生態(tài)安全. 因此本文利用高通量測序的方法，以岱海為例，通過對岱海水體和沉積物中的細(xì)菌多樣性、群落結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動因子研究，為闡明全球氣候變暖背景下，干旱半干旱地區(qū)湖泊細(xì)菌對環(huán)境變化的響應(yīng)模式提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集

綜合考慮湖泊形態(tài)及河流輸入等因素，在岱海主要入湖河流弓壩河的支流和干流各設(shè)置了1個采樣點(R01、R02)，湖體設(shè)置了12個采樣點(D01～D12)(圖1)，于2018年9月8日在每個采樣點采集了表層水樣(表層50 cm)各5 L，帶回實驗室冷藏保存，分析營養(yǎng)鹽指標(biāo)及過濾細(xì)菌總DNA等. 在湖心(D07)用柱狀采泥器采集沉積物柱3根. 現(xiàn)場將沉積物柱每隔1 cm分層取樣，裝入滅過菌的保鮮袋中，冷凍保存以備后續(xù)測試.

1.2 理化因子的測定

圖1 岱海和入湖河流采樣點位置Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Daihai and its inflow river

1.3 DNA的提取和高通量測序

取300 mL水樣，經(jīng)0.2 μm孔徑的聚碳酸脂膜(Millipore Boston, MA, USA)過濾，濾膜用清洗后滅過菌的剪刀剪碎，然后用 FastDNA Spin Kit for soil試劑盒(美國MPbio公司)提取總DNA. 分層后的沉積物各取約1 g，根據(jù)FastDNA Spin Kit for soil試劑盒的說明提取總DNA. 利用NanoDrop ND-1000分光光度計(美國NanoDrap Technologies公司)測定DNA濃度，然后用引物338F (5′-ACT CCT ACG GGA GGC AGC AG-3′) 和806R (5′-GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT-3′) 擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的V3-V4區(qū)[31]. PCR擴(kuò)增體系包含：20 ng DNA模板，0.4 μmol/L的引物，NEB Phusion高保真PCR mix. PCR擴(kuò)增程序：98℃預(yù)變性3 min；98℃變性45 s，55℃退火45 s，72℃延伸45 s，共30次循環(huán)；最后72℃延伸7 min. 使用Ampure XP磁珠法對擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行了純化，并溶于Elution Buffer，完成基因文庫的構(gòu)建. 最后，采用雙端測序策略(2×300 bp)，在華大基因股份有限公司的Illumina MiSeq PE300平臺上完成測序[32]. 沉積物的第19層(對應(yīng)于18～19 cm處樣品)、第21～27層及第28層以下樣品由于DNA含量少，無法得到有效擴(kuò)增和測序，故獲得細(xì)菌數(shù)據(jù)的沉積物樣品共計20個. 本研究所得到的原始序列已提交至國家基因組科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa/)，登錄號為CRA002523和CRA005584.

1.4 數(shù)據(jù)分析

序列的生物信息學(xué)分析通過CLC Genomics Workbench 20.0 (Qiagen)軟件，使用“OTU Clustering Step by Step” 的標(biāo)準(zhǔn)工作流程完成[32]. 原始雙端序列經(jīng)過導(dǎo)入、拼接和數(shù)據(jù)質(zhì)控后，去除過長(>550 bp)或過短(<200 bp)的序列、去除引物及其它低質(zhì)量核苷酸序列，再以97%的序列相似性進(jìn)行可操作分類單元(OTU)聚類. 為了減少隨機測序誤差，我們從OTU表中去除了低豐度(<10 reads)的OTUs. 最后，通過與SILVA小亞基rRNA(SSU)數(shù)據(jù)庫v132比對，在80%置信水平上比對序列，進(jìn)行物種注釋[33]. 此外，與葉綠體及嵌合體相關(guān)的序列被排除在后續(xù)分析之中.

細(xì)菌多樣性分析利用R軟件(version 4.0.3)的vegan程序包進(jìn)行，繪圖通過ggplot2程序包進(jìn)行. 將所有的樣本序列數(shù)量進(jìn)行抽平至最小測序深度(10631條序列)，使用抽平的數(shù)據(jù)計算細(xì)菌的α多樣性指數(shù)(Chao1指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù))，采用非參數(shù)Kruskal Wallis檢驗比較岱海湖水與沉積物中細(xì)菌α多樣性差異的顯著性. 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的聚類分析采用Bray-Curtis距離，在PRIMER v7軟件中完成[34]. 采用相似性分析(analysis of similarities, ANOSIM)及非參數(shù)多元方差分析(PERMANOVA)比較湖水和沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的顯著性. ANOSIM分析結(jié)果中的R值范圍在0～1之間，R越大，說明差異的程度越大[35]. 采用排序的方法研究了環(huán)境因子對細(xì)菌群落組成變化的影響. 首先進(jìn)行除趨勢對應(yīng)分析(detrended correspondence analysis, DCA)，如果DCA結(jié)果顯示樣品矩陣第1軸的梯度長度>4，表明細(xì)菌物種與環(huán)境間為非線性相關(guān)，則選擇環(huán)境約束的典型對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis, CCA)來探索環(huán)境因子與細(xì)菌群落組成變化的關(guān)系；如果DCA結(jié)果顯示樣品矩陣第1軸的梯度長度<3.5，表明細(xì)菌物種與環(huán)境間為線性相關(guān)，則選擇冗余分析(redundancy analysis, RDA)來探索環(huán)境因子與附著細(xì)菌群落組成時空變化的關(guān)系. OTUs數(shù)據(jù)經(jīng)過hellinger轉(zhuǎn)換. 通過vegan程序包的前向選擇法(forward selection)篩選對群落組成影響最顯著的環(huán)境因子，并通過方差膨脹因子(variance inflation factor，VIF)檢測，保留VIF小于10的環(huán)境因子，以避免環(huán)境因子的共線性問題. 采用999 次非限制性Monte Carlo permutation檢測確定理化因子對群落組成是否具有顯著影響[36].

2 結(jié)果與分析

2.1 岱海水體及沉積物理化特征

采樣時，岱海及入湖河流采樣點的主要理化參數(shù)見表1. 岱海水深范圍為1.9～6.9 m，湖心D07點水深最深，達(dá)到6.9 m；pH均值為9.09(范圍為9.03～9.11)；水溫均值為21.0℃(范圍為19.5～22.0℃)；平均TDS為13.9 g/L. 參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，監(jiān)測結(jié)果表明，岱海TN平均濃度為 4.39 mg/L，為劣Ⅴ類；TP平均濃度為 0.107 mg/L，為 V 類. 岱海入湖河流的水溫、TDS、TN、Chl.a及COD均低于岱海.

表1 2018年9月岱海及其入湖河流水質(zhì)參數(shù)

岱海湖心沉積物的理化性質(zhì)如圖2所示. 對比不同深度沉積物的定年結(jié)果，28 cm深處的沉積物對應(yīng)于1990年左右，而20和11 cm深處的樣品分別對應(yīng)于2000年及2010年左右. TOC和TNsed含量呈現(xiàn)隨著深度增加而逐漸減少的趨勢，Xlf隨著深度的增加，先降低，后增高. 2001年以前，TOC和TNsed含量較低并維持在一個較為穩(wěn)定的水平，2001-2010年TOC和TNsed含量出現(xiàn)較大波動，但沒有明顯增加；2010年以后TOC和TNsed含量整體呈現(xiàn)一個較大的增加趨勢.

圖2 沉積物指標(biāo)隨深度變化Fig.2 Changes of sediment parameters with depth

2.2 不同生境細(xì)菌α多樣性比較

細(xì)菌α多樣性分析結(jié)果如圖3所示. 沉積物的Chao1指數(shù)均值為827，明顯大于河流的361和湖泊水體的189；Shannon指數(shù)也呈現(xiàn)為沉積物>河流>湖泊水體的趨勢，3種生境Shannon指數(shù)的均值分別為4.50、3.92 和2.69. 在岱海水體的不同采樣點間Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)變化不大. 表層沉積物中(0～1 cm)細(xì)菌的多樣性高于次表層(2～3 cm)，隨著深度的增加細(xì)菌多樣性呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢. 河流2個采樣點的多樣性相差較大，上游支流的多樣性高于干流. 差異顯著性分析結(jié)果表明，沉積物中細(xì)菌多樣性(Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù))顯著高于岱海水體(P<0.001). 根據(jù)距離主要入湖河流的遠(yuǎn)近，將岱海12個采樣點分為易受河流影響區(qū)(D01、D05、D06、D09、D10)和不易受河流影響區(qū)(D02、D03、D04、D07、D08、D11、D12)兩類；根據(jù)采樣深度，將沉積物分為兩組：10 cm以上(S01～S10)，10 cm以下(S11～S20，S28). 差異顯著性分析結(jié)果顯示，岱海不同區(qū)域水體和沉積物兩組樣品之間的α多樣性差異性均不顯著(P>0.05).

圖3 岱海入湖河流、湖水及沉積物中細(xì)菌α多樣性指數(shù)Fig.3 Bacterial alpha diversity indexes of the inflow river, lake water and sediment of Lake Daihai

2.3 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)聚類分析

聚類分析表明，在細(xì)菌群落相似性為20%的水平時，樣品被分為了3支，分別對應(yīng)河流、湖水和沉積物3類生境(圖4). 河流樣品細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較大，兩個樣品細(xì)菌群落相似性只有21%. 岱海水體中不同樣品細(xì)菌群落相似度最高，最低相似性75.2%. 沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與深度有一定關(guān)系，表層3個樣品(0～3 cm)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與其它深度樣品差異最明顯，單獨聚成一個小的分支；4～8 cm樣品及9～16 cm樣品分別聚成另外2個小的分支.

圖4 細(xì)菌群落聚類分析Fig.4 Cluster analysis of the bacterial communities

2.4 不同生境細(xì)菌群落組成差異

本研究34個樣品測序共獲得了964533條高質(zhì)量細(xì)菌序列和1639個OTUs，分屬于40門，106綱. 細(xì)菌群落在門水平上的物種組成如圖5所示，其中河流細(xì)菌群落共隸屬22門，湖泊細(xì)菌群落隸屬18門，沉積物細(xì)菌群落隸屬39門.

圖5 岱海入湖河流、湖水及沉積物中門水平細(xì)菌組成Fig.5 Bacterial community composition of the inflow river, lake water and sediment of Lake Daihai at phylum level

河流上游支流中(R01)的細(xì)菌群落中髕骨菌門(Patescibacteria，39.4%)和變形菌門(Proteobacteria，31.1%)所占比例較大. 河流干流中(R02)的細(xì)菌群落中擬桿菌門(Bacteroidetes，39.9%)和放線菌門(Actinobacteria，38.3%)所占比例較大. 岱海湖水中細(xì)菌群落中最優(yōu)勢菌門是放線菌門(Actinobacteria)，相對豐度在80.0%～90.9%之間，其次擬桿菌門(Bacteroidetes，3.8%～8.7%)和變形菌門(Proteobacteria，2.0%～6.3%). 沉積物的細(xì)菌群落中最優(yōu)勢菌門為變形菌門(Proteobacteria，39.7%)，其次是綠彎菌門(Chloroflexi，15.6%)、厚壁菌門(Firmicutes，9.25%)、擬桿菌門(Bacteroidetes，8.6%)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae，7.8%).

細(xì)菌群落在綱水平的物種組成如圖6所示，其中河流細(xì)菌群落共隸屬44個綱，湖泊細(xì)菌群落隸屬38個綱，沉積物細(xì)菌群落隸屬86個綱. 2條河流細(xì)菌群落中的優(yōu)勢綱差別較大，R01中的最優(yōu)菌綱為γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria，20.5%)，其次為Gracilibacteria(20.0%)；R02中的優(yōu)勢菌綱為擬桿菌綱(Bacteroidia，39.7%)和放線菌綱(Actinobacteria，38.3%)，其次是γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria，13.6%). 岱海湖水中的最優(yōu)勢菌綱是放線菌綱(Actinobacteria，82.1%)，其次是擬桿菌綱(Bacteroidia，5.1%)和微酸菌綱(Acidimicrobiia，4.7%). 沉積物中的最優(yōu)勢細(xì)菌綱為γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria，28.8%)，其次為厭氧繩菌綱(Anaerolineae，13.1%)、梭菌綱(Clostridia，9.1%)和δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria，9.0%). ANOSIM和PERMANOVA檢驗，2個結(jié)果均表明：岱海沉積物與水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著(P<0.001)；岱海水體易受河流影響區(qū)和不易受河流影響區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異不顯著(P=0.084)；沉積物10 cm以上的細(xì)菌群落和10 cm以下的細(xì)菌群落差異顯著(P<0.001).

圖6 岱海入湖河流、湖水及沉積物中綱水平細(xì)菌組成Fig.6 Bacterial community composition of the inflow river, lake water and sediment of Lake Daihai at class level

2.5 環(huán)境因子對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

在OTU水平上分析了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系. 河湖水體樣品DCA第1軸的長度為4.19，故選擇CCA分析了河湖水體細(xì)菌群落差異的主導(dǎo)環(huán)境因子；而岱海水體和沉積物樣品各自單獨的DCA分析結(jié)果顯示第1軸的長度分別為0.78和2.25，因此選擇RDA分析方法. CCA及RDA的排序結(jié)果如圖7所示. 河湖樣品CCA的分析結(jié)果表明第1軸的解釋率50.2%，第2軸的解釋率為36.3%，Monte Carlo permutation檢驗的結(jié)果顯示Cond(P<0.01)和SS(P<0.001)是河湖細(xì)菌群落差異的主導(dǎo)因子(圖7a). 由于岱海水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較小，故在CCA分析時聚集在一起. 當(dāng)單獨分析岱海水體細(xì)菌群落的影響因子時， RDA結(jié)果表明第1軸和第2軸的解釋率分別為14.2%和4.8%，Monte Carlo permutation檢驗的結(jié)果顯示TDN和COD是顯著影響岱海水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)環(huán)境因子(P<0.05)(圖7b). 沉積物樣品RDA排序結(jié)果顯示，三者共解釋了這種變化的47.9%，并且Monte Carlo permutation檢驗的結(jié)果顯示Depth(P<0.001)、TOC(P<0.001)和Xlf(P<0.01)均顯著影響沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化(圖7c).

圖7 岱海水體及沉積物細(xì)菌群落與環(huán)境因子的CCA及RDA分析(環(huán)境因子后面的星號表示Monte Carlo permutation檢驗的顯著性水平. *：P<0.05；**：P<0.01; ***：P<0.001)Fig.7 CCA and RDA between bacterial communities and environmental factors in water and sediment of Lake Daihai

3 討論

3.1 岱海流域細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異

3.1.1 河流與湖泊細(xì)菌群落組成之間的差異 本研究發(fā)現(xiàn)岱海入湖河流細(xì)菌群落的物種豐富度更高，并在物種組成上與湖水中細(xì)菌群落存在明顯差異. 胡愈炘等[37]在對長江流域河流和湖庫的浮游細(xì)菌群落進(jìn)行分析時，也發(fā)現(xiàn)河流區(qū)域具有更高的物種豐富度，并且與湖庫區(qū)域的物種組成差異顯著. 本研究中，弓壩河R01采樣點位于上游支流，水體中氮磷營養(yǎng)鹽濃度相對較低，水質(zhì)較好，水體流動比較緩慢，且采樣時可見水底有較多的沉水植物，這可能是其細(xì)菌多性樣高的主要原因. 而弓壩河R02采樣點位于下游干流，采樣時水深較淺，只有0.2 m(表1)，且水體較混濁，SS濃度達(dá)到了25.66 mg/L，水動力擾動容易引起岸邊土壤流失和河床沉積物的再懸浮. 周邊農(nóng)田土壤細(xì)菌和沉積物細(xì)菌易被帶到水體中，從而形成較大的豐富度[38]. 而岱海水體由于咸化加劇，大量不耐鹽的細(xì)菌可能由于不能適應(yīng)環(huán)境變化導(dǎo)致逐步消亡，從而導(dǎo)致較低的多樣性. 這與以往咸水湖細(xì)菌多樣性較低的報道一致[39].

弓壩河R01采樣點，水中檢測出大量的髕骨菌門細(xì)菌，可能與河流周邊鹽堿土壤流失有關(guān). 孫建平等[40]在研究鹽地堿蓬根際土壤細(xì)菌群落時，也檢測出髕骨菌門的存在. 而岱海水體中細(xì)菌群落中的最優(yōu)勢菌為放線菌，其次為擬桿菌和變形菌. 寇文伯等[41]在研究鄱陽湖細(xì)菌群落時，也發(fā)現(xiàn)以上3種細(xì)菌門是浮游細(xì)菌中的優(yōu)勢菌群. 放線菌門相對豐度占岱海湖水細(xì)菌群落的80%以上，在放線菌門中發(fā)現(xiàn)大量的微球菌亞目(Micrococcales)和紅球菌屬(Rhodoluna). Hamedi等[42]研究發(fā)現(xiàn)，微球菌亞目中含有多種嗜鹽菌，并且紅球菌屬也屬于嗜鹽菌. 這說明岱海水體的逐步咸化過程中，選擇性地保留或進(jìn)化出了適宜咸水環(huán)境的特殊細(xì)菌類群. 這些類群細(xì)菌的生長繁盛，是對岱海近幾十年來水體咸化的一種響應(yīng).

3.1.2 湖泊與沉積物細(xì)菌群落組成之間的差異 本研究發(fā)現(xiàn)岱海沉積物細(xì)菌的多樣性顯著高于岱海水體(圖3). 寇文伯等[41]在研究鄱陽湖水體浮游細(xì)菌和沉積物細(xì)菌時也得到了類似結(jié)論. Beier等[43]采用溫度梯度凝膠電泳和16S rRNA基因序列分析技術(shù)研究細(xì)菌群落時，發(fā)現(xiàn)沉積物與水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著，并且沉積物中的細(xì)菌豐度比水體中高約4個數(shù)量級. 沉積物細(xì)菌群落多樣性高的原因可能與其環(huán)境異質(zhì)性更高有關(guān)，并且沉積物中氮磷營養(yǎng)鹽及有機質(zhì)含量更高，不同沉積層溶解氧的水平變化大，有利于不同生理類型細(xì)菌占據(jù)相應(yīng)的生態(tài)位.

本研究發(fā)現(xiàn)變形菌門(Proteobacteria)是岱海沉積物中的優(yōu)勢細(xì)菌門類. 在中國的五大湖區(qū)中[44]，位于云貴高原湖區(qū)的程海[45]、東部平原湖區(qū)的鄱陽湖[46]、東北平原與山地湖區(qū)的五大連池[47]、蒙新高原湖區(qū)的艾比湖[48]以及青藏高原湖區(qū)的青海湖[49]，變形菌門均是其沉積物細(xì)菌群落中的優(yōu)勢細(xì)菌. 張曉軍等[50]采用高通量測序技術(shù)研究烏梁素海小口湖區(qū)沉積物細(xì)菌群落時也發(fā)現(xiàn)變形菌門占主要部分. 王鵬等[51]在對西太平洋深海沉積物的細(xì)菌群落進(jìn)行研究時也發(fā)現(xiàn)了變形菌門占優(yōu)勢. 戴欣等[52]在研究南海南沙海區(qū)沉積物時也發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌群落中高豐度的變形菌門. 現(xiàn)有的研究均說明變形菌門，尤其是γ-變形菌綱，是海洋和湖泊沉積物細(xì)菌群落的重要組成部分.

3.2 環(huán)境因子對細(xì)菌群落的影響

3.2.1 環(huán)境因子對水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響 本研究發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率是影響岱海河湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的重要因子，可單獨解釋細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的46.4%(Adj.R2=0.464). 水體中溶解的大部分鹽分為強電解質(zhì)，在水中能電離成離子的形式，離子對電導(dǎo)有貢獻(xiàn)作用，因此電導(dǎo)率和鹽度之間存在正相關(guān)的關(guān)系[53]，本研究中，Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示電導(dǎo)率與TDS之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.99,P<0.001)，表明鹽度對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有重要影響. 而岱海湖水細(xì)菌群落中大量嗜鹽細(xì)菌(如微球菌亞目和紅球菌屬細(xì)菌)的發(fā)現(xiàn)， 也印證了在全球尺度上鹽度是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因子的結(jié)論[54].

水體中鹽度的增加，常伴隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加. 氮元素是岱海富營養(yǎng)化的主要限制因子[55]. 當(dāng)水體中氮元素濃度超過0.55 mg/L，磷元素濃度超過0.055 mg/L時，水體即發(fā)生富營養(yǎng)化[56]，而岱海水體TN濃度在4.4 mg/L左右，TP濃度在0.11 mg/L左右，高于上述范圍，說明岱海處于富營養(yǎng)化狀態(tài). 氮磷營養(yǎng)物質(zhì)是細(xì)菌生長繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ). RDA分析結(jié)果顯示TDN是岱海水體中細(xì)菌群落差異的主導(dǎo)因子之一. 藍(lán)藻(Cyanobacteria，又名藍(lán)細(xì)菌)易受到氮磷元素的影響[57]，本研究中雖然岱海水體由于鹽度較高，抑制了藍(lán)藻的生長，但它也是水體細(xì)菌群落中重要組成部分，所占比例最高可達(dá)3.3%.

根據(jù)RDA分析的結(jié)果，Xlf與沉積物細(xì)菌群落也存在顯著的相關(guān)性. 當(dāng)趨磁細(xì)菌死亡時，其體內(nèi)的磁小體會保存在土壤環(huán)境中，從而使環(huán)境中的磁化率增高[63]. 大多數(shù)的趨磁細(xì)菌都是微厭氧菌，適合生長于無氧和有氧的過渡區(qū)[64]. 本研究的沉積物深度在10～20 cm范圍時，磁化率較大，推測此區(qū)域含有較多趨磁細(xì)菌. 通過物種組成分析可知，當(dāng)沉積物深度超過9 cm后，樣品中檢測出較多的彎曲菌(Campylobacteria). 劉光明等在研究彎曲菌捕獲的技術(shù)上，使用了磁捕獲-熒光PCR檢測技術(shù)，發(fā)現(xiàn)磁捕獲能夠有效吸引彎曲菌[65]，從而證明這是一種趨磁細(xì)菌. 張博等[63]在研究黃土高原和周邊土壤時發(fā)現(xiàn)，磁化率與有機碳存在正相關(guān)的關(guān)系，且有機碳豐富的環(huán)境更適合細(xì)菌群落的生長. 本研究中，TOC也是沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的主導(dǎo)因子之一. 人類活動是影響TOC的重要因素[66]. 岱海沉積物的TOC含量自1990年以來(對應(yīng)27～28 cm處的樣品S28)有明顯的上升趨勢，至采樣時的2018年時，TOC的百分含量增加了約1倍，說明人類活動導(dǎo)致沉積物中有機質(zhì)的升高顯著影響沉積物中細(xì)菌群落組成.

綜上所述，岱海水體及不同深度沉積物細(xì)菌多樣性及群落特征，是近幾十年來這一地區(qū)氣候變化和人類活動共同作用的結(jié)果. 一方面，氣候變化主導(dǎo)的岱海湖水咸化導(dǎo)致湖水細(xì)菌多樣性減小，群落結(jié)構(gòu)向適應(yīng)咸水環(huán)境方向演替，最終導(dǎo)致河湖細(xì)菌群落差異增大；另一方面，人類活動導(dǎo)致的沉積物中營養(yǎng)鹽及有機質(zhì)的增加，也通過不同深度沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化得以體現(xiàn).

4 結(jié)論

1)細(xì)菌多樣性方面，岱海沉積物>入湖河流>湖泊水體；細(xì)菌群落組成方面：岱海入湖河流細(xì)菌群落以髕骨細(xì)菌門和變形細(xì)菌門為優(yōu)勢類群，湖水中以放線菌門為絕對優(yōu)勢類群(相對豐度超過80%)，沉積物中主要優(yōu)勢細(xì)菌類群為變形菌門和綠彎菌門.

2)電導(dǎo)率和懸浮物濃度是岱海河湖細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異的主導(dǎo)因子，而深度、磁化率和有機碳含量是岱海不同深度沉積物細(xì)菌群落差異的主導(dǎo)因子.

致謝：感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所田偉、瞿猛、李冬、孫偉偉、倪振宇等在野外采樣及室內(nèi)理化參數(shù)測定中的幫助.