薛銀剛,劉 菲,江曉棟,耿金菊,滕加泉,謝文理,張 皓,陳心一 (.常州大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇 常州 64；.江蘇省環(huán)境保護水環(huán)境生物監(jiān)測重點實驗室,常州市環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 常州 00；.污染控制與資源化研究國家重點實驗室,南京大學環(huán)境學院,江蘇 南京 00)

太湖是我國第三大淺層淡水湖,富營養(yǎng)化是其目前存在的主要環(huán)境問題[1].湖泊沉積層對富營養(yǎng)化非常敏感[2],沉積物細菌群落在氮、磷等元素的礦化和循環(huán)中發(fā)揮重要作用,影響著淡水湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的生物化學循環(huán)[3-4].營養(yǎng)物質(zhì)的可利用性使得沉積物細菌群落在不同營養(yǎng)水平湖區(qū)之間存在差異.

以往的研究利用T-RFLP[5-6]和PCRDGGE[7]等方法對太湖浮游細菌群落特征已經(jīng)展開了大量的工作.隨著分子生物學測序的發(fā)展,高通量測序技術(shù)被證實是識別微生物群落整體概況的高效工具[8],并被廣泛應(yīng)用于土壤、生物膜和沉積物等復雜環(huán)境的微生物群落結(jié)構(gòu)研究[9-12].目前,關(guān)于太湖微生物群落的研究大多集中于北部藻型湖區(qū)[13-14]和浮游細菌多樣性[5-7],本文基于高通量測序?qū)Σ煌瑺I養(yǎng)水平湖區(qū)冬季沉積物細菌群落多樣性展開研究.

太湖自2007年藍藻大面積暴發(fā)后,相關(guān)部門采取了一系列治理措施,如控源截污、生態(tài)修復、引水稀釋和藍藻打撈等.對于藍藻水華的防控主要集中在春夏兩季對藍藻的大規(guī)模打撈,對于早期的藍藻防控工作相對缺乏.本文以太湖不同營養(yǎng)水平湖區(qū)表層沉積物為研究對象,利用高通量測序技術(shù)分析各個點位與不同湖區(qū)的沉積物細菌多樣性,解析不同湖區(qū)沉積物細菌群落的空間差異;通過環(huán)境因子相關(guān)性分析,研究水環(huán)境因子對沉積物細菌群落的影響.通過對冬季沉積物細菌群落結(jié)構(gòu)進行分析,以期為太湖沉積物細菌生物化學循環(huán)和實施早期藍藻防控工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與理化分析

采樣時間為2015年11月,采集的樣品為表層沉積物,采樣點為太湖不同營養(yǎng)水平湖區(qū)(圖1).采樣點依次是沙塘港(STG)、閭江口(LJK)、小灣里(XWL)、椒山(JS)、平臺山(PTS)、西山西(XSX)、漁洋山(YYS)、胥湖心(XHX)、七都(QD).其中STG、LJK和XWL位于藻類主導的河口區(qū)(HK);JS、PTS和XSX位于受外部因素影響最小的湖心區(qū)(HX);YYS、XHX和QD位于水生植物主導的水草區(qū)(SC).使用便攜式柱狀采泥器(HYDRO-BIOS, Germany)進行沉積物樣品的采集.在運輸過程中,所有的樣品均放置在冷藏箱中保存,并在送到實驗室后立即進行預處理.將采集的沉積物樣品離心后得到的固態(tài)污泥保存于-20℃條件下,用于后續(xù)分析測試.

利用YSI水質(zhì)分析儀(美國,YSI 6600)現(xiàn)場測定上覆水的水溫和pH值.每個采樣點采集3份水樣帶回實驗室測定TN、NH3-N、、、TP和水質(zhì)指標,測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[15].

圖1 太湖采樣點位置Fig.1 Location of sampling sites in Lake Taihu

1.2 DNA提取和PCR擴增

使用FastDNA Spin Kit for Soil試劑盒(MP bio, USA)按照試劑盒說明步驟提取基因組DNA,使用NanoDrop2000超微量蛋白質(zhì)核酸分析儀(Thermo Fisher Scientific, USA)測定提取出的DNA濃度和純度后,將DNA樣品于-20℃中保存,用于后續(xù)的PCR擴增等分析.

將提取好的DNA產(chǎn)物利用16S rDNA V1～V2區(qū)擴增引物進行PCR擴增,引物序列(5'-3'):正向引物AGAGTTTGATYMTGGCTCAG,反向引物TGCTGCCTCCCGTAGGAGT.PCR產(chǎn)物以等密度比混合后使用Qiagen Gel Extraction Kit(Qiagen, Germany)純化.

1.3 高通量測序

純化后的產(chǎn)物送至江蘇中宜金大分析檢測有限公司,使用Illumina(USA)的Hiseq平臺進行高通量測序和分析.經(jīng)TruSeq?DNA PCR-Free樣品制備試劑盒(Illumina, USA)生成測序文庫.使用Qubit @ 2.0熒光計(Thermo Fisher Scientific,USA)和Agilent Bioanalyzer 2100系統(tǒng)(Agilent,USA)評估測序文庫質(zhì)量.最后,在Illumina HiSeq 2500平臺(Illumina, USA)上進行測序,產(chǎn)生了250bp的配對末端讀數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)分析

測序得到的原始數(shù)據(jù),存在一定比例的干擾數(shù)據(jù),為了使信息分析的結(jié)果更加準確、可靠,首先對原始數(shù)據(jù)進行拼接、過濾,得到有效數(shù)據(jù).然后基于有效數(shù)據(jù)進行OTUs聚類和物種分類分析.根據(jù)OTUs聚類結(jié)果,對每個OTU的代表序列做物種注釋,得到對應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況.對于每個代表性的序列,使用基于RDP分類器算法的GreenGene數(shù)據(jù)庫來注釋分類信息[16].

為了研究不同OTU的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系,以及不同樣本中優(yōu)勢種的差異,使用MUSCLE軟件進行多序列比對(3.8.31版本);基于QIIME計算樣品香農(nóng)指數(shù)(Shannon)、辛普森指數(shù)(Simpson)、文庫覆蓋率(Coverage)和系統(tǒng)發(fā)育距離,使用平均聯(lián)動的非加權(quán)組平均法的聚類分析方法(UPGMA)來解釋距離矩陣構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹[17];R語言程序(2.15.3版)繪制韋恩圖;Origin(8.5版本)繪制屬水平優(yōu)勢物種豐度柱狀圖;優(yōu)勢物種差異顯著性利用SPSS(17.0版本)軟件進行分析,顯著性水平設(shè)定為P＜0.05;結(jié)合Pearson相關(guān)性分析和CANOCO軟件(4.5版本)來進行優(yōu)勢細菌與水環(huán)境因子的冗余分析(RDA)[18].

2 結(jié)果與分析

2.1 水樣理化指標

太湖冬季不同湖區(qū)上覆水的理化指標如表1,可以看出各個湖區(qū)的營養(yǎng)水平為河口區(qū)＞湖心區(qū)＞水草區(qū).太湖水體整體呈弱堿性,水溫在15℃左右.TN含量在不同湖區(qū)之間差異明顯,TP含量在不同湖區(qū)之間差異性較弱.水草區(qū)的NH3-N含量較高;河口區(qū)和湖心區(qū)的TN、TP、、和含量較高.

表1 太湖不同湖區(qū)冬季水質(zhì)理化指標Table 1 Physio-chemical indices of water in different zones of Lake Taihu in winter

2.2 OTU聚類與多樣性分析

各采樣點的OTU聚類結(jié)果與多樣性指數(shù)見表2,測序文庫的覆蓋率均在99%以上,表明各個采樣點的測序結(jié)果完全可以代表樣本的真實情況.每個采樣點的有效序列數(shù)(用于OTU聚類等后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù))均在20000以上,本次測序產(chǎn)生的OTUs是將所有樣品的有效序列進行統(tǒng)計,以97%的一致性將序列聚類而成[19],然后對OTUs的代表序列進行物種注釋.稀釋曲線(圖2)表明STG、LJK和XWL在有效測序數(shù)達到4500時,曲線已保持平緩狀態(tài);其余采樣點當測序有效序列達到8000時,曲線漸進平緩;表明用于OTU聚類的測序數(shù)滿足要求[20],且聚類產(chǎn)生的OTUs可以用于后續(xù)物種注釋.稀釋曲線反映出各個采樣點聚類產(chǎn)生的OTUs為YYS＞XHX＞QD＞JS＞XSX＞PTS＞XWL＞STG＞LJK,這與表2所述基本一致.

基于多序列比對計算得出各采樣點的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),結(jié)果表明,各采樣點的Shannon指數(shù)為YYS＞QD＞XHX＞JS＞XWL＞XSX＞PTS＞STG＞LJK;Simpson指數(shù)為YYS＞QD＞XWL＞XHX＞XSX＞JS＞PTS＞STG＞LJK.總體來看,Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)為水草區(qū)＞湖心區(qū)＞河口區(qū).

表2 各點位OTU聚類與多樣性分析Table 2 Clustering and diversity analysis of each sampling site

圖2 稀釋曲線Fig.2 Rarefaction curve

Venn圖用于展示可視化數(shù)據(jù)集之間的重疊和差異,圖3反映了河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)樣品的OTUs組成相似性以及數(shù)據(jù)重疊情況.不同營養(yǎng)水平湖區(qū)均具有其特有的細菌種類,3個湖區(qū)OTUs共計1006,共有的OTUs為78.湖心區(qū)和水草區(qū)共有的OTU數(shù)最多,其次為河口區(qū)和湖心區(qū)共有的OTU數(shù),河口區(qū)與水草區(qū)共有的OTU數(shù)最少.

圖3 OTU分布韋恩圖Fig.3 Venn diagram denoting the distribution of OTUs

描述湖區(qū)到湖區(qū)物種組成的β多樣性對于了解各種空間尺度上物種多樣性的模式至關(guān)重要[21],可以考察不同湖區(qū)的生境多樣性,有利于了解整個太湖區(qū)域的生物生產(chǎn)力差異.選用距離指標來衡量不同湖區(qū)樣品間的相異系數(shù)(圖4).水草區(qū)與湖心區(qū)相異系數(shù)較小(0.214),水草區(qū)與河口區(qū)以及河口區(qū)與湖心區(qū)相異系數(shù)較大,分別為0.650和0.613.

圖4 Beta多樣性指數(shù)Fig.4 Beta diversity index

2.3 沉積物細菌群落結(jié)構(gòu)

高通量測序結(jié)果表明,河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)冬季沉積物樣品聚類產(chǎn)生的OTUs分別為378、669和641,經(jīng)分析主要隸屬于25個門,51個綱,96個屬.在門水平上,優(yōu)勢類群主要包括綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、藍藻門(Cyanobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等(圖5).系統(tǒng)發(fā)育樹表明位于同一營養(yǎng)水平湖區(qū)沉積物的細菌組成較為相似.就河口區(qū)而言,豐度高于10%的優(yōu)勢類群為Proteobacteria(29.53%)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae,16.47%)和Chloroflexi(13.80%).除Chloroflexi(34.78%)和Proteobacteria(16.16%)外,Cyanobacteria在湖心區(qū)豐度高達19.81%.Chloroflexi同時也是水草區(qū)豐度最高的優(yōu)勢類群,占比約為總細菌含量的1/3,其次為Proteobacteria(17.64%)、Acidobacteria(12.62%)和Cyanobacteria(10.32%).另外,Bacteroidetes、綠菌門(Chlorobi)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和浮霉菌門(Planctomycetes)等優(yōu)勢類群也均有檢出,豐度均高于1%.

圖5可以看出各個點位優(yōu)勢類群的豐度存在明顯差別,Proteobacteria和Chloroflexi是太湖各個點位沉積物中相對豐度最高的兩個類群.9個采樣點占比第一的沉積物細菌分別為STG(Proteobacteria,37.48%)、LJK(Proteobacteria,32.99%)、XWL(Proteobacteria,18.12%)、JS(Proteobacteria,34.44%)、PTS(Chloroflexi,36.67%)、XSX(Chloroflexi,48.15%)、XHX(Chloroflexi,30.58%)、QD(Chloroflexi,37.80%)、YYS(Proteobacteria,28.99%).其中,Chloroflexi中豐度較高的是厭氧繩菌綱(Anaerolineae,11.29%)和KD4-96(7.48%);Proteobacteria中豐度較高的是β-變形菌綱(Betaproteobacteria,3.03%)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria,9.48%)和δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria,3.73%).

圖5 UPGMA聚類樹與門水平優(yōu)勢沉積物細菌Fig.5 UPGMA cluster tree of dominant bacteria in winter sediment of Lake Taihu at the phyla level

選取屬水平排名前10的優(yōu)勢細菌重新進行相對豐度的計算,以更顯著地表明不同湖區(qū)優(yōu)勢沉積物細菌的豐度差異性(圖6).其中歸屬于Others的細菌主要有蛭弧菌屬(Bdellovibrio)、厭氧粘細菌屬(Anaeromyxobacter)、Blvii28_wastewater-sludge_group以及分枝桿菌屬(Mycobacterium)等(圖中未展示). unidentified_Chloroplast、聚球藻屬(Synechococcus)、微囊藻屬(Microcystis)和unidentified_ Nitrosomonadaceae是太湖冬季沉積物中優(yōu)勢類群.其中,河口區(qū)的主要優(yōu)勢類群為Microcystis、unidentified_Nitrosomonadaceae和unidentified_Chloroplast,平均豐度分別達到26.24%、24.14%和18.87%;這3類細菌也是湖心區(qū)豐度排名前3的優(yōu)勢類群;而水草區(qū)最具優(yōu)勢的類群為Synechococcus,平均豐度達到31.65%.值得注意的是,Microcystis在每個采樣點均有檢出,其中JS的Microcystis含量最高,僅次于JS的是LJK.unidentified_Chloroplast、Synechococcus、unidentified_Nitrospiraceae、Blastocatella和Sva0081_sediment_groups分別在XSX、QD、XWL、PTS、STG豐度最高.

選取5類門水平優(yōu)勢細菌、3類綱水平優(yōu)勢細菌與4類屬水平優(yōu)勢細菌與不同湖區(qū)進行差異顯著性分析(表3).單因素方差分析表明,不同優(yōu)勢細菌在湖區(qū)之間的差異顯著性不同.2類門水平優(yōu)勢細菌Nitrospirae(P=0.033)和Acidobacteria (P=0.042)、2類綱水平優(yōu)勢細菌Anaerolineae(P=0.043)和Nitrospira(P=0.033)在河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)之間差異顯著.3類門水平優(yōu)勢細菌(Chloroflexi、Proteobacteria和Cyanobacteria)、1類綱水平優(yōu)勢細菌(Gammaproteobacteria)和4類屬水平優(yōu)勢細菌(unidentified_Chloroplast、Synechococcus、Microcystis和unidentified_Nitrospiraceae)在不同湖區(qū)之間差異不顯著(P＞0.05).

圖6 屬水平優(yōu)勢沉積物細菌Fig.6 Dominant bacteria in sediment at the genus level

表3 優(yōu)勢細菌與不同湖區(qū)差異顯著性Table 3 Significance of difference of dominant bacteria among different lake zones

2.4 沉積物細菌與水環(huán)境因子的相關(guān)性

圖7展示了水環(huán)境營養(yǎng)鹽含量、水溫以及pH值與屬水平細菌的冗余分析結(jié)果,第一主軸對屬水平細菌群落方差變化的解釋量為62.40%,第二主軸的解釋量為18.80%.其中pH值與第一主軸呈顯著正相關(guān),與第二主軸呈顯著負相關(guān);、水溫、TN、TP、、和NH3-N與第一主軸呈顯著負相關(guān),與第二主軸呈顯著正相關(guān).可見,上層水環(huán)境營養(yǎng)鹽水平、水溫以及pH值均對太湖冬季表層沉積物細菌群落有一定影響.

unidentified_Xanthomonadales、Ignavibacterium和Desulfatiglans與TN、TP、、和NH3-N具有較強正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均大于0.9;與pH值呈負相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.99.Synechococcus和Blastocatella與pH值呈正相關(guān)性關(guān)系,與TN、TP、、和NH3-N呈負相關(guān)關(guān)系. Sva0081_sediment_group、CL500-3和uidentified_Nitrospiraceae受環(huán)境因子影響較小,NH3-N是其主要影響因子.Microcystis顯示出與水溫和較強的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均大于0.99.

圖7 優(yōu)勢細菌與水環(huán)境因子的冗余分析Fig.7 Redundancy analysis of dominant bacteria and water environmental factors

3 討論

3.1 太湖不同湖區(qū)沉積物細菌群落特征

太湖水域較廣闊,由于其水深相對較淺,外加風浪的作用促使沉積層物質(zhì)與水體物質(zhì)交換頻繁[22],引起沉積層理化性質(zhì)與營養(yǎng)程度的變化,進而影響微生物的多樣性.為了研究不同湖區(qū)沉積物細菌群落差異性和生境多樣性,本文選用α多樣性和β多樣性對太湖不同營養(yǎng)水平湖區(qū)進行分析.結(jié)果表明,湖心區(qū)和水草區(qū)的細菌群落組成較為相似;通過Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)對每個樣品中物種組成的豐富度和均勻度兩方面進行考察[23],結(jié)果表明,水草區(qū)物種組成的均勻度和豐富度均最高,其次為湖心區(qū),河口區(qū)最低;之前已有研究報道表明營養(yǎng)水平的增加會導致細菌群落多樣性顯著下降[24].造成太湖3個湖區(qū)群落多樣性差異可能是由于水草區(qū)主要由水生植物主導,富營養(yǎng)化程度較低,水質(zhì)較好;湖心區(qū)地理位置上遠離河口區(qū),受外界影響小,富營養(yǎng)化程度較河口區(qū)低;由于周邊農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)和城市化的發(fā)展,河口區(qū)長期接納農(nóng)業(yè)化學品、土壤顆粒、工業(yè)廢水和生活污水的侵蝕,營養(yǎng)輸入過多,水質(zhì)較差.營養(yǎng)通量的改變可能導致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生巨大變化,使得不同營養(yǎng)區(qū)的細菌群落組成各異.Bacteroidetes、Chlorobi、unidentified_Chloroplast和unidentified_Nitrospiraceae在富營養(yǎng)區(qū)的豐度更高,而Actinobacteria在貧營養(yǎng)區(qū)的檢出率更高,劉芳華等[25]也發(fā)現(xiàn)Actinobacteria在太湖貧營養(yǎng)區(qū)的含量相對較高,營養(yǎng)可用性被認為是改變湖泊沉積物中微生物群落的主要因素[26].營養(yǎng)水平的不同使Nitrospirae、Acidobacteria、Anaerolineae和Nitrospira在3個湖區(qū)之間具有顯著的差異.同時,不同營養(yǎng)區(qū)還存在特有的細菌種類,如Sva0081_ sediment_group僅在水草區(qū)的3個采樣點有檢出.

沉積物細菌具有種類豐富以及代謝活性高的特點,是湖泊中完成轉(zhuǎn)化營養(yǎng)物質(zhì)工作的承擔者[27].太湖冬季沉積物中主要的優(yōu)勢類群為Chloroflexi、Proteobacteria、Acidobacteria和Cyanobacteria等.高光等[28]通過對太湖水生植物主導和藻類主導湖區(qū)冬季和夏季的沉積物細菌群落進行比較,發(fā)現(xiàn)Proteobacteria在兩類湖區(qū)豐度均最高,除此之外,Cyanobacteria僅在藻類主要湖區(qū)的樣品中有檢出,水生植物主導湖區(qū)的優(yōu)勢類群為Acidobacteria、Bacteroidetes.該研究團隊對太湖不同湖區(qū)春季沉積物細菌群落的研究結(jié)果表明,梅梁灣和水草區(qū)的主要優(yōu)勢細菌為Chloroflexi、Proteobacteria;Proteobacteria和Bacteroidetes在湖心區(qū)豐度較高[25].可見,Proteobacteria和Chloroflexi是太湖沉積物中長期存在的優(yōu)勢類群.大多數(shù)的Proteobacteria對于可降解的有機基質(zhì)具有很強的代謝能力,在富營養(yǎng)化湖泊占據(jù)主導地位并不意外.Chloroflexi是涉及有機污染物生物降解的細菌,太湖的富營養(yǎng)狀態(tài)使這類細菌具有明顯的生存優(yōu)勢.趙大勇[29]等利用T-RFLP方法對太湖3個不同營養(yǎng)水平湖區(qū)(梅梁灣、胥口灣、東太湖)夏季表層沉積物的細菌群落開展研究,發(fā)現(xiàn)Gammaproteobacteria廣泛存在于3個湖區(qū)中,Deltaproteobacteria在梅梁灣豐度較高,Betaproteobacteria為東太湖含量較多,這與本次研究結(jié)果相類似;但其僅在梅梁灣區(qū)域檢出Chloroflexi,而本次研究表明Chloroflexi分布于太湖不同湖區(qū)所有采樣點,可能是由于高通量測序的檢測范圍寬、定量準確以及測序深度高等優(yōu)點.

近幾年來,盡管太湖的營養(yǎng)污染得到一定的削減,但藍藻的繁殖頻率和持續(xù)時間都有所增加[30].早前的報道表明,全球氣候的變化導致地表水溫升高,可能會在藍藻繁殖中起重要作用[31].針對富營養(yǎng)化和氣候變化促進藍藻有害增殖和擴張的兩個過程,O'Neil等[32]研究了淡水、河口和海洋生態(tài)系統(tǒng)的代表藍藻屬與營養(yǎng)和氣候變化之間的關(guān)系,結(jié)果表明藍藻屬對氮磷等營養(yǎng)元素具有極高的競爭力;并且在更高溫度下,其生長速度更快.藍藻水華暴發(fā)往往經(jīng)歷4個階段:湖底休眠、水體復蘇、上浮積聚和死亡分解.很多藍藻細胞在冬季會沉到底泥里,而到春季會復蘇到水體,且藍藻大規(guī)模積聚的時間提前,相關(guān)部門在春季便開始對太湖藍藻實施大規(guī)模打撈,但藍藻并未減少,且2017年藍藻打撈量是2016年同期的5.5倍[33].本次通過高通量測序技術(shù)在太湖9個采樣點均檢出藍藻,在3個湖區(qū)占比均較高,以湖心區(qū)含量最高,其次為水草區(qū),河口區(qū)豐度最低.研究表明,沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)會為藍藻復蘇及生長繁殖提供營養(yǎng)[34],致使春季太湖水體中藍藻大規(guī)模富集.可見,下一年春季太湖水體中藍藻會大規(guī)模積聚,可能以湖心區(qū)藍藻覆蓋面積更大.設(shè)想如若將冬季沉積物中的藻種消除,便可能克服后續(xù)大規(guī)模的藍藻打撈工作,從而實現(xiàn)早期藍藻水華的防控.

3.2 沉積物細菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

營養(yǎng)鹽的輸入可能對接收水質(zhì)產(chǎn)生深遠的影響,同時上覆水的理化性質(zhì)也可對沉積物細菌群落結(jié)構(gòu)有一定的影響.營養(yǎng)狀況可能對淡水湖泊沉積細菌群落的形成起重要作用[35].參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB38382-2002)[36]Ⅲ類水標準要求,河口區(qū)和湖心區(qū)的TN和TP含量都已超標,由氮磷含量反應(yīng)出太湖此時已呈現(xiàn)營養(yǎng)狀態(tài).冗余分析結(jié)果表明水環(huán)境因子顯著地影響著沉積物細菌群落.Winters等[37]發(fā)現(xiàn)硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽等環(huán)境因子均可影響勞倫森大湖沉積物細菌群落組成.通過考察不同污染源對太湖春夏秋冬四季沉積物細菌群落的影響,Jing等[38]發(fā)現(xiàn)銨鹽和有機物顯著影響細菌群落組成,4種不同的污染源(污水處理廠,城市,郊區(qū),農(nóng)業(yè))對太湖沉積物細菌群落影響不同,其中污水處理廠最可能導致沉積物生物同質(zhì)化.

Microcystis在太湖9個采樣點均有檢出,上覆水的水溫和NO3--N是冬季沉積物中Microcystis的主要影響因子.Liu等[39]對太湖進行了為期11年的調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)Microcystis與NOx-N和水溫呈正相關(guān),在含氮化合物濃度下降時,水溫升高是微囊藻水華暴發(fā)的主要推動力.李朋富教授團隊對太湖梅梁灣、貢湖灣和湖心區(qū)進行為期6個月的研究工作,發(fā)現(xiàn)從春季到秋季Microcystis含量持續(xù)升高[40].本次Microcystis在太湖不同湖區(qū)均有檢出,當水溫持續(xù)上升后,Microcystis可能會迅速增長以致大規(guī)模積聚.秦伯強等[41]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)毒的Microcystis主要存在于太湖營養(yǎng)充足的湖區(qū),而無毒的Microcystis則是營養(yǎng)受限湖區(qū)的優(yōu)勢細菌.本次研究中,Microcystis在河口區(qū)和湖心區(qū)豐度很高,這與河口區(qū)和湖心區(qū)的營養(yǎng)鹽含量密不可分;同時河口區(qū)與湖心區(qū)的水溫也高于水草區(qū).對于存在于河口區(qū)和湖心區(qū)等營養(yǎng)水平較高湖區(qū)的Microcystis,應(yīng)給予極大關(guān)注.通過找出Microcystis等有害生物的制約因子,以控制環(huán)境制約因子達到對有害微囊藻水華的防控.

4 結(jié)論

4.1 營養(yǎng)程度不同,湖區(qū)物種豐富度和均勻度也不同,3個湖區(qū)的物種豐富度和均勻度為水草區(qū)＞湖心區(qū)＞河口區(qū).

4.2 不同湖區(qū)優(yōu)勢細菌群落組成存在差異,Nitrospirae、Acidobacteria、Anaerolineae和Nitrospira占比在河口區(qū)、湖心區(qū)和水草區(qū)之間差異顯著(P＜0.05).冬季太湖沉積物細菌主要類群為Chloroflexi(22.18%)、Proteobacteria(21.11%)、Cyanobacteria(13.37%)和Nitrospirae(10.17%);在屬分類水平上,主要的優(yōu)勢類群為unidentified_Chloroplast(4.78%)和Microcystis(3.81%).

4.3 冬季太湖沉積物中全面檢出Cyanobacteria,且含量豐富.隸屬于Cyanobacteria的Microcystis在太湖不同湖區(qū)9個采樣點也均有檢出,NO3--N和水溫是Microcystis的主要影響因子,可為早期藍藻和有害微囊藻水華防控工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

[1] Qin B Q, Zhu G W, Gao G A, et al. A drinking water crisis in Lake Taihu, China: linkage to climatic variability and lake management [J]. Environmental Management, 2010,45(1):105-112.

[2] Ye W J, Liu X L, Lin S Q, et al. The vertical distribution of bacterial and archaeal communities in the water and sediment of Lake Taihu [J]. Fems Microbiology Ecology, 2009,70(2):263-276.

[3] Yang Z, Zhang M, Shi X L, et al. Nutrient reduction magnifies the impact of extreme weather on cyanobacterial bloom formation in large shallow Lake Taihu (China) [J]. Water Research, 2016,103:302-310.

[4] 鄭艷玲,侯立軍,陸 敏,等.崇明東灘夏冬季表層沉積物細菌多樣性研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2012,32(2):300-310.

[5] 顧婷婷,孔繁翔,譚 嘯,等.越冬和復蘇時期太湖水體藍藻群落結(jié)構(gòu)的時空變化 [J]. 生態(tài)學報, 2011,31(1):21-30.

[6] Tang X M, Gao G A, Chao J Y, et al. Dynamics of organicaggregate-associated bacterial communities and related environmental factors in Lake Taihu, a large eutrophic shallow lake in China [J]. Limnology and Oceanography, 2010,55(2):469-480.

[7] Shi L M, Cai Y F, Kong F X, et al. Specific association between bacteria and buoyant Microcystis, colonies compared with other bulk bacterial communities in the eutrophic Lake Taihu, China [J].Environmental Microbiology Reports, 2012,4(6):669-678.

[8] 陳兆進,陳海燕,李玉英,等.南水北調(diào)中線干渠(河南段)浮游細菌群落組成及影響因素 [J]. 中國環(huán)境科學, 2017,37(4):1505-1513.

[9] Chao Y Q, Mao Y P, Wang Z P, et al. Diversity and functions of bacterial community in drinking water biofilms revealed by high-throughput sequencing [J]. Scientific Reports, 2015,5:10044.

[10] Sun Y J, Wang T Y, Peng X W, et al. Bacterial community compositions in sediment polluted by perfluoroalkyl acids(PFAAs) using Illumina high-throughput sequencing [J].Environmental Science and Pollution Research, 2016,23(11):10556-10565.

[11] 劉 洋,曾全超,黃懿梅.基于454高通量測序的黃土高原不同喬木林土壤細菌群落特征 [J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(11):3487-3494.

[12] 白 潔,李海艷,張 健,等.黃海西北部沉積物中細菌群落16S rDNA多樣性解析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2009,29(12):1277-1284.

[13] Shao K Q, Gao G, Qin B Q, et al. Structural changes of the sediment bacterial community in Meiliang Bay of Lake Taihu,China, during typhoon Morakot, 2009 [J]. Journal of Basic Microbiology, 2012,52(1):99-103.

[14] Tang X M, Li L L, Shao K Q, et al. Pyrosequencing analysis of free-living and attached bacterial communities in Meiliang Bay,Lake Taihu, a large eutrophic shallow lake in China [J]. Canadian Journal of Microbiology, 2014,61(1):22-31.

[15] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法-第4版 [M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002:239-284.

[16] Desantis T Z, Hugenholtz P, Larsen N, et al. Greengenes: a chimera-checked 16S rRNA gene database and workbench compatible in ARB [J]. Applied & Environmental Microbiology,2006,72(7):5069-5072.

[17] Caporaso J G, Kuczynski J, Stombaugh J, et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data [J].Nature Methods, 2010,7(5):335-336.

[18] Ter Braak C J F, Smilauer P. CANOCO reference manual and CanoDraw for Windows user's guide: software for canonical community ordination (version 4.5) [M]. Ithaca, New York,Microcomputer Power, 2002.

[19] Huse S H, Welch D M, Morrison H G, et al. Ironing out the wrinkles in the rare biosphere through improved OTU clustering[J]. Environmental Microbiology, 2010,12(7):1889-1898.

[20] 陳兆進,丁傳雨,朱靜亞,等.丹江口水庫枯水期浮游細菌群落組成及影響因素研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2017,37(1):336-344.

[21] Zhou J, Jiang Y H, Deng Y, et al. Random sampling process leads to overestimation of β-diversity of microbial communities [J].Mbio, 2013,4(3):e00324-13.

[22] 逄 勇,顏潤潤,余鐘波,等.風浪作用下的底泥懸浮沉降及內(nèi)源釋放量研究 [J]. 環(huán)境科學, 2008,29(9):2456-2464.

[23] Strecker A L, Arnott S E, Yan N D, et al. Variation in the response of crustacean zooplankton species richness and composition to the invasive predator Bythotrephes longimanus [J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2006,63(9):2126-2136.

[24] Sand-Jensen K, Borum J. Interactions among phytoplankton,periphyton, and macrophytes in temperate freshwaters and estuaries [J]. Aquatic Botany, 1991,41(1-3):137-175.

[25] Liu F H, Lin G H, Gao G, et al. Bacterial and archaeal assemblages in sediments of a large shallow freshwater lake, Lake Taihu, as revealed by denaturing gradient gel electrophoresis [J].Journal of Applied Microbiology, 2009,106(3):1022-1032.

[26] Nam Y D, Sung Y, Chang H W, et al. Characterization of the depth-related changes in the microbial communities in Lake Hovsgol sediment by 16S rRNA gene-based approaches [J].Journal of Microbiology, 2008,46(2):125-136.

[27] Madsen E L. Microorganisms and their roles in fundamental biogeochemical cycles [J]. Current Opinion in Biotechnology,2011,22(3):456-464.

[28] Shao K Q, Gao G, Qin B Q, et al. Comparing sediment bacterial communities in the macrophyte-dominated and algae-dominated areas of eutrophic Lake Taihu, China [J]. Canadian Journal of Microbiology, 2011,57(4):263-272.

[29] Huang R, Zhao D Y, Jiang C L, et al. Heterogeneity of bacterial community compositions in surface sediments of three lake zones in Lake Taihu [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section B: Biological Sciences, 2015,85(2):1-10.[30] Yang Z, Zhang M, Shi X L, et al. Nutrient reduction magnifies the impact of extreme weather on cyanobacterial bloom formation in large shallow Lake Taihu (China) [J]. Water Research, 2016,103:302-310.

[31] Paerl H W, Huisman J. Blooms like it hot [J]. Science,2008,320(5872):57-58.

[32] O’Neil J M, Davis T W, Burford M A, et al. The rise of harmful cyanobacteria blooms: The potential roles of eutrophication and climate change [J]. Harmful Algae, 2012,14:313-334.

[33] 宜興日報.太湖藍藻打撈量是去年同期的5.5倍 [EB/OL].http://www.yixing.gov.cn/zxzx/show-13593314.heml2017-05-16/2017-06-26.

[34] 陳 楠.太湖沉積物微生物群落組成與物質(zhì)循環(huán)及藍藻爆發(fā)的相關(guān)性 [D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學, 2015.

[35] Yu D, Yang Y, Zhen W, et al. Spatiotemporal variation of planktonic and sediment bacterial assemblages in two plateau freshwater lakes at different trophic status [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2016,100(9):4161-4175.

[36] GB/3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標準 [S].

[37] Winters A D, Marsh T L, Brenden T O, et al. Molecular characterization of bacterial communities associated with sediments in the Laurentian Great Lakes [J]. Journal of Great Lakes Research, 2014,40(3):640-645.

[38] Jing W, Yi L, Wang P F, et al. Response of bacterial community compositions to different sources of pollutants in sediments of a tributary of Taihu Lake, China [J]. Environmental Science and Pollution Research International, 2016,23(14):13886-13894.

[39] Liu X, Lu X H, Chen Y W. The effects of temperature and nutrient ratios on Microcystis blooms in Lake Taihu, China: an 11-year investigation [J]. Harmful Algae, 2011,10(3):337-343.

[40] Wang X Y, Sun M J, Wang J M, et al. Microcystis genotype succession and related environmental factors in Lake Taihu during cyanobacterial blooms [J]. Microbial Ecology, 2012,64(4):986-999.

[41] Otten T G, Xu H, Qin B Q, et al. Spatiotemporal patterns and ecophysiology of toxigenic microcystis blooms in Lake Taihu,China: implications for water quality management [J].Environmental Science and Technology, 2016,46(6):3480-3488.