北方景觀湖泊夏季菌藻多樣性及共生關(guān)系

司光超，薛曉東，趙 偉，趙傳富，閆 濤，魏 東

(1. 濟南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022；2. 山東省環(huán)境保護科學(xué)研究設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250013)

湖泊是城市生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要節(jié)點，具有調(diào)蓄洪水、減少城市熱島效應(yīng)、游覽休閑、航運交通等多種有益功能。城市景區(qū)湖泊水質(zhì)的好壞直接影響景觀的觀賞價值和周圍的人居環(huán)境。由于土地利用和養(yǎng)分循環(huán)發(fā)生變化，因此對管理和維持城市景觀湖泊的水質(zhì)提出了很高的要求。人類活動、雨水徑流或城市排水造成的營養(yǎng)物質(zhì)積累會破壞湖泊的形態(tài)、生物學(xué)和物理化學(xué)特性，此外，水文剖面改變導(dǎo)致的富營養(yǎng)化現(xiàn)象正在威脅全球大多數(shù)城市景觀湖泊的生存能力和質(zhì)量[1]。

湖泊富營養(yǎng)化是一個自然過程，人為的磷、氮元素輸入到水體中會使湖泊水質(zhì)惡化，并影響其水生生態(tài)系統(tǒng)。具體地說，富營養(yǎng)化是由居民區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)增加的養(yǎng)分投入引發(fā)的，有害藻類大量繁殖是湖泊營養(yǎng)豐富的主要表現(xiàn)。一般來說，富營養(yǎng)化會改變水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致水生生物多樣性的喪失，并對人類、社會和經(jīng)濟福祉產(chǎn)生負面影響[2]。

本文中利用藻類種群鑒別以及物種相關(guān)性共表達網(wǎng)絡(luò)等大數(shù)據(jù)信息處理手段，分析山東省濟南市著名的景觀湖大明湖中藻類種群結(jié)構(gòu)的區(qū)域演替規(guī)律和相互作用機制，揭示藻類區(qū)域生長及種群結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，從生物技術(shù)角度防治水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，保護生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性，為了解城市湖泊的藻類和伴生菌群的群落結(jié)構(gòu)以及生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護，為研究城市湖泊水華暴發(fā)機制及人工控藻技術(shù)提供參考。

1 實驗

1.1 樣品采集

選取大明湖景觀水域3個采樣點，分別為南門、玉函亭和滄浪亭。采用有機玻璃垂向直立式采樣器對水樣進行采集，每個采樣點分別取0、50、100、200 cm共4個深度處的水樣共1.5 L，其中0.5 L水樣用于鑒別微生物群落結(jié)構(gòu)，1.0 L水樣進行水質(zhì)指標的測定。在取樣同時同地進行溶解氧(DO)、pH和氧化還原電位(ORP)等指標的實時測試，并記錄。

1.2 實驗儀器

實驗儀器包括：JK205-A型化學(xué)需氧量恒溫加熱器、雷磁-571-1型化學(xué)需氧量測定儀，濟南精密科學(xué)儀器儀表有限公司；722型可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；LS-55型熒光光度計，美國Perkin-Elmer公司；IX-51型生物顯微鏡，日本Olympus Corporation公司；Multi 3420型便攜式多參數(shù)測量儀，德國WTW公司。

1.3 分析方法

1.3.1 水質(zhì)分析

采用Multi 3420型便攜式多參數(shù)測量儀實時測定取樣點水樣的pH、DO和ORP。水樣中氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽分別根據(jù)環(huán)境保護行業(yè)標準《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)、國家標準《水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法》(GB/T 7493—87)和環(huán)境保護行業(yè)標準《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行》(HJ/T 346—2007)中的方法測定?？偭撞捎脟覙藴省端|(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB/T 11893—89)中的方法測定。

1.3.2 熒光光譜分析

微生物產(chǎn)物(SMP)的三維熒光光譜圖使用熒光光度計獲得。儀器參數(shù)設(shè)定如下：發(fā)射波長為200～400 nm，增量為10 nm；激發(fā)波長為280～550 nm，間隔5 nm，增量為0.5 nm；激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫均為10 nm，掃描速度設(shè)置為2 400 nm/min。

1.3.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

采用十六烷基三乙基溴化銨(CTAB)法提取污泥樣品基因組脫氧核糖核酸(DNA)，用稀釋后的基因組DNA作為16S V4區(qū)的模板,用帶有條形碼的高效高保真酶和細菌多樣性引物515F和806R擴增16SrDNA基因V4區(qū)。利用R語言3.6.3計算的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)建共表達網(wǎng)絡(luò)，并由Gephi0.9.2軟件可視化。

2 結(jié)果與討論

2.1 區(qū)域空間水質(zhì)

大明湖水質(zhì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。由圖可以看出，3個采樣點的水質(zhì)數(shù)據(jù)pH、DO和ORP差距較小(見圖1(a)、(b))。3個采樣點的pH相近，均呈現(xiàn)中性偏堿，有研究[3]表明，堿性環(huán)境適宜藻類和細菌的生存和繁殖。滄浪亭、南門采樣點的DO質(zhì)量濃度為10.32、10.73 mg/L，屬于自然水體的正常濃度范圍，玉函亭采樣點的DO濃度偏低，平均質(zhì)量濃度為8.73 mg/L，可能與玉函亭所處的凹形地理環(huán)境有關(guān)。3個采樣點的ORP數(shù)據(jù)中，滄浪亭的最大，玉函亭的最小，說明前者水質(zhì)更復(fù)雜，所含物質(zhì)更多樣，而后者導(dǎo)電性較低，相對而言所含物質(zhì)較簡單。

3個采樣點的無機氮濃度均保持極低水平，主要以硝酸鹽的形式存在(質(zhì)量濃度為1～2 mg/L，見圖1(c))。適宜的溫度和高濃度溶解氧促進了硝化作用和光合作用等微生物生命過程的進行，加速了氮的消耗轉(zhuǎn)換，使得水體總氮維持相對穩(wěn)定在低濃度水平。3個采樣點的總磷濃度均保持極低水平(見圖1(c))。7月盛夏，湖水中磷極易被生物利用，且入水因雨水和地下泉水比例的增加，使得總磷濃度呈極低濃度態(tài)勢，且3個采樣點的濃度數(shù)值相差較小。

3個采樣點的化學(xué)需氧量(COD)均呈現(xiàn)高濃度水平(見圖1(d))，其中滄浪亭、玉函亭采樣點的COD 質(zhì)量濃度分別為88.692、52.613 mg/L，而南門采樣點的則高達200.536 mg/L。南門的水流來源于百花洲，流經(jīng)芙蓉街等居民聚集區(qū)，導(dǎo)致COD含量有所升高。除此之外，大量的荷花、菖蒲等水生生物死亡后陸續(xù)腐爛，也會釋放COD。

2.2 溶解性微生物產(chǎn)物

溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)是一種水溶性的異構(gòu)復(fù)合體，主要包含多種生物和地質(zhì)來源的腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)，廣泛存在于自然水體中。在自然水體中的SMP是影響水質(zhì)和整體有機物的一個重要因素；但是，由于微生物在代謝過程中會釋放出一些毒性物質(zhì)，因此SMP的釋放會增加自然水體中的毒性有機物[4]。除此之外，SMP對于富營養(yǎng)化過程中藻類等生物的生長過程有預(yù)警作用，在水體生物多樣性保護過程中扮演關(guān)鍵角色。

在自然水體中，SMP中的可降解部分可以參與生物代謝，例如作為電子供體參與反硝化過程。有研究表明，SMP的化學(xué)組成影響其對細菌和藻類的生物利用度，因此對于SMP的釋放機制的研究具有重要的意義。圖2所示為大明湖3個采樣點水樣中的SMP三維熒光光譜圖。由圖可知，SMP樣品共檢測出4個主要的特征峰(a、b、c、d)分別在激發(fā)波長為270、220、340、210 nm，發(fā)射波長為349、363、415、400 nm處，相對熒光強度分別為47.35、80.98、45.89和139.07，分別代表色氨酸類蛋白質(zhì)(I)、芳香族類蛋白質(zhì)(II)、腐殖酸類物質(zhì)(III)和富里酸類物質(zhì)(IV)[5]。在3個采樣點中，蛋白質(zhì)類物質(zhì)存在差異性，可能與微生物差異性有關(guān)。腐殖酸類物質(zhì)最豐富，原因是它無法被微生物轉(zhuǎn)換利用[6]。同時，水體中的蛋白質(zhì)類物質(zhì)可以逐漸轉(zhuǎn)化為難降解的腐殖酸類物質(zhì)，導(dǎo)致其大量存在于湖水中[7]。

2.3 微生物群落

2.3.1 菌藻群落組成

利用高通量測序技術(shù)對大明湖3個采樣點水樣中的微生物群落結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，在門水平上共鑒別出4種菌群，分別為變形菌門Proteobacteria、藍藻菌門Cyanobacteria、放線菌門Actinobacteriota和厚壁菌門Firmicutes。上述4種菌群在3個采樣點存在明顯的分布差異。滄浪亭采樣點的厚壁菌門(相對豐度為49.17%)和變形菌門(相對豐度為39.31%)是優(yōu)勢菌群。南門采樣點的變形菌門(相對豐度為40.04%)、藍藻細菌門(相對豐度為32.23%)和厚壁菌門(相對豐度為22.03%)是優(yōu)勢菌群。玉函亭采樣點的變形菌門(相對豐度為70.85%)和藍藻細菌門 (相對豐度為23.07%)為優(yōu)勢菌群。變形桿菌門在所有樣品中均為優(yōu)勢物種，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生物降解與生物地球化學(xué)過程中起著重要作用。藍藻細菌門為光合自養(yǎng)細菌，普遍存在于3個采樣點的水域，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，同時具有固氮、固碳的凈化作用。滄浪亭采樣點檢測出大量的厚壁菌門，可能與該門細菌受到水質(zhì)影響，產(chǎn)生了抵抗脫水和極端環(huán)境條件的孢子有關(guān)[8]。

(a)滄浪亭采樣點

(a)門水平

在屬水平上，微小桿菌屬Exiguobacterium、不動桿菌屬Acinetobacter、藍菌屬Cyanobium_PCC-6307和叢毛單胞菌屬Comamonas作為3個采樣點水樣的優(yōu)勢屬，它們的相對豐度分別占樣本總?cè)郝涞?3.30%、88.72%和73.90%。微小桿菌屬在環(huán)境生物修復(fù)和脫氮等方面發(fā)揮著重要作用，具有優(yōu)良的氨氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽脫氮能力，可以實現(xiàn)從氨氧化到亞硝酸鹽的異養(yǎng)硝化過程和從亞硝酸鹽到氮氣的好氧反硝化過程[9]。不動桿菌屬和叢毛單胞菌屬都屬于變形菌門。不動桿菌具有異養(yǎng)硝化和好氧反硝化能力，可以利用羥胺、亞硝酸鹽和硝酸鹽作為氮源進行生長代謝[10]。叢毛單胞菌屬也具有氮轉(zhuǎn)化的功能，可以將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和氮氣[11]。此外，在玉函亭采樣點還檢測出較高豐度的寡養(yǎng)單胞菌屬Stenotrophomonas和短波單胞菌屬Brevundimonas，它們均屬于不動桿菌屬，相對豐度分別占樣本總?cè)郝涞?.14%和7.49%，說明玉函亭水域具有更高的生物多樣性。

2.3.2 菌藻共表達網(wǎng)絡(luò)

為了更深入地了解菌藻之間的關(guān)系，本文中構(gòu)建大明湖水中菌、藻優(yōu)勢屬的共表達網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。共生網(wǎng)絡(luò)根據(jù)物種相關(guān)性 (Pearson相關(guān)系數(shù)ρ>0.8)和顯著性(p值小于0.05)進一步描述了屬水平物種潛在的復(fù)雜相互作用。該網(wǎng)絡(luò)分為菌(藍色)和藻(綠色)2個交織模塊，揭示了2個獨特的生態(tài)位在水體中密切的相互作用。在網(wǎng)絡(luò)中，正相關(guān)(紅色)表示，物種之間通過共生或互惠關(guān)系聯(lián)系在一起，負相關(guān)(綠色)表示捕食或競爭關(guān)系。每個節(jié)點的大小與連接數(shù)量成正比。顯然，網(wǎng)絡(luò)的大部分連接是紅色的，呈正相關(guān)，表明共生合作在水體中菌藻占絕對優(yōu)勢。優(yōu)勢屬微小桿菌屬、不動桿菌屬和藍菌屬之間呈強烈的正相關(guān)，表明它們存在共生關(guān)系，藍菌屬可能為微小桿菌屬和不動桿菌屬提供生命代謝所需的氧氣。假單胞菌屬Pseudomonas和短波單胞菌屬與其他屬之間呈強烈的負相關(guān)，表明它們之間存在競爭關(guān)系。

1—分枝桿菌屬g_Mycobacterium；2—假單胞菌屬g_Pseudomonas；3—梭狀桿菌屬g_Clostridium_sensu_stricto_1；4—金黃桿菌屬g_Chryseobacterium；5—g_norank_f_Rhizobiales_Incertae_Sedis；6—微小桿菌屬g_Exiguobacterium；7—g_norank_f_Caldilineaceae；8—藍菌屬g_Cyanobium_PCC-6307；9—g_norank_f_Gemmataceae；10—不動桿菌屬g_Acinetobacter；11—伊麗莎白金菌屬g_Elizabethkingia；12—g_norank_f_norank_o_Chloroplast；13—g_norank_f_Propionibacteriaceae；14—玫瑰單胞菌屬g_Roseomonas；15—g_CL500-29_marine_group；16—叢毛單胞菌屬g_Comamonas；17—g_unclassified_f_Micrococcaceae；18—短波單胞菌屬g_Brevundimonas；19—甲基孢囊菌屬g_Methylocystis；20—g_norank_f_norank_o_PeM15。圖4 大明湖水中菌、藻優(yōu)勢屬的共表達網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié)論

本文中利用藻類種群鑒別、物種相關(guān)性共表達網(wǎng)絡(luò)等手段，分析我國北方景觀湖大明湖中藻類種群結(jié)構(gòu)的區(qū)域演替規(guī)律和相互作用機制，揭示藻類區(qū)域生長及種群結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1)水質(zhì)數(shù)據(jù)分析表明，大明湖水體營養(yǎng)元素保持在較低的水平，不利于水華暴發(fā)。

2)微生物產(chǎn)物分析表明，大明湖水體中不可降解的腐殖酸類物質(zhì)為主要成分，蛋白質(zhì)類物質(zhì)略有差異。

3)微生物群落分析表明，大明湖水體中微小桿菌屬、不動桿菌屬、藍菌屬和叢毛單胞菌屬是優(yōu)勢菌屬。

4)共表達網(wǎng)絡(luò)表明，大明湖水體中菌藻優(yōu)勢菌屬的共生合作關(guān)系占主導(dǎo)地位。