保安湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因子

薛 璐 向冬芳 鮮 博 鮑少攀 唐 巍 羅 帥 熊 杰 方 濤

(1. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 大連海洋大學(xué), 大連 116023)

保安湖(30°12′—30°18′ N, 114°39′—114°46′E)位于長(zhǎng)江中下游南岸, 隸屬梁子湖水系, 是一個(gè)典型的淺水草型湖泊, 由扁擔(dān)塘、肖四海、橋墩湖和主湖區(qū)共四個(gè)湖區(qū)組成。扁擔(dān)塘、肖四海、橋墩湖與主湖區(qū)之間雖有圍欄阻隔, 但湖水仍可通過(guò)水道與主湖區(qū)保持相通[1,2]。保安湖生物資源豐富,有大型水草20余種, 各類魚類50余種, 底棲動(dòng)物70余種, 浮游動(dòng)物110余種。作為一個(gè)擁有優(yōu)良水資源及豐富生物資源的草型湖泊, 保安湖有條件建設(shè)成為我國(guó)發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效漁業(yè)的重要基地[3]。目前, 關(guān)于保安湖生物多樣性的研究主要集中在水生植物、底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物和魚類群落等方面[2,4—9],關(guān)于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及分布格局仍不清楚。

事實(shí)上, 細(xì)菌在水環(huán)境中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。細(xì)菌作為浮游動(dòng)物等的被捕食對(duì)象是水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中重要組成部分, 在淡水水生環(huán)境特別是富營(yíng)養(yǎng)湖泊中的物質(zhì)分解及營(yíng)養(yǎng)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[10,11]。細(xì)菌還可以指示、影響和調(diào)節(jié)湖泊水質(zhì), 如藍(lán)藻是水體富營(yíng)養(yǎng)化的標(biāo)志, 放線菌可以促進(jìn)水生態(tài)修復(fù)及水質(zhì)凈化[12]。此外, 水體細(xì)菌群落組成變化也可影響水生動(dòng)物體表和腸道微生物群落組成, 從而影響水生動(dòng)物健康[13]。

近幾十年來(lái), 隨著科技的飛速發(fā)展, 微生物檢測(cè)技術(shù)也在不斷更新發(fā)展并運(yùn)用于相關(guān)領(lǐng)域中。在微生物研究初期, 主要采用純培養(yǎng)方法對(duì)環(huán)境微生物進(jìn)行研究, 但環(huán)境中只有0.001%—10%的微生物可供培養(yǎng), 因此傳統(tǒng)的微生物研究方法具有極大的局限性[14]。為了克服傳統(tǒng)方法的缺陷, 越來(lái)越多的分子生物學(xué)方法被應(yīng)用到微生物研究中, 如熒位原光雜交(FISH)[15]、限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)(RFLP)[16]、末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性分析技術(shù)(T-RFLP)[17]、變性梯度凝膠電泳(DGGE)[18]、實(shí)時(shí)定量PCR技術(shù)(Real-Time PCR)[19]、宏基因組學(xué)技術(shù)[20]和高通量測(cè)序技術(shù)[21]等, 這些方法具有靈敏度高、通量高和無(wú)需體外培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn), 并且可以快速分析微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性[22]。其中宏基因組測(cè)序技術(shù)通過(guò)對(duì)環(huán)境樣品中微生物的總DNA進(jìn)行測(cè)序分析, 規(guī)避了傳統(tǒng)方法中的缺陷, 全面真實(shí)地揭示微生物群落多樣性, 提供更加精確的物種分類, 因此近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于研究環(huán)境細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性以及關(guān)鍵影響因子[23—26]。

本研究通過(guò)對(duì)保安湖細(xì)菌群落和水質(zhì)因子周年的季度調(diào)查監(jiān)測(cè), 應(yīng)用宏基因組測(cè)序技術(shù)獲取保安湖水體細(xì)菌群落信息, 分析保安湖細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)、多樣性及時(shí)空分布特征; 通過(guò)建立零模型和網(wǎng)絡(luò)分析, 解析細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程及種間相互作用;通過(guò)典范對(duì)應(yīng)分析探討細(xì)菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)性, 揭示保安湖水域細(xì)菌多樣性變化的關(guān)鍵影響因子, 為維持和保護(hù)漁業(yè)湖泊生物多樣性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

本研究采樣點(diǎn)覆蓋范圍為114°39′43″E—114°44′27″E, 30°12′36″N—30°17′47″N, 其中在扁擔(dān)塘設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn), 肖四海設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn), 橋墩湖設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn), 主湖區(qū)設(shè)置10個(gè)采樣點(diǎn)。全湖共設(shè)置20個(gè)采樣點(diǎn), 樣點(diǎn)位置見(jiàn)圖 1。

圖1 保安湖采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Sampling stations in Bao’an Lake

1.2 樣品采集及測(cè)定

于2019年4月(春季)、7月(夏季)、10月(秋季)及2020年1月(冬季)進(jìn)行采樣,其中10月份樣品設(shè)置了3次平行采樣。采取表層0.5 m水樣2 L。其中500 mL水樣用于水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定, 溫度(T)、溶解氧(DO)和pH等水質(zhì)參數(shù)用YSI多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定, 總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝氮、亞硝氮、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和葉綠素a(Chl.a)指標(biāo)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[27]檢測(cè)。每個(gè)樣點(diǎn)均取350 mL水樣經(jīng)200 μm濾網(wǎng)過(guò)濾掉大顆粒, 搖晃均勻后加入1000個(gè)嗜熱四膜蟲(SB210細(xì)胞株), 抽濾至0.22 μm PC膜上, 并保存于-80℃冰箱, 用于后續(xù)微生物多樣性檢測(cè)。

采用CTAB法提取DNA, 即用CTAB分離緩沖液溶解DNA后, 使用氯仿-異戊醇去除蛋白質(zhì), 再使用1%瓊脂糖凝膠分析DNA降解程度及潛在污染。使用納米光度計(jì)(IMPLEN, CA, USA)測(cè)定DNA純度, 使用Qubit 2.0 熒光儀(Life Technologies, CA,USA)測(cè)定DNA濃度。選取濃度大于1 μg的質(zhì)量合格的DNA, 打斷為350 bp左右長(zhǎng)度的片段, 補(bǔ)齊末端后向3′端加上“A”尾構(gòu)成測(cè)序文庫(kù)。質(zhì)檢合格的文庫(kù)基于Illumina HiSeq 4000平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

使用fastQC(v0.11.9)和Fastx trimmer(v0.0.14)對(duì)測(cè)序所得原始數(shù)列進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估及過(guò)濾得到有效序列, 通過(guò)BLASTN比對(duì)至SILVA數(shù)據(jù)庫(kù), 篩選出rDNA相關(guān)讀段(reads)(e＜10-5)。使用MEGAHIT(v1.1.3)對(duì)rDNA reads進(jìn)行組裝, 得到所有樣本的rDNA疊連群(contigs)?；?6S的hmm profile,使用nhmmer比對(duì)確定rDNA contings中16S區(qū)域并截取。將相似度97%以上的16S rDNA序列聚合得到rDNA參考序列。使用bwa(0.7.17-r1188)將所有樣品rDNA reads一一對(duì)比至參考序列, 使用feature-Counts(v.1.6.0)統(tǒng)計(jì)結(jié)果, 使用RPKM(Reads Per Kilobase per Million mapped reads)標(biāo)準(zhǔn)化得到OTU(Operational Taxonomic Units)豐度表, 并以SB210細(xì)胞為內(nèi)參細(xì)胞對(duì)OTU豐度進(jìn)行均一化, 得到最終的OTU豐度表。為提高物種注釋精度, 將OTU的代表序列與SILVA、PR2、nt多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。

根據(jù)所得OTU豐度表, 計(jì)算保安湖水體細(xì)菌不同季節(jié)、不同湖區(qū)的Alpha多樣性指數(shù)并進(jìn)行顯著性差異檢驗(yàn), 基于Bray-Curtis距離算法進(jìn)行非度量多維尺度分析(NMDS)來(lái)可視化不同季節(jié)和湖區(qū)之間細(xì)菌群落的Beta多樣性差異, 以期研究保安湖水體細(xì)菌群落多樣性的時(shí)空動(dòng)態(tài)差異。通過(guò)典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)確定保安湖水質(zhì)因子對(duì)細(xì)菌群落組成的解釋力, 并結(jié)合Mantel檢驗(yàn)進(jìn)行保安湖水體細(xì)菌群落組成和環(huán)境因子的相關(guān)性分析。通過(guò)零模型衡量確定性過(guò)程和隨機(jī)性過(guò)程在保安湖水體細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程中的主導(dǎo)地位, 計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)率(Normalized stochasticity ratio, NST)若低于0.5,則群落構(gòu)建過(guò)程由確定性過(guò)程主導(dǎo), 若高于0.5, 則由隨機(jī)性過(guò)程主導(dǎo)[27]。對(duì)于符合正態(tài)分布的變量使用方差分析檢驗(yàn)顯著性差異, 不符合正態(tài)分布的變量使用非參數(shù)檢驗(yàn)分析顯著性差異。使用R包“Vegan”進(jìn)行alpha多樣性指數(shù)計(jì)算、Mantel檢驗(yàn)及典范對(duì)應(yīng)分析(CCA), 使用R包“spaa”計(jì)算生態(tài)位寬度, 使用R包“NST”計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)率(NST), 使用R語(yǔ)言計(jì)算所有OTU兩兩之間的 Spearman相關(guān)性,設(shè)置相關(guān)性閾值為r≥0.6或r≤-0.6, 顯著性值P＜0.01, 使用“Gephi”軟件繪制無(wú)向網(wǎng)絡(luò)圖。所有圖表均用R語(yǔ)言、Origin Pro 2021及Gephi進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果

2.1 保安湖細(xì)菌多樣性分析

對(duì)保安湖全湖進(jìn)行宏基因組測(cè)序分析, 共獲得4192個(gè)OTUs, 其中2568個(gè)OTUs為細(xì)菌, 占據(jù)了全部OTUs的61.26%。從細(xì)菌OTU數(shù)目上來(lái)看, 保安湖水體細(xì)菌種類呈現(xiàn)秋、夏、春、冬逐漸減少的季節(jié)趨勢(shì), 且主湖區(qū)可觀測(cè)到最多的細(xì)菌種類, 其次為橋墩湖(圖 2)。

圖2 不同湖區(qū)細(xì)菌OTU數(shù)目的季節(jié)變化Fig. 2 Seasonal changes of the numbers of bacteria OTUs in different lake areas

雙因素Scheirer-Ray-Hare非參數(shù)檢驗(yàn)表明, 保安湖水體細(xì)菌豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)及辛普森指數(shù)均存在顯著的季節(jié)性差異(HRichness=68.18,HPielou=40.47,HShannon=54.53,HSimpson=39.55,P＜0.05), 但在湖區(qū)間無(wú)明顯差異(HRichness=1.72,HPielou=3.20,HShannon=2.23,HSimpson=2.30,P＞0.05),且季節(jié)和湖區(qū)間無(wú)交互作用(HRichness=1.66,HPielou=13.52,HShannon=8.74,HSimpson=13.13,P＞0.05)。保安湖水體細(xì)菌豐富度指數(shù)呈現(xiàn)主湖＞扁擔(dān)塘＞橋墩湖＞肖四海的空間變化趨勢(shì), 但湖區(qū)之間均無(wú)顯著差異(P＞0.05), 季節(jié)性變化表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季, Kruskal-Wallis檢驗(yàn)(K-W檢驗(yàn))成對(duì)比較結(jié)果表明, 秋季豐富度顯著高于春、夏季, 春、夏季顯著高于冬季(P＜0.05)。均勻度指數(shù)空間變化趨勢(shì)表現(xiàn)為主湖＞橋墩湖＞肖四海＞扁擔(dān)塘(P＞0.05), 季節(jié)變化趨勢(shì)為夏季＞秋季＞冬季＞春季, K-W檢驗(yàn)表明夏季均勻度顯著高于春、冬季, 秋季顯著高于春季(P＜0.05)。香農(nóng)指數(shù)及辛普森指數(shù)空間變化趨勢(shì)為主湖＞橋墩湖＞扁擔(dān)塘＞肖四海(P＞0.05), 香農(nóng)指數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)表現(xiàn)為秋季＞夏季＞春季＞冬季, 辛普森指數(shù)季節(jié)變化趨勢(shì)為夏季＞秋季＞春季＞冬季, KW檢驗(yàn)表明保安湖水體細(xì)菌夏、秋季香農(nóng)指數(shù)和辛普森指數(shù)顯著高于春、冬季(P＜0.05; 表 1和表 2)?？傮w來(lái)說(shuō), 在OTU水平上, 保安湖水體細(xì)菌Alpha多樣性空間差異性不顯著, 但季節(jié)性差異顯著, 表現(xiàn)為秋季最高, 夏季次之, 其次是春季, 冬季最低。

表1 各季節(jié)保安湖細(xì)菌多樣性指數(shù)Tab. 1 Seasonal diversity index of bacteria in Bao’an Lake

表2 不同湖區(qū)保安湖細(xì)菌多樣性指數(shù)Tab. 2 Diversity index of bacteria in different lake area of Bao’an Lake

保安湖水體細(xì)菌群落Beta多樣性分析如圖 3所示, Stress＜0.01表明分析結(jié)果具有較好的代表性,說(shuō)明2019年保安湖水體細(xì)菌群落不同季節(jié)結(jié)構(gòu)差異明顯, 且春、冬季細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較為相似, 夏、秋季細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較為相似, 而不同湖區(qū)之間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無(wú)明顯差異。

圖3 保安湖細(xì)菌Beta多樣性分析Fig. 3 Beta diversity of bacteria in Bao’an Lake

在保安湖水體共檢測(cè)到34個(gè)菌門, 主要菌門有7個(gè)(占比1%以上), 如圖 4A所示, 結(jié)果表明保安湖水體主要菌群來(lái)自于變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobactetiota)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidota)、疣微菌門(Verrucomicrobiota)、浮霉菌門(Planctomycetota)和綠彎菌門(Chloroflexi)。其中, 保安湖春、冬季優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、放線菌門, 夏、秋季優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、藍(lán)藻門及放線菌門。圖 4B顯示了主要菌門不同季節(jié)之間的顯著性差異, 在夏、秋季, 放線菌門及變形菌門相對(duì)豐度顯著降低, 藍(lán)藻門及浮霉菌門相對(duì)豐度則顯著增加, 擬桿菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度在春季最高, 夏季最低, 且存在顯著差異(P＜0.05)。

圖4 保安湖不同季節(jié)主要細(xì)菌群落相對(duì)豐度與差異性顯著分析Fig. 4 Relative abundance and significant difference analysis of main bacterial phylum in Bao’an Lake in different seasons

2.2 保安湖細(xì)菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

對(duì)保安湖細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的相關(guān)性進(jìn)行Mantel tests統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及CCA分析。CCA結(jié)果表明: 環(huán)境因子對(duì)保安湖細(xì)菌群落組成的總解釋量為68.2%, 軸一解釋度為57.01%, 軸二解釋度為11.19%(圖 5)。在不同季節(jié)下, 保安湖細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子影響不同。夏季樣點(diǎn)主要分布在第一象限, 說(shuō)明保安湖夏季細(xì)菌群落組成主要和T、CODMn、TP及pH呈正相關(guān)關(guān)系; 秋季樣點(diǎn)主要分布在第四象限, 說(shuō)明保安湖秋季細(xì)菌群落組成主要和Chl.a、DO呈正相關(guān)關(guān)系; 春、冬季樣點(diǎn)主要分布在第二象限, 說(shuō)明春冬季細(xì)菌群落組成主要和SD呈正相關(guān)關(guān)系。另外, 通過(guò)Mantel檢驗(yàn)可知,SD、T、pH、DO、CODMn、Chl.a和TP是對(duì)保安湖細(xì)菌群落組成具有顯著影響的因子(表 3)。

表3 保安湖細(xì)菌多樣性與環(huán)境因子相關(guān)性分析Tab. 3 Correlation analysis between bacterial diversity and environmental factors in Bao’an Lake

圖5 保安湖細(xì)菌多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Fig. 5 Correlation analysis between bacteria and environmental factors in Bao’an Lake

2.3 保安湖細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程

為了明確確定性和隨機(jī)性過(guò)程在保安湖細(xì)菌群落組裝過(guò)程的主導(dǎo)地位, 通過(guò)計(jì)算零模型NST進(jìn)行分析。結(jié)果顯示, 春、夏、秋季NST＞0.5, 表明隨機(jī)過(guò)程主導(dǎo)了春、夏、秋季保安湖水體細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程, 而冬季NST＜0.5, 表明確定性過(guò)程在冬季保安湖細(xì)菌群落構(gòu)建中占支配地位(圖 6A)。不同季節(jié)細(xì)菌生態(tài)位寬度不一, 保安湖水體秋季細(xì)菌生態(tài)位寬度最大, 其次為夏季、春季, 冬季最低(圖 6B)。

圖6 不同季節(jié)保安湖細(xì)菌NST值分布和生態(tài)位寬度Fig. 6 Seasonal NST value and niche breadth of bacteria in Bao’an Lake

2.4 不同季節(jié)保安湖細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算不同季節(jié)兩兩OTU之間的Spearman相關(guān)系數(shù), 基于顯著相關(guān)性(P＜0.01, Spearman相關(guān)系數(shù)r≥0.6和r≤-0.6)構(gòu)建了2019年不同季節(jié)保安湖細(xì)菌的互作網(wǎng)絡(luò)(圖 7), 模塊化分析發(fā)現(xiàn)春、夏、秋、冬季保安湖水體細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)分別可以劃分為9、5、6和5個(gè)主要模塊(OTU占比大于1%的模塊), 在網(wǎng)絡(luò)圖中相同顏色的節(jié)點(diǎn)表示同一模塊的細(xì)菌, 它們更傾向于占據(jù)相同生態(tài)位。從細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)(表 4)可以看出, 保安湖水體細(xì)菌相互作用以正相互作用為主, 從春季到冬季, 正相互作用比例逐漸增高。保安湖冬季細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、平均路徑長(zhǎng)度均低于其余季節(jié)(除秋季平均路徑長(zhǎng)度外), 而邊數(shù)、平均度和網(wǎng)絡(luò)密度均明顯高于其余季節(jié), 這表明保安湖冬季細(xì)菌之間的互作網(wǎng)絡(luò)格局最復(fù)雜緊密。從春季到冬季, 保安湖細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)存在著由簡(jiǎn)單松散到復(fù)雜緊密的變化趨勢(shì), 表明保安湖水體細(xì)菌之間相互作用從春季到冬季變得更加復(fù)雜。

表4 不同季節(jié)保安湖細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)Tab. 4 Topological properties of bacterial interactions network in Bao’an Lake from different seasons

3 討論

3.1 保安湖細(xì)菌群落時(shí)空分布特征

2019年保安湖水體細(xì)菌菌群主要由變形菌門、放線菌門、藍(lán)藻門、擬桿菌門、疣微菌門、浮游菌門及綠彎菌門構(gòu)成(圖 4), 這和淡水湖泊中細(xì)菌群落研究結(jié)果基本相似[28—30]。

保安湖水體細(xì)菌多樣性季節(jié)性差異顯著, Beta多樣性分析結(jié)果表明春、冬季細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似,優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、放線菌門, 夏、秋季細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似, 優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、藍(lán)藻門及放線菌門。一般來(lái)說(shuō), 變形菌門和放線菌門通常是水質(zhì)較好的淡水中的主導(dǎo)菌群[31,32], 這和本研究結(jié)果一致, 對(duì)保安湖水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)保安湖水體春、冬季富營(yíng)養(yǎng)化程度表現(xiàn)為接近中營(yíng)養(yǎng)化水平, 夏、秋季表現(xiàn)為接近輕度富營(yíng)養(yǎng)化水平。保安湖水體細(xì)菌群落Alpha多樣性在夏、秋季多樣性顯著高于春、冬季, 且保安湖水體細(xì)菌群落豐富度及多樣性與重度富營(yíng)養(yǎng)化的湯遜湖、青菱湖和黃家湖相比更高[33], 在Wang等[34]對(duì)不同富營(yíng)養(yǎng)化水平淡水湖泊中微生物群落多樣性的研究中也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律, 輕度富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中微生物多樣性高于中度富營(yíng)養(yǎng)化和重度富營(yíng)養(yǎng)化湖泊, 說(shuō)明輕度富營(yíng)養(yǎng)化湖泊環(huán)境可能更適合細(xì)菌生存, 隨著水質(zhì)惡化,水體細(xì)菌多樣性會(huì)有所降低。夏秋季細(xì)菌多樣性高于春冬季, 這可能是由于夏秋季水溫高, 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽較豐富, 有利于微生物繁殖生長(zhǎng), 從而導(dǎo)致不同季節(jié)間出現(xiàn)較大的細(xì)菌群落差異[35]。藍(lán)藻門相對(duì)豐度從春季到夏秋季顯著升高, 到了冬季又顯著降低, 這是因?yàn)楦邷睾透吡资怯欣谒{(lán)藻生長(zhǎng)的因素[36], 保安湖夏、秋季較高的水溫和總磷濃度更適合藍(lán)藻門生長(zhǎng), 張雅潔等[28]也發(fā)現(xiàn)T和TP的變化導(dǎo)致了藍(lán)藻豐度的變化。而放線菌門相對(duì)豐度變化與藍(lán)藻門相對(duì)豐度變化呈現(xiàn)完全相反的趨勢(shì), 先前也有研究表明放線菌門和藍(lán)藻門之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系, 前者在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富和適宜藍(lán)藻生長(zhǎng)的溫度條件下, 占比無(wú)法超越后者[37], 這可能是因?yàn)樗{(lán)藻大量繁殖會(huì)導(dǎo)致放線菌新陳代謝活動(dòng)減弱, 細(xì)菌數(shù)量減少[38]。浮霉菌門在夏秋季相對(duì)豐度顯著高于春冬季, 可能是因?yàn)楸０埠w夏、秋季溶解氧較高, 而浮霉菌門中的浮霉菌屬和小梨形菌屬等都是好氧菌, 在夏秋季水體環(huán)境中更適合生長(zhǎng)。

在空間上, 保安湖水體細(xì)菌多樣性空間差異性不顯著, 不同湖區(qū)間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較相似。在主湖區(qū)、橋墩湖可以觀測(cè)到更多的細(xì)菌種類, 這可能是由于主湖區(qū)和橋墩湖富營(yíng)養(yǎng)化水平高于扁擔(dān)塘及肖四海, 營(yíng)養(yǎng)鹽較多, 可以為細(xì)菌提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)生長(zhǎng)[39]。

3.2 保安湖細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的相關(guān)性受到廣泛關(guān)注。Qu等[40]通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)研究了南水北調(diào)工程中線末端水庫(kù)(密云水庫(kù))細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)及與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系, 結(jié)果表明密云水庫(kù)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與溫度、溶解性固體、總磷、溶解氧及總氮濃度顯著相關(guān)。黃小蘭等[41]對(duì)贛江下游河湖交錯(cuò)帶微生物群落的研究表明影響冬季和夏季微生物分布特征的主要理化因子為總氮、總磷、pH。由此可見(jiàn), 水環(huán)境因子能顯著影響水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成, 不同水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)因子不同,但也存在共性。在本研究中, pH、T、SD、DO、TP 、CODMn及Chl.a是保安湖水體細(xì)菌群落組成的重要驅(qū)動(dòng)因子。由Mantel檢驗(yàn)結(jié)果可知, T對(duì)保安湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大(R=0.6013,P＜0.01),Zhang等[42]和Song等[43]對(duì)巢湖、西湖的研究也發(fā)現(xiàn)T是影響水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素, 因?yàn)樵谝话闱闆r下, 不同細(xì)菌適宜生長(zhǎng)和繁殖的最佳溫度有所差異, 比如藍(lán)藻門中Microcystis最佳生長(zhǎng)溫度為25—32℃,Aphanizomenon最佳生長(zhǎng)溫度范圍為23—29℃[44], 這就導(dǎo)致T對(duì)水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)可直接產(chǎn)生影響。保安湖水體夏季細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與T和TP呈正相關(guān)性, 因?yàn)橄募舅疁馗? 比較適合細(xì)菌特別是藍(lán)藻門的生長(zhǎng)[35], Jiang等[45]也發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻門在高溫夏季相對(duì)豐度有所增加。一般來(lái)說(shuō), TP含量越高, 藍(lán)藻門的相對(duì)豐度也越高, 在本研究中也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果, 保安湖夏、秋季水體總磷含量較高,藍(lán)藻門相對(duì)豐度在夏、秋季也顯著高于春、冬季。Shang等[46]研究發(fā)現(xiàn)pH和溶解氧是導(dǎo)致淡水湖泊微生物群落季節(jié)性變化的潛在主要因素, 這和本研究所得結(jié)果一致, pH不僅可以直接影響細(xì)菌生長(zhǎng)狀態(tài), 也能通過(guò)改變水的理化特性影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性。DO濃度可能也會(huì)影響水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu), 因?yàn)樾柩蹙捎谌狈寡趸感枰鯕獠拍苌L(zhǎng)發(fā)育, 而厭氧菌則需生活在缺氧環(huán)境中[47], 保安湖夏、秋季DO濃度較高, 有利于浮霉菌屬、小梨形菌屬等好氧菌生長(zhǎng), 這可能是浮霉菌門在夏、秋季相對(duì)豐度顯著增加的原因。Chl.a是浮游植物現(xiàn)存量的重要指標(biāo)[48], 異養(yǎng)細(xì)菌的代謝與浮游植物密切相關(guān), 浮游生物的代謝產(chǎn)物、分泌物及浮游動(dòng)物的濾食作用均會(huì)影響細(xì)菌群落組成[49], 從而導(dǎo)致Chl.a對(duì)水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響, 本研究中保安湖水體細(xì)菌多樣性與Chl.a含量變化趨勢(shì)一致, 且在秋季存在顯著正相關(guān), 一些研究也表明細(xì)菌豐度和Chl.a之間存在正相關(guān)關(guān)系[50,51]。保安湖春、冬季水體細(xì)菌群落組成與SD呈正相關(guān)性, 保安湖春、冬季SD高于夏、秋季, 這是因?yàn)橄?、秋季藍(lán)藻的大量繁殖降低了水體的透明度。

3.3 保安湖細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程

生態(tài)位寬度是影響物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素, 常用來(lái)表示一個(gè)種群在群落中所利用資源的總和[52]。保安湖細(xì)菌生態(tài)位寬度從大到小排序依次為秋、夏、春、冬(圖 6B), 這是因?yàn)楸０埠?xì)菌豐富度及多樣性也呈現(xiàn)秋、夏、春、冬依次遞減的趨勢(shì)。在這種情況下, 秋季種間競(jìng)爭(zhēng)更加激烈, 此時(shí)較寬的生態(tài)位可以使種群得到足夠的資源;而冬季細(xì)菌種類少, 種間競(jìng)爭(zhēng)力減小, 并且秋末冬初保安湖水生植物的凋零分解為細(xì)菌生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 在食物豐富的環(huán)境中, 可能導(dǎo)致細(xì)菌選擇性利用資源和狹窄的生態(tài)位寬度[53]。

群落的確定性或隨機(jī)性組裝過(guò)程決定了微生物群落的組成和多樣性, 并決定了其功能[54]。確定性過(guò)程基于生態(tài)位理論, 強(qiáng)調(diào)確定性的非生物因素(如溫度、光照等環(huán)境條件)和生物因素(如共生、競(jìng)爭(zhēng)等相互作用)主導(dǎo)微生物群落構(gòu)建過(guò)程[55], 而隨機(jī)性過(guò)程基于中性理論, 強(qiáng)調(diào)隨機(jī)過(guò)程如出生、死亡、擴(kuò)散等主導(dǎo)微生物群落構(gòu)建過(guò)程[56]。本研究通過(guò)計(jì)算不同季節(jié)保安湖水體細(xì)菌群落標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)率發(fā)現(xiàn), 春、夏、秋季NST＞0.5, 表明細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程中由隨機(jī)性過(guò)程主導(dǎo), 在冬季NST＜0.5,表明細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程由確定性過(guò)程主導(dǎo)(圖 6A)。這可能是由于春、夏、秋季保安湖水體細(xì)菌具有更廣泛的生態(tài)位[57], 且降水較多, 與枯水期相比湖泊生境均勻性和河流連通性更高, 導(dǎo)致細(xì)菌遷移率更高, 擴(kuò)散能力增強(qiáng)[58], 而冬季保安湖細(xì)菌生態(tài)位寬度相對(duì)較窄, 受擴(kuò)散限制影響更大[57]。生境過(guò)濾作用是指某類型生境通過(guò)水文、氣候等環(huán)境條件及生態(tài)位的分化將適宜物種篩入相同生態(tài)位的過(guò)程[59,60], 本研究通過(guò)對(duì)保安湖水體細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)模塊化發(fā)現(xiàn), 春、夏、秋、冬季保安湖水體細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)可分為101、97、66和10個(gè)模塊, 其中各季節(jié)主要模塊(OTU占比大于1%的模塊)數(shù)分別為9、5、6和5, 而模塊代表可以位于同一生態(tài)位的物種集合, 相比較于其他季節(jié), 保安湖水體細(xì)菌在冬季占據(jù)更多的相同生態(tài)位, 因此我們推測(cè)生境過(guò)濾作用可能是冬季保安湖水體細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因子。

3.4 保安湖細(xì)菌群落的互作關(guān)系

自然生態(tài)系統(tǒng)中的微生物并不是個(gè)體種群的簡(jiǎn)單累積, 而是通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)、互利共生、偏害共生、掠食和寄生等相互作用形成復(fù)雜的生態(tài)網(wǎng)絡(luò), 利用網(wǎng)絡(luò)分析可以研究不同生境下微生物間的相互作用[61—63]。網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果顯示各季節(jié)參與互作的主要菌群基本相同, 為變形菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、Patescibacteria、放線菌門、疣微菌門、浮霉菌門和綠彎菌門等, 但不同季節(jié)細(xì)菌參與互作的比例有所不同, 如變形菌門在冬季互作網(wǎng)絡(luò)占比為31.03%, 明顯低于春、夏、秋季(春、夏、秋季占比分別為35.60%、36.06%和35.90%), 擬桿菌門在春、夏、秋季互作網(wǎng)絡(luò)中占比分別為11.64%、11.60%和11.34%, 在冬季占比增加到了13.60%, 這一變化趨勢(shì)在放線菌門中也有所體現(xiàn)。正相互作用主導(dǎo)了保安湖水體細(xì)菌相互作用, 表明保安湖水體細(xì)菌之間更多的是合作而不是競(jìng)爭(zhēng)[64], 此時(shí)共生網(wǎng)絡(luò)中相同顏色的節(jié)點(diǎn)在環(huán)境中更傾向于占據(jù)相似的生態(tài)位。負(fù)相互作用可能會(huì)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,從春季到冬季, 保安湖細(xì)菌相互作用負(fù)/正比逐漸降低, 說(shuō)明保安湖冬季細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)更易受到外部環(huán)境的擾動(dòng), 群落相互作用的穩(wěn)定性較差, 但細(xì)菌仍可以通過(guò)減少競(jìng)爭(zhēng)和加強(qiáng)合作來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力[65]。在本研究中, Spearman相關(guān)性分析表明保安湖水體菌門之間顯著正相關(guān)作用在冬季明顯增多, 如疣微菌門和擬桿菌門在春、夏、秋季呈負(fù)相關(guān)性, 在冬季則呈顯著正相關(guān)(P＜0.05), 藍(lán)藻門和綠彎菌門正相關(guān)性從春季到冬季逐漸增強(qiáng), 在冬季達(dá)到顯著(P＜0.05)。保安湖冬季水體細(xì)菌群落構(gòu)建過(guò)程由確定性過(guò)程主導(dǎo), 說(shuō)明冬季細(xì)菌群落具有更強(qiáng)的生境過(guò)濾作用和種間交互作用, 而保安湖細(xì)菌冬季互作網(wǎng)絡(luò)格局最復(fù)雜, 也表明了細(xì)菌之間的相互作用更復(fù)雜或者生態(tài)位重疊程度更高(圖 7)。由于春、夏、秋季細(xì)菌多樣性高于冬季, 種間為了食物、生存空間等資源而導(dǎo)致的競(jìng)爭(zhēng)也更激烈, 為了避免競(jìng)爭(zhēng), 在進(jìn)化過(guò)程中占據(jù)相似生態(tài)位的物種向棲息地分化、食物特化等不同方向進(jìn)行生態(tài)位分化, 生態(tài)位的顯著分化使得細(xì)菌在群落中可以長(zhǎng)期共存, 同時(shí)這種生態(tài)位分化可能會(huì)抑制不同物種之間的相互作用。相比之下, 冬季保安湖細(xì)菌生態(tài)位的弱分化可能導(dǎo)致細(xì)菌之間的相互作用更強(qiáng)[66]。

圖7 保安湖細(xì)菌互作網(wǎng)絡(luò)Fig. 7 Interaction network of bacteria in Bao’an Lake

4 結(jié)論

(1)保安湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有明顯的季節(jié)特征, 夏、秋季細(xì)菌群落多樣性顯著高于春、冬季,春、冬季優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、擬桿菌門, 夏、秋季優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門、擬桿菌門及藍(lán)藻門。(2)SD和保安湖春、冬季水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)呈顯著正相關(guān)關(guān)系, pH、TP、CODMn、T和保安湖夏季水體細(xì)菌群落組成呈顯著正相關(guān), DO、Chl.a和保安湖秋季水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)呈顯著正相關(guān), SD、T、CODMn、TP、pH、Chl.a和DO是決定保安湖水體細(xì)菌群落組成的主導(dǎo)因子。(3)春、夏、秋季保安湖水體細(xì)菌群落組裝過(guò)程由隨機(jī)性過(guò)程主導(dǎo), 冬季由確定性過(guò)程主導(dǎo)。保安湖冬季水體細(xì)菌間相互作用更復(fù)雜, 生態(tài)位重疊程度更高。

本研究主要在門水平上分析了保安湖細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)時(shí)空特征, 后續(xù)可在其他分類水平上進(jìn)一步分析, 以便更全面地了解保安湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征; 并結(jié)合梁子湖流域其他湖泊微生物多樣性及生境因子分析, 揭示漁業(yè)湖泊水域生境退化與微生物多樣性演變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。