金 笑， 寇文伯， 于昊天， 劉亞軍， 馬燕天， 吳 蘭

南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330031

鄱陽(yáng)湖不同區(qū)域沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、功能變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系

金 笑， 寇文伯， 于昊天， 劉亞軍， 馬燕天， 吳 蘭*

南昌大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330031

為了解鄱陽(yáng)湖湖區(qū)內(nèi)具有不同形態(tài)、功能的沉積物微生物群落的空間差異，采用T- RFLP(末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性)和Biolog- Eco微平板法，對(duì)松門(mén)山(主湖區(qū))、饒河(入湖口)、南磯山(碟形湖)和白沙洲(湖汊)樣地表層沉積物進(jìn)行細(xì)菌遺傳多樣性和微生物代謝功能多樣性進(jìn)行分析．結(jié)果表明：鄱陽(yáng)湖具有不同形態(tài)、功能的樣地間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及微生物功能多樣性存在協(xié)同的空間異質(zhì)性，顯示饒河樣地與其他樣地之間差異顯著(P<0．05)．基于T- RFLP結(jié)果，饒河樣地與其他樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異主要來(lái)源于中等相對(duì)豐度(0．20%～2．00%)的TRFs片段．此外，饒河樣地微生物代謝活性顯著低于其他樣地(P<0.05)，主要是因?yàn)轲埡訕拥匚⑸飳?duì)多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)碳源的利用能力顯著降低．基于微生物群落與環(huán)境因子的冗余分析(RDA)結(jié)果顯示，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、TOC、TN)和重金屬(Zn)是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子，而水深、pH、速效氮〔w(NH4+-N)、w(NO3--N)〕、重金屬〔w(Zn)、w(Cu)、w(Cd)〕是影響微生物代謝多樣性的顯著因子．研究顯示，重金屬(Zn)對(duì)鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及微生物功能多樣性具有顯著影響．研究結(jié)果可為探索大型淡水湖泊底棲微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的空間異質(zhì)性以及探討微生物群落結(jié)構(gòu)與功能對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)提供理論依據(jù)．

鄱陽(yáng)湖； Biolog-Eco微平板法； T-RFLP分析； 微生物代謝功能； 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著對(duì)淡水資源需求量的增加以及對(duì)水資源的不合理利用，淡水湖泊的水環(huán)境安全日益成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題[1- 2]．在淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，表層沉積物是微生物聚居和生源物質(zhì)賦存的主要介質(zhì)，而微生物可以通過(guò)同化、異化等代謝過(guò)程來(lái)影響沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽及重金屬的分布、轉(zhuǎn)化、利用等[3- 5]．因此，湖泊沉積物微生物群落可作為水環(huán)境變化和演替的重要標(biāo)志．研究淡水湖泊沉積物中的微生物群落對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律，并揭示其結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系，對(duì)了解淡水湖泊水環(huán)境中生源要素的循環(huán)具有重要作用．

目前，有諸多學(xué)者進(jìn)行了依賴(lài)于地理距離的沉積物細(xì)菌群落差異比較，這種差異主要受到了氣候、地質(zhì)背景、水文特征以及來(lái)自于湖體及集水區(qū)人為因素的影響[6- 8]，水體環(huán)境的變化和外來(lái)物質(zhì)的輸入都會(huì)影響沉積物中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[9]．如Macalady等[10]對(duì)美國(guó)加利福尼亞州受到無(wú)機(jī)汞污染的克里爾萊克湖中3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與采樣區(qū)域密切相關(guān)，在高汞區(qū)域演替出的類(lèi)脫硫桿菌微生物在沉積物汞甲基化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用．此外，研究表明，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)對(duì)微生物代謝功能活性起到促進(jìn)作用[11]，而在重金屬污染區(qū)域進(jìn)行的研究中，重金屬濃度升高對(duì)微生物代謝功能活性的作用呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的規(guī)律[12]．然而，以往對(duì)細(xì)菌群落的研究大多是建立在單一類(lèi)型的環(huán)境因素對(duì)微生物群落的影響方面，對(duì)于具有復(fù)雜性生境的大型淡水湖泊來(lái)說(shuō)，單一類(lèi)型環(huán)境因素的改變并不足以反映微生物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)特征，因而其研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足．除此之外，依據(jù)杜萍等的研究[13- 15]，在環(huán)境改變的條件下，微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系分別呈現(xiàn)協(xié)同、功能優(yōu)先于結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)先于功能變化的特征．由此可見(jiàn)，湖泊底泥微生物群落結(jié)構(gòu)和功能如何響應(yīng)環(huán)境變化并沒(méi)有得到一致性的答案．

鄱陽(yáng)湖地處江西省北部、長(zhǎng)江中下游南岸，是我國(guó)第一大淡水湖．鄱陽(yáng)湖湖河形態(tài)多樣，除了主湖區(qū)以及出入湖河流外，還有許多人控或天然湖汊和碟形湖等．作為長(zhǎng)江洪水的天然調(diào)蓄場(chǎng)所，鄱陽(yáng)湖同樣也是生物多樣性的重要區(qū)域，為人類(lèi)提供了豐富的淡水以及魚(yú)類(lèi)資源，是廣大湖區(qū)人民賴(lài)以生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)[16]．該研究選取鄱陽(yáng)湖湖區(qū)范圍內(nèi)4個(gè)形態(tài)及功能差異明顯的樣地——松門(mén)山(主湖區(qū))、南磯山(碟形湖)、饒河(入湖口)、白沙洲(湖汊)，利用T-RFLP(末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性)和Biolog-Eco微平板技術(shù)，從群落結(jié)構(gòu)和代謝活性?xún)煞矫孢M(jìn)行鄱陽(yáng)湖沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的空間變化研究，探索湖泊底棲微生物與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系，以期為進(jìn)一步探討生態(tài)環(huán)境的地域變化提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 樣品采集與處理

于2014年3月在鄱陽(yáng)湖4個(gè)樣地(見(jiàn)圖1)進(jìn)行沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的調(diào)查研究，4個(gè)樣地分別為松門(mén)山(SMS，29°12′N(xiāo)、116°11′E)、南磯山(NJS，28°55′N(xiāo)、116°16′E)、饒河(RH，29°01′N(xiāo)、116°29′E)和白沙洲(BSZ，29°10′N(xiāo)、116°37′E)．松門(mén)山樣地地處鄱陽(yáng)湖南主湖區(qū)，湖面開(kāi)闊，水流平穩(wěn)；南磯山樣地為碟形湖，環(huán)境相對(duì)封閉，枯水期與主湖區(qū)分離，有大量的漁業(yè)養(yǎng)殖活動(dòng)；饒河樣地為入湖口，湖水流速快，并且受到上游來(lái)水影響顯著；白沙洲樣地為湖汊，長(zhǎng)期受到旅游業(yè)等人為影響．每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)平行采樣點(diǎn)，分別分布在湖(河)中央以及向兩側(cè)延伸200～500 m位置．沉積物樣品的采集采用抓斗式采泥器，同時(shí)進(jìn)行水深等原位參數(shù)的測(cè)定．樣品采集后，立即放入無(wú)菌的聚乙烯自封袋中，于冰上放置并迅速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室．將每份樣品一分為二：一份于4 ℃下保存，用于理化指標(biāo)以及微生物群落功能多樣性的測(cè)定；另一份裝入無(wú)菌離心管中保存于-80 ℃冰箱，用于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析．樣品采集及處理過(guò)程盡可能在無(wú)菌條件下進(jìn)行．

樣地：1—松門(mén)山(主湖區(qū))；2—南磯山(碟形湖)；3—饒河(入湖口)；4—白沙洲(湖汊)．圖1 鄱陽(yáng)湖樣地分布Fig．1 Sampling sites in the Poyang Lake

1．2 理化參數(shù)測(cè)定

樣品pH以及AFDM(去灰分干質(zhì)量，用以表征有機(jī)質(zhì)含量)、w(NO3--N)、w(NH4+-N)、w(TP)、w(TN)、w(TOC)測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[17]；w(Cu)、w(Zn)、w(Pb)、w(Cd)采用原子吸收分光光度法[18](AA800型圓原子吸收分光光譜儀，美國(guó)PE公司)進(jìn)行測(cè)定．

1．3 沉積物微生物總DNA的提取及T- RFLP分析

稱(chēng)取-80 ℃下保存的沉積物樣品0．3 g，采用LU等[19]所運(yùn)用的方法進(jìn)行沉積物總DNA的提取．采用通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCWGC- 3′)和1392R(5′-ACGGGCGGTGTGTACA- 3′)[20]進(jìn)行16S rDNA PCR擴(kuò)增，上游引物5′端進(jìn)行6-FAM熒光標(biāo)記(生工生物工程(上海)股份有限公司).

將PCR擴(kuò)增產(chǎn)物用限制性?xún)?nèi)切酶HaeⅢ進(jìn)行酶切．酶切產(chǎn)物經(jīng)純化(Cycle-Pure Kit，OMEGA)后，進(jìn)行STR微衛(wèi)星檢測(cè)(生工生物工程(上海)股份有限公司)．

T-RFLP分析過(guò)程[20]：經(jīng)STR微衛(wèi)星檢測(cè)得到TRFs圖譜，舍去低于50 bp和高于600 bp長(zhǎng)度的片段．計(jì)算每一種片段的相對(duì)豐度，并舍去各樣品中相對(duì)豐度小于0．5%的片段．

1．4 Biolog-Eco微平板技術(shù)

對(duì)沉積物細(xì)菌功能多樣性的分析方法見(jiàn)文獻(xiàn)[21]，用AWCD(average well color development，平均顏色變化率)來(lái)評(píng)判微生物群落的碳源利用能力，指示微生物群落的代謝活性，其計(jì)算公式：

式中：Ri為第i個(gè)非對(duì)照孔的吸光值；R0為對(duì)照孔的吸光值；31表示有31種碳源．

1．5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)TRFs在不同樣品圖譜中的分布及豐度，采用PC- ORD 5．0軟件進(jìn)行Heatmap分析，并利用Venny 2．1．0(http：bioinfogp．cnb．csic．estoolsvennyindex．html)進(jìn)行韋恩圖的繪制．采用CANOCO 5．0對(duì)T- RFLP分析結(jié)果及培養(yǎng)72 h的碳源利用結(jié)果結(jié)合環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(RDA)．采用PRIMER 5．0進(jìn)行分類(lèi)組間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能差異的ANOSIM分析，并對(duì)引起差異的主要類(lèi)群及碳源進(jìn)行Simper分析．采用SPSS 20．0軟件進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的差異性檢驗(yàn)及碳源與環(huán)境因子的相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)置為0．05．

2 結(jié)果與分析

2．1 鄱陽(yáng)湖沉積物理化性質(zhì)及重金屬含量

鄱陽(yáng)湖不同樣地沉積物理化因子及重金屬含量見(jiàn)表1．結(jié)果顯示，除w(TOC)和w(Pb)外，沉積物其他理化因子及重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同樣地間均差異顯著(P<0．05)．鄱陽(yáng)湖沉積物pH為5．67～6．63，屬弱酸性．各營(yíng)養(yǎng)參數(shù)均在松門(mén)山樣地最低，與碳、氮相關(guān)的參數(shù)均在南磯山樣地最高，w(TP)在饒河樣地最高．4種重金屬含量均在饒河樣地最高，松門(mén)山和南磯山樣地最低．利用地積累指數(shù)法并參照鄱陽(yáng)湖土壤重金屬背景值[22]對(duì)重金屬含量進(jìn)行生態(tài)污染評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，Pb在4個(gè)樣地中均無(wú)污染，其他3種重金屬的污染程度表現(xiàn)為Cu>Zn>Cd．

2．2 細(xì)菌群落多樣性及其與環(huán)境因子的相關(guān)性

對(duì)鄱陽(yáng)湖4個(gè)樣地沉積物樣品進(jìn)行微衛(wèi)星檢測(cè)，共獲得的TRFs數(shù)目為52～67，表明鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均具有較高的多樣性．

為了分析鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的空間變化，進(jìn)行了樣地之間的Heatmap聚類(lèi)分析(見(jiàn)圖2)及ANOSIM分析．結(jié)果表明，沉積物細(xì)菌群落在4個(gè)樣地間差異顯著(P<0．05)．所有樣品聚為兩支，饒河樣地與其他樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性最小，單獨(dú)為一支；其他樣地聚為一支，其中南磯山樣地與白沙洲樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性最高，約為37%．由此可見(jiàn)，鄱陽(yáng)湖沉積物中饒河入湖口樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯著不同于其他樣地，而南磯山碟形湖和白沙洲湖汊樣地中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)更為相似．

通過(guò)對(duì)鄱陽(yáng)湖沉積物中各種TRFs片段的相對(duì)豐度進(jìn)行計(jì)算，得到細(xì)菌群落組成的韋恩圖(見(jiàn)圖3)．由圖3可知，共有24種TRFs廣泛分布于鄱陽(yáng)湖沉積物樣品中，占所有TRFs片段的87%，這24種TRFs中的8種(TRF77、TRF600、TRF356、TRF572、TRF270、TRF370、TRF537和TRF288)在4個(gè)樣地中均處于優(yōu)勢(shì)地位(相對(duì)豐度均大于2%，下同)．此外，TRF251(1．20%)、TRF394(0.70%)、TRF555(0．80%)、TRF589(1．40%)均分布于南磯山、白沙洲和松門(mén)山樣地卻不存在于饒河樣地中，同時(shí)TRF108(0．07%)、TRF127(0．04%)、TRF444(0．04%)、TRF497(0．04%)4種TRFs片段只存在饒河樣地而不存在其他樣地中．進(jìn)而進(jìn)行Simper分析以了解造成饒河樣地與其他樣地細(xì)菌群落差異的主要物種組成，結(jié)果顯示，TRF573(1．6%)、TRF588(0．96%)、TRF576(1．20%)、TRF589(1．47%)、TRF571(1．92%)起到了關(guān)鍵作用，關(guān)鍵作用，并且在饒河樣地的相對(duì)豐度顯著高于其他樣地(P<0．05)．綜上可知，饒河樣地與其他樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異主要來(lái)源于某些處于中等相對(duì)豐度(0．20%～2．00%)片段在樣地之間的豐度差異，而不是片段的獨(dú)有或缺失．

注： 不同的數(shù)字代表TRFs片段個(gè)數(shù)．圖3 基于T- RFLP結(jié)果的韋恩圖Fig．3 Venn Diagram based on the T-RFLP analysis

為了解鄱陽(yáng)湖沉積物環(huán)境因子與細(xì)菌群落的關(guān)系，進(jìn)行了冗余分析，結(jié)果見(jiàn)圖4．由Monte Carlo檢驗(yàn)可知，w(TN)(F=3．2，P=0．002)、AFDM(F=2．1，P=0．006)、w(TOC)(F=16．8，P=0．022)和w(Zn)(F=1．9，P=0．042)是對(duì)細(xì)菌群落具有顯著影響的環(huán)境因子，并且冗余分析排序圖中前兩個(gè)排序軸共解釋了34．38%的變異，表明除了已知環(huán)境因子外，可能還有其他因素對(duì)鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落的分布具有較大影響．在以上四種參數(shù)所確定的二維空間內(nèi)，各樣地區(qū)域相互獨(dú)立．值得注意的是，饒河樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要受w(Zn)的影響；與此相比，南磯山樣地細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要受營(yíng)養(yǎng)參數(shù)〔AFDM、w(TOC)和w(TN)〕的影響．

注： RH-A、 RH-B、 RH-C分別代表饒河樣地的3個(gè)平行采樣點(diǎn)， 其他依次類(lèi)推．圖4 基于T- RFLP的細(xì)菌群落與環(huán)境因子的冗余分析Fig．4 RDA analysis of bacterial communities and physiochemical parameters based on T-RFLP

2．3 細(xì)菌功能多樣性及其與環(huán)境因素的相關(guān)性

為了解沉積物微生物群落功能多樣性，利用Biolog-Eco微平板對(duì)微生物利用碳源的能力進(jìn)行分析，每隔12 h測(cè)定其AWCD值，繪制其隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)曲線，結(jié)果如圖5所示．由圖5可見(jiàn)，鄱陽(yáng)湖沉積物微生物群落利用碳源的AWCD值隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而逐漸升高，0～36 h各樣地的AWCD值較低，表明處于代謝延遲期，>36～96 h為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，>96 h后為代謝穩(wěn)定期．結(jié)果顯示，饒河樣地微生物碳源利用能力顯著低于其他樣地(P<0．05)，并且南磯山、松門(mén)山和白沙洲沉積物微生物群落的代謝能力之間無(wú)顯著差異(P>0．05)．

圖5 不同樣地微生物群落的AWCDFig．5 AWCD of the sediment microbial community in different sites

注： 不同小寫(xiě)字母代表不同樣地間差異達(dá)到P<0．05顯著水平．圖6 培養(yǎng)72 h時(shí)不同樣地土壤微生物群落對(duì)6種不同類(lèi)型碳源的利用能力Fig．6 The ability of the sediment microbial community to utilize six types of carbon source after 72 hours′ cultivation

Biolog-Eco微平板中含有六大類(lèi)碳源，共計(jì)31種．通過(guò)分析沉積物微生物對(duì)6種不同碳源的利用能力，能夠反映微生物的功能代謝類(lèi)群，培養(yǎng)72 h時(shí)的測(cè)定結(jié)果如圖6所示．由圖6可見(jiàn)，總體上鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落對(duì)六大類(lèi)碳源的利用能力表現(xiàn)為胺類(lèi)>氨基酸類(lèi)>酚酸類(lèi)>羧酸類(lèi)>多聚物類(lèi)>碳水化合物類(lèi)．不同樣地間微生物對(duì)六大類(lèi)碳源的利用能力差異顯著(P<0．05)，并表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律．微生物群落利用碳水化合物類(lèi)、羧酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)、胺類(lèi)碳源的AWCD值均在松門(mén)山樣地最高，而其利用多聚物類(lèi)和酚酸類(lèi)碳源的AWCD值在白沙洲樣地最高，說(shuō)明松門(mén)山樣地和白沙洲樣地微生物群落具有最強(qiáng)的碳源利用水平．微生物群落利用多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)碳源的AWCD值在饒河樣地最低，而其利用羧酸類(lèi)、酚酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)和胺類(lèi)碳源的AWCD值在南磯山樣地最低．整體上，鄱陽(yáng)湖沉積物微生物群落對(duì)胺類(lèi)、氨基酸類(lèi)、酚酸類(lèi)、羧酸類(lèi)碳源的利用高于多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)碳源，但是饒河樣地微生物群落對(duì)多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)的利用相比其他樣地顯著降低．

為了進(jìn)一步了解鄱陽(yáng)湖沉積物環(huán)境因子與微生物群落功能多樣性的關(guān)系，利用培養(yǎng)72 h后微生物對(duì)各種碳源利用的AWCD值進(jìn)行冗余分析，結(jié)果如圖7所示．結(jié)果表明，w(NH4+-N)(F=3．5，P=0．016)、pH(F=3．4，P=0．014)、w(NO3--N)(F=3．4，P=0．01)、水深(F=3．2，P=0．018)、w(Zn)(F=2．7，P=0．032)、w(Cu)(F=2．3，P=0．028)、w(Cd)(F=2．3，P=0．038)是影響細(xì)菌群落功能多樣性的主要因子，前兩軸共解釋了60．61%的變異．

× 饒河樣地 ● 南磯山樣地 ▲ 松門(mén)山樣地 ■ 白沙洲樣地圖7 基于Biolog- Eco微平板技術(shù)的細(xì)菌群落功能與環(huán)境因子的冗余分析Fig．7 Redundancy analysis of bacterial communities function and physiochemical parameters based on Biolog-Eco plate

饒河樣地細(xì)菌群落功能主要受到w(Cu)、w(Zn)、w(Cd)的影響，而南磯山樣地主要受到w(NO3--N)和w(NH4+-N)的影響，松門(mén)山樣地主要受到水深和pH的影響，而白沙洲樣地受各種參數(shù)影響均較?。鶕?jù)Pearson相關(guān)性分析(數(shù)據(jù)未列出)可知，微生物對(duì)多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)碳源的利用主要與重金屬含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0．05)，故多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)可能是引起饒河樣地與其他樣地微生物代謝功能差異的主要代謝底物．

3 討論

3．1 鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及微生物功能多樣性的空間變化

該研究結(jié)果表明，鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性在各樣地間具有較高的空間異質(zhì)性，并且群落結(jié)構(gòu)和功能呈現(xiàn)協(xié)同變化規(guī)律，均表現(xiàn)為饒河樣地與其他樣地之間差異顯著．Franklin等[23]在2．5～11 m的較小尺度下得到微生物物種相似度隨距離增加而顯著降低的空間格局；而王佳等[24]在20～200 km的相對(duì)較大尺度下，對(duì)渾河沉積物進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)，從上游到下游沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有明顯的區(qū)域分布特征，呈現(xiàn)由單一向復(fù)雜演替的趨勢(shì)；此外，在其他一些研究中，微生物的某些物種或?yàn)榱诉m應(yīng)環(huán)境的變化而表現(xiàn)出不同的功能模式，使得結(jié)構(gòu)的變化延遲于功能的變化[14]，或因環(huán)境改變而演替出其他具有相同功能的微生物類(lèi)群，使得微生物功能變化延遲于結(jié)構(gòu)變化[15]．因此，淡水湖泊表層沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)和功能變化是否協(xié)同發(fā)生、如何協(xié)同發(fā)生及發(fā)生機(jī)制還需要更多的研究證明．

針對(duì)基于T-RFLP得到的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)結(jié)果進(jìn)行Simper分析可知，在對(duì)饒河樣地與其他樣地的差異中起主導(dǎo)作用的是中等相對(duì)豐度(0．20%～2．00%)的TRFs片段，而沉積物中的優(yōu)勢(shì)和稀有TRFs片段對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化的影響較小[9]．結(jié)果顯示，鄱陽(yáng)湖沉積物中等相對(duì)豐度的微生物類(lèi)群可能能夠執(zhí)行一些更加專(zhuān)有的功能，而優(yōu)勢(shì)類(lèi)群可能因含有更多的功能冗余而無(wú)法在樣品差異中得以體現(xiàn)[25]．秦紅靈等[26]運(yùn)用T-RFLP技術(shù)對(duì)不同土地利用方式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)，除了優(yōu)勢(shì)片段外，某些相對(duì)數(shù)量較少的TRFs片段受土地利用方式的影響也較大．表明在對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間異質(zhì)性的研究過(guò)程中，對(duì)各種豐度類(lèi)群的變化關(guān)注不能忽視．

Biolog-Eco微平板技術(shù)可以有效地評(píng)價(jià)不同空間水平上同一環(huán)境區(qū)系中菌群功能的變化特征[27]．饒河地區(qū)微生物對(duì)多聚物類(lèi)及碳水化合物類(lèi)碳源的利用能力顯著低于其他樣地，表明這兩類(lèi)碳源可能是導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖沉積物空間代謝差異的主要碳源．有研究表明[28]，在具有不同重金屬污染程度的礦區(qū)土壤中，其微生物群落的碳源代謝差異是由碳水化合物類(lèi)碳源導(dǎo)致的．也有研究[29]表明，低劑量Cu添加能提高微生物群落對(duì)多聚物類(lèi)碳源的轉(zhuǎn)化與利用的能力．由此可見(jiàn)，微生物對(duì)多聚物和碳水化合物類(lèi)碳源利用的變化可以作為沉積物重金屬含量變化的靈敏、有效的生物學(xué)指標(biāo)．

3．2 環(huán)境因子對(duì)湖泊沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與微生物代謝功能的影響

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)〔AFDM、w(TN)、w(TOC)〕及重金屬w(Zn)是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著影響因子，而水深、pH、速效氮〔w(NH4+-N)、w(NO3--N)〕、重金屬〔w(Zn)、w(Cu)、w(Cd)〕是微生物代謝功能多樣性的顯著影響因子．并且w(Zn)是造成饒河樣地與其他樣地微生物群落結(jié)構(gòu)(解釋量16．1%)和功能(解釋量21．4%)差異的共同環(huán)境因子．已有研究[30- 31]證實(shí)，較低的w(Zn)能夠促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，而較高的w(Zn)則會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用．此外，該研究表明，重金屬w(Cu)、w(Cd)對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著，但卻顯著影響微生物代謝功能，這可能是微生物對(duì)重金屬長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果[32]．同時(shí)，饒河樣地的復(fù)合高重金屬含量對(duì)微生物代謝有一定程度的抑制作用，與TENG等[33]對(duì)Ag尾礦區(qū)重金屬?gòu)?fù)合污染土壤微生物群落研究結(jié)果相符．該研究中，w(TP)也呈現(xiàn)出饒河樣地顯著高于其他樣地的特征，但通過(guò)Monte Carlo檢驗(yàn)，w(TP)并不是影響其細(xì)菌群落的顯著影響因子，由此可見(jiàn)，在重金屬和磷同時(shí)污染時(shí)，淡水湖泊沉積物微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能對(duì)重金屬變化更為敏感[34]．

4 結(jié)論

a) 鄱陽(yáng)湖沉積物中，除w(TOC)和w(Pb)外，所測(cè)定的其他理化參數(shù)及重金屬含量在形態(tài)及功能不同的樣地間均具有顯著的空間差異．

b) 鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及微生物的碳源利用能力在各樣地間呈現(xiàn)協(xié)同變化特征．其中饒河樣地的細(xì)菌群落與其他樣地差異最大，在細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)上主要體現(xiàn)在中等相對(duì)豐度TRFs片段在不同樣地間的豐度差異；而饒河樣地微生物的碳源代謝能力顯著低于其他樣地，主要是由于微生物對(duì)多聚物類(lèi)和碳水化合物類(lèi)碳源的利用能力顯著降低所致．

c) 鄱陽(yáng)湖沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性受環(huán)境因子的影響較大，其中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性受到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)〔AFDM、w(TN)、w(TOC)〕及重金屬w(Zn)的顯著影響，而微生物的碳源利用功能多樣性受到水深、pH、速效氮〔w(NH4+-N)、w(NO3--N)〕、重金屬〔w(Zn)、w(Cu)、w(Cd)〕的顯著影響．

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Environmental Factors Influencing the Spatial Distribution of Sediment Bacterial Community Structure and Function in Poyang Lake

JIN Xiao， KOU Wenbo， YU Haotian， LIU Yajun， MA Yantian， WU Lan*

School of Life Sciences， Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource， Ministry of Education，Nanchang University， Nanchang 330031， China

This study aimed to explore the spatial distribution patterns of bacterial community structure and metabolic function in the surface sediments of Poyang Lake using the T-RFLP and Biolog-Ecoplate．Sediment samples were selected from four sites：Songmenshan(SMS)，Nanjishan(NJS)，Baishazhou(BSZ)and Raohe(RH)．The results demonstrated that both the bacterial community structure and function from RH were significantly different from the other sites(P<0．05)，suggesting a similar spatial variation in both bacterial community and microbial metabolic functions．The T-RFLP fragments with a relative abundance between 0．20%-2．00% mainly contributed to the differences of bacterial community composition among the four sites．Meanwhile，the average well color development(AWCD)used to characterize the microbial carbon metabolic activity of the Raohe samples(AWCD=0．65)was remarkably lower than the other sites(P<0．05)；further analysis attributed this decrease to the reduced utilization of polymers and carbohydrates．Redundancy analysis(RDA)results showed that nutrient parameters(i．e．，organic matter，TN and TOC)and heavy metal Zn obviously affected the bacterial community structure，while water depth，pH，available nitrogen(i．e．，NH4+-N，NO3--N)and heavy metals(i．e．，Zn，Cu and Cd)had significant effects on the microbial carbon metabolic function．Overall，heavy metal Zn was the most important factor that shaped the bacterial community structure and microbial carbon metabolic function of lake sediments．This study may give insight into the spatial heterogeneity and environmental effects on sediment microbes in large freshwater lakes．

Poyang Lake； Biolog- Ecoplate； T- RFLP； microbial metabolic function； bacterial community structure

2016- 10- 08

2016- 11- 29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31360127，31060082，31660027)

金笑(1990-)，女，山東煙臺(tái)人，ncusk724@hotmail．com．

*責(zé)任作者，吳蘭(1969-)，女，江西萍鄉(xiāng)人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事環(huán)境微生物學(xué)研究，wl690902@hotmail．com

X172

1001- 6929(2017)04- 0529- 08

A

10．13198j．issn．1001- 6929．2017．01．51

金笑，寇文伯，于昊天，等．鄱陽(yáng)湖不同區(qū)域沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、功能變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2017，30(4)：529-536.

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