李昂松,武 闖,朱 琳,徐麗樺,張 勁**,李兆華,蔡 偉,馮學(xué)高

(1:湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062)(2:湖北大學(xué)生態(tài)文明建設(shè)研究院,武漢 430062)(3:武漢市生態(tài)環(huán)境安全中心,武漢 430062)(4:荊門(mén)市生態(tài)環(huán)境局沙洋縣分局,荊門(mén) 448299)

作為陸地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要受納場(chǎng)所,江河湖庫(kù)經(jīng)歷了氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的長(zhǎng)期富集。這導(dǎo)致了水體富營(yíng)養(yǎng)化和水生態(tài)系統(tǒng)的退化[1]。沉水植物整株浸沒(méi)于水中,不僅能吸收水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[2-3],還能吸附水體中的生物性和非生物性的懸浮物質(zhì),從而改善水質(zhì)[4],提高水體透明度[5],增加水體溶解氧[6],有效緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象[7]。因此,沉水植物在湖泊水體生態(tài)修復(fù)中具有重要地位,特別是在維護(hù)水域生態(tài)平衡、調(diào)控水體水質(zhì)、凈化污染水體、防治湖泊富營(yíng)養(yǎng)化等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。菹草(Potamogetoncrispus)作為秋生夏衰的沉水植物,可以彌補(bǔ)湖庫(kù)沉水植物秋冬季節(jié)性空缺,被廣泛應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)修復(fù)中,并逐漸成為我國(guó)長(zhǎng)江中下游湖庫(kù)中秋冬季節(jié)的優(yōu)勢(shì)物種[8-9]。菹草衰亡期正值初夏,進(jìn)入衰亡期后,較高的水溫會(huì)加速植物體腐解,其殘?bào)w在水體中自然腐解會(huì)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較為復(fù)雜的負(fù)面影響,其中的氮營(yíng)養(yǎng)鹽釋放規(guī)律值得重點(diǎn)關(guān)注[1,10]。多形態(tài)氮素在水中扮演著重要角色,蛋白質(zhì)和氨基酸等有機(jī)氮參與細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程,腐解后多種無(wú)機(jī)氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程較為復(fù)雜[10]。因此,研究沉水植物季節(jié)性衰亡過(guò)程中氮素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)遷移規(guī)律以及其機(jī)理對(duì)于有效控制湖庫(kù)季相交替期的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)具有重要意義。

沉水植物衰亡過(guò)程中,上覆水中的浮游細(xì)菌參與了植物殘?bào)w分解的全過(guò)程,對(duì)沉水植物腐解過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[11-12]。一方面,浮游細(xì)菌可以分解有機(jī)物質(zhì),轉(zhuǎn)化水體中的營(yíng)養(yǎng)成分[13];另一方面,浮游細(xì)菌是極為敏感并易受環(huán)境影響的生物類(lèi)群,上覆水環(huán)境的變化反過(guò)來(lái)會(huì)影響浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[14-16]。因此,常用上覆水中細(xì)菌的豐度和群落結(jié)構(gòu)的變化來(lái)反映湖庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)以及生態(tài)環(huán)境的情況,并作為評(píng)判生態(tài)修復(fù)的重要指標(biāo)[17-19]。同時(shí),研究浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境因子對(duì)其驅(qū)動(dòng)作用,有助于加深對(duì)整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)完整性的了解[20-22]。因此,研究沉水植物腐解期間上覆水的氮營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)、浮游細(xì)菌群落的變化及其環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素,對(duì)于深入理解沉水植物腐解過(guò)程的作用機(jī)理和科學(xué)管理湖庫(kù)沉水植物群落,具有舉足輕重的意義。

本研究主要以菹草為對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬手段,研究了菹草殘?bào)w腐解過(guò)程上覆水水質(zhì)變化及環(huán)境因子對(duì)浮游細(xì)菌的的驅(qū)動(dòng)作用,旨在研究上覆水中:(1)氮素(總氮、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮)在菹草殘?bào)w腐解期間的動(dòng)態(tài)規(guī)律;(2)腐解期間,浮游細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)變化及環(huán)境因子對(duì)其的驅(qū)動(dòng)作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品制備

實(shí)驗(yàn)使用的菹草均采集自湖北省武漢市武昌區(qū)的沙湖,菹草采集后去除干凈泥沙和雜質(zhì),然后用清水漂洗干凈,待表面水分自然風(fēng)干后,用剪刀剪取10 cm長(zhǎng)的小段,混合均勻后按照每袋200 g的標(biāo)準(zhǔn),裝入信封袋,放入鼓風(fēng)干燥箱105℃殺青30 min,最后在80℃烘干至恒重備用。為保證細(xì)菌接種,實(shí)驗(yàn)用水取自沙湖,沙湖水取回后,充分混勻靜置一天后備用。

表1 不同稀釋比上覆水水質(zhì)及其對(duì)應(yīng)的地表水類(lèi)別*Tab.1 Overlying water quality at different dilution ratios and its surface water categories

1.2 樣品預(yù)處理與測(cè)定

1.3 細(xì)菌群落分析方法

浮游細(xì)菌檢測(cè)取樣時(shí),每個(gè)實(shí)驗(yàn)水箱采集1 L水樣,搖勻后在負(fù)壓狀態(tài)下,經(jīng)5 μm聚碳酸酯膜過(guò)濾,過(guò)濾后的水樣再負(fù)壓經(jīng)0.2 μm聚碳酸酯膜過(guò)濾,取過(guò)濾器上0.2 μm的膜裝入經(jīng)滅菌的10 mL離心管內(nèi),用于浮游細(xì)菌的高通量測(cè)序。水樣經(jīng)聚碳酸酯膜過(guò)濾用于浮游細(xì)菌DNA提取,DNA提取樣品保存在-40℃冰箱并進(jìn)行Illumina高通量測(cè)序。測(cè)定區(qū)域?yàn)椴捎谜蛞?38F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和反向引物806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)。測(cè)序平臺(tái)的初始數(shù)據(jù)采用美吉生信云進(jìn)行后續(xù)分析。測(cè)序結(jié)果使用Fastp(v.0.19.6)進(jìn)行質(zhì)控,使用Flash(v.1.2.11)進(jìn)行序列拼接,使用Uparse(v.7.0.1090)進(jìn)行OTU聚類(lèi),使用Usearch(v.7.0)進(jìn)行OTU統(tǒng)計(jì),使用Qiime(v.1.9.1)生成豐度表,使用RDP Classifier(v.2.11)進(jìn)行序列分類(lèi)注釋。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

使用Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理,并繪制各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的點(diǎn)線圖。細(xì)菌測(cè)序數(shù)據(jù)利用I-Sanger云平臺(tái)完成群落結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析。聚類(lèi)分析使用最大鄰近距離法在基于3%的差異值水平上劃分多個(gè)OTUs(operational taxonomic units,操作分類(lèi)單元)[24];對(duì)OTU水平的浮游細(xì)菌群落與環(huán)境因子進(jìn)行去趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(detrended correspondence analysis,簡(jiǎn)稱(chēng)DCA),計(jì)算其第一排序軸的梯度范圍(lengths of gradient),根據(jù)Lengths of gradient特征值選用典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,簡(jiǎn)稱(chēng)CCA)解釋環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落組成的影響,并進(jìn)行置換檢驗(yàn)(permutation test);網(wǎng)絡(luò)分析根據(jù)環(huán)境因子和細(xì)菌屬水平之間的Spearman相關(guān)系數(shù)使用Gephi平臺(tái)確定[25]。使用Adobe illustrate 2020修飾圖像。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐解過(guò)程上覆水理化性質(zhì)變化

腐解實(shí)驗(yàn)從3月3日-4月3日止,共持續(xù)30天。實(shí)驗(yàn)過(guò)程上覆水平均溫度為16.2℃。最高和最低溫分別是22.1和10.3℃,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅在開(kāi)始后7天內(nèi)有小幅波動(dòng),隨后7～25天內(nèi)的溫度變化較為平緩,在第25～30天內(nèi)溫度驟跌至10～11℃,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖1 菹草腐解過(guò)程水的理化性質(zhì)變化(A組: 未稀釋組; B組: 稀釋2倍組; C組: 稀釋4倍組。點(diǎn)為均值,誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤SE,下同)Fig.1 Water physical and chemical properties during decomposition of Potamogeton crispus(A: the undiluted group; B: the 2-fold diluted group; C: the 4-fold diluted group. Data points are mean values, error bars are standard error, the same below)

ORP是水體環(huán)境條件的一個(gè)綜合性指標(biāo),其反映了水質(zhì)體系中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的宏觀氧化還原性,幫助人們了解水體中可能存在的氧化還原物質(zhì)及其存在量,了解水質(zhì)狀態(tài)[34-35]。ORP的變化影響著水體生化反應(yīng)的進(jìn)行,不同的氧化還原反應(yīng)中,參與反應(yīng)的細(xì)菌種類(lèi)不同,當(dāng)水體ORP高,表明溶解氧充足,需氧菌參與反應(yīng),水體和底泥中的有機(jī)物將會(huì)分解[36]。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中,ORP均處于負(fù)值(圖1),且與DO呈現(xiàn)明顯的反向變化趨勢(shì),實(shí)驗(yàn)前7天3組的ORP都波動(dòng)劇烈,在第5天出現(xiàn)較高值(1 mV),自第10天后電位隨時(shí)間而逐步降低。腐解產(chǎn)生的有機(jī)物逐漸聚積,消耗大量電子受體進(jìn)行厭氧呼吸,導(dǎo)致ORP呈現(xiàn)還原態(tài)[37]。隨著DO的逐漸恢復(fù),ORP出現(xiàn)小幅抬升,厭氧活動(dòng)受到抑制。在第20～25天,C組ORP的下降速度超過(guò)了其他兩組。與此同時(shí),該階段C組的溶解氧DO和pH值均有所上升。然而,目前尚未有研究表明三者之間存在明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系,其機(jī)制原因有待進(jìn)一步研究。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,盡管ORP的變化與DO和pH的變化似乎相反,但它們之間的負(fù)相關(guān)性并不顯著(r<-0.85,P>0.05)。

水體的電導(dǎo)率(Cond)與水中含有導(dǎo)電物質(zhì)的數(shù)量和濃度有關(guān),水體中的導(dǎo)電物質(zhì)主要是一些電解質(zhì)解離出的帶電離子,還有沉積物向水體中遷移的物質(zhì)等[38]。與pH類(lèi)似,電導(dǎo)率在一定程度上反映了水體的被污染程度,沉水植物的腐解過(guò)程會(huì)釋放大量有機(jī)酸和營(yíng)養(yǎng)鹽,導(dǎo)致水體電導(dǎo)率升高,且電導(dǎo)率隨污染物濃度的升高而加大。本研究中,所有實(shí)驗(yàn)組的電導(dǎo)率變化較為一致,均先在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后第5天上升至最高點(diǎn)(A組:396 μS/cm,B組:388 μS/cm,C組:384 μS/cm),隨后保持在較高水平波動(dòng)。Atkinson等[39]研究表明,水柱在缺氧還原環(huán)境下,上覆水Fe、Mn濃度增多并且釋放速度較快,含硫有機(jī)物的分解和硫酸鹽的還原產(chǎn)生大量S2-。直至第25天后急劇下降至最低點(diǎn)(A組:330 μS/cm,B組:327 μS/cm,C組:326 μS/cm),總體呈現(xiàn)一個(gè)倒U型曲線。這種波動(dòng)說(shuō)明,腐解在25～30天時(shí)已基本完成。

濁度(Turb)和總懸浮物(TSS)的變化規(guī)律類(lèi)似,僅在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)有顯著的組間差異,均是從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的前5天就降低至較低水平,隨后一直維持在較低的水平,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束(圖1)。Turb和TSS均在第5天出現(xiàn)較低值(0.5 NTU、9 mg/L)。其主要原因是模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的水柱較穩(wěn)定,有利于懸浮物的沉降。TSS和Turb對(duì)水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生顯著影響,較高的TSS與Turb會(huì)顯著抑制變形菌門(mén)與擬桿菌門(mén)的部分菌屬[40-41],但也可有利于反硝化細(xì)菌的附著生存[42]。在湖泊中,沉水植物處于生長(zhǎng)成熟期時(shí)的水環(huán)境Turb和TSS等都較低。當(dāng)沉水植物腐解或被收割后,由于殘?bào)w組織的初步分解,且缺少對(duì)水流的緩沖作用,水柱底部的沉積物會(huì)更多地卷入上覆水中,而沉積物和土壤中的微生物也會(huì)裹挾其中,進(jìn)而對(duì)上覆水的浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)。

蘇秋琴說(shuō)：“我總算看明白了，與其在家守活寡，倒不如去城里掙錢(qián)呢。你看這些臭男人到了城里，有幾個(gè)管得住自己的。而你沒(méi)有看到那些女人，在城里有多開(kāi)心呢。”

2.2 腐解過(guò)程上覆水氮素變化

圖2 菹草腐解過(guò)程氮素變化Fig.2 Nitrogen change during decomposition of Potamogeton crispus

圖3 菹草腐解過(guò)程上覆水細(xì)菌OTUs數(shù)量Fig.3 OTUs for the overlying water bacteria during decomposition of Potamogeton crispus

圖4 菹草腐解過(guò)程中不同處理組細(xì)菌門(mén)水平的相對(duì)豐度(A組:未稀釋組;B組:稀釋2倍組;C組:稀釋4倍組)Fig.4 Percent of community abundance on Phylum level during decomposition of Potamogeton crispus

在富營(yíng)養(yǎng)湖泊修復(fù)中,沉水植物季相交替期發(fā)生的腐解是水質(zhì)波動(dòng)的因素之一,已有研究證明,植物殘?bào)w的分解會(huì)對(duì)水質(zhì)造成負(fù)面影響[43-44]。植物殘?bào)w分解所釋放的氮素會(huì)對(duì)水體造成較大的瞬時(shí)沖擊(圖2),進(jìn)而對(duì)氮循環(huán)進(jìn)程造成擾動(dòng)[45]。本研究中,菹草腐解后產(chǎn)生的高濃度氨氮,不僅會(huì)對(duì)部分水生動(dòng)物產(chǎn)生毒害作用[46-47],而且會(huì)促進(jìn)藍(lán)藻的繁殖。根據(jù)植物的發(fā)育特征,菹草可歸類(lèi)為冷季型沉水植物,初夏逐漸衰亡腐解。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,隨著湖泊水質(zhì)逐步改善,今后在季相交替期間,更有針對(duì)性地及時(shí)對(duì)以菹草為代表的沉水植物進(jìn)行收割管理,可以有效預(yù)防植物分解對(duì)上覆水水質(zhì)的負(fù)面影響。

2.3 腐解過(guò)程中不同處理組上覆水細(xì)菌OTUs和群落結(jié)構(gòu)變化分析

OTU是系統(tǒng)發(fā)生學(xué)或群體遺傳學(xué)研究中的分類(lèi)方法,人為地將某一分類(lèi)單元(品系、種、屬、分組等)歸為同一類(lèi)。在微生物多樣性分析中,根據(jù)相似度水平對(duì)所有序列進(jìn)行OTU劃分。通常將相似度高于97%(種水平)定義為一個(gè)OTU,即代表一個(gè)物種。

利用Venn圖分析發(fā)現(xiàn)(圖3),腐解過(guò)程中上覆水的OTU數(shù)量出現(xiàn)變化。第1天的OTU總數(shù)為4923個(gè),3個(gè)組的OTUs數(shù)分別為1384、1728和1811,其中共有OTUs數(shù)為931(占比38.02%);第30天的OTU總數(shù)為3149個(gè),3個(gè)組的OTUs數(shù)分別為1250、1088和811,其中共有OTUs數(shù)為494(占比29.20%)。腐解前后3個(gè)組的細(xì)菌OTUs總數(shù)分別下降10%、37%和55%。第1天時(shí),3組的共有浮游細(xì)菌OTUs數(shù)量最多(931個(gè)),分別占A、B、C 3組細(xì)菌OTUs總數(shù)的67.27%、53.88%和51.41%(圖3a);第30天時(shí),共有的細(xì)菌OTUs數(shù)量減少至494個(gè),分別占3組細(xì)菌OTUs總數(shù)的39.52%、45.40%和60.91%(圖3b),第1天的共有OTUs數(shù)量占比的排序與第30天的相反(第1天:A>B>C;第30天:C>B>A)。隨著腐解的進(jìn)行,A組獨(dú)有的OTUs占比增加,在第1天占細(xì)菌OTUs總量的7.80%,第30天時(shí)占比提升至23.88%,而B(niǎo)、C組在第30天的獨(dú)有OTUs占比的略有下降。第1天的浮游細(xì)菌OTUs的組間差異與腐解對(duì)不同水質(zhì)的影響有關(guān),水質(zhì)越好,殘?bào)w腐解產(chǎn)生的氮素沖擊越大(圖2),越有利于浮游細(xì)菌的繁殖。第30天的菌群OTUs降低說(shuō)明菹草殘?bào)w腐解過(guò)程中,浮游細(xì)菌群落的物種數(shù)量會(huì)發(fā)生減少。根據(jù)第1天和第30天的結(jié)果對(duì)比可知,腐解期間上覆水共有細(xì)菌OTUs在組內(nèi)的占比隨水質(zhì)的改善而提高;水質(zhì)越好腐解時(shí)釋放的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)上覆水中的微生物群落沖擊程度越大,而水質(zhì)變好有利于共類(lèi)細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖,此類(lèi)細(xì)菌以變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)為主[48-49]。

不同處理組上覆水細(xì)菌門(mén)水平的相對(duì)豐度分布特征見(jiàn)圖4(保留前10種)。結(jié)果表明,主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)(>80%)的種類(lèi)基本不隨營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和腐解進(jìn)程而變化。不同水質(zhì)不同時(shí)間的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)前6類(lèi)種類(lèi)相同,分別為變形桿菌門(mén)(Proteobacteria)、放線桿菌門(mén)(Actinobacteriota)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、藍(lán)藻菌門(mén)(Cyanobacteria)、類(lèi)桿菌門(mén)(Bacteroidota)和疣微菌門(mén)(Verrucomicrobiota)。變形菌門(mén)相對(duì)豐度在3組中最大,該門(mén)內(nèi)的很多微生物不僅可以通過(guò)異養(yǎng)獲能,其很多細(xì)菌屬可以從太陽(yáng)光中獲得能量進(jìn)行代謝[50],多樣化的能量途徑有利于變形菌門(mén)在自然界中廣泛存在。放線菌、類(lèi)桿菌門(mén)、藍(lán)藻菌門(mén)和疣微菌門(mén)是湖泊水體浮游細(xì)菌群落中的常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群[51-52]。

優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)的排序隨水質(zhì)差異發(fā)生變化,主要通過(guò)影響厚壁菌門(mén)、疣微菌門(mén)、放線桿菌門(mén)和藍(lán)藻菌門(mén)的相對(duì)豐度大小進(jìn)而影響優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的排序差異(圖4)。水質(zhì)條件不同導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度差異會(huì)對(duì)浮游細(xì)菌群落組成有較大影響。在較好水環(huán)境中,植物分解導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)元素升高對(duì)部分細(xì)菌分解者的數(shù)量與活性有更強(qiáng)的促進(jìn)作用[53],但在富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中,細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)需求被基本滿足,因此營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的提升對(duì)其數(shù)量與活性的影響并不顯著[54]。在本研究中,氮素沖擊程度隨水質(zhì)改善而加強(qiáng),厚壁菌門(mén)是參與氮循環(huán)的重要細(xì)菌[55],因此該菌門(mén)在稀釋組中的相對(duì)豐度更大,相對(duì)秩次提前。然而,營(yíng)養(yǎng)鹽濃度升高也會(huì)對(duì)部分細(xì)菌產(chǎn)生抑制效應(yīng)。放線桿菌門(mén)的相對(duì)豐度與無(wú)機(jī)氮有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[56],環(huán)境中無(wú)機(jī)氮含量過(guò)高會(huì)抑制該菌門(mén)的相對(duì)豐度。N、P濃度與藍(lán)藻菌門(mén)具有耦合關(guān)系[57],氮負(fù)荷對(duì)藍(lán)藻菌可產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)限制[58]。這表明,氮素變化特征會(huì)影響部分優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)的相對(duì)豐度大小;水質(zhì)改善后,當(dāng)發(fā)生植物腐解引發(fā)的氮素沖擊時(shí),浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)會(huì)朝著有利于厚壁菌門(mén)占據(jù)更大相對(duì)豐度的方向變化。

在天然水體中,水生植物腐解的前期階段包括:快速溶淋與微生物定殖。0～3天內(nèi)氮素會(huì)出現(xiàn)短時(shí)沖擊,3天后逐漸降低(圖2)。腐解開(kāi)始時(shí),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)浸出、自溶等方式進(jìn)入水體中[59-60]。與原始上覆水中的浮游細(xì)菌相比,這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能促進(jìn)菌群的快速生長(zhǎng),菌群逐漸消化一部分淋溶物質(zhì)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,促進(jìn)過(guò)程具有針對(duì)性,且受原始水質(zhì)影響,原始水質(zhì)越好,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)厚壁菌門(mén)的促進(jìn)效果越明顯,同時(shí)該菌門(mén)細(xì)菌可促進(jìn)脫氮作用,實(shí)現(xiàn)正反饋效果,有利于上覆水水環(huán)境的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)。此外,上覆水中氮素的急劇變化會(huì)對(duì)浮游細(xì)菌結(jié)構(gòu)造成極大影響。然而,不同原始水質(zhì)下植物的腐解對(duì)浮游細(xì)菌結(jié)構(gòu)的影響鮮有報(bào)道。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,菹草殘?bào)w腐解的氮沖擊隨水質(zhì)差異而變化,短期氮素釋放越多,浮游細(xì)菌相對(duì)豐度遭受氮沖擊后的變化越劇烈。

2.4 環(huán)境因子與浮游細(xì)菌群落的關(guān)聯(lián)分析

圖5 菹草腐解過(guò)程中浮游菌群和環(huán)境因子的典范對(duì)應(yīng)分析(OTU水平,數(shù)據(jù)點(diǎn)為樣品點(diǎn)。點(diǎn)標(biāo)簽表示組別號(hào)、平行樣號(hào)和腐解時(shí)間,例如:A2-20為A組2號(hào)樣品的第20天腐解。不顯著的環(huán)境變量用虛線空心箭頭表示,P>0.05)Fig.5 Canonical correspondence analysis on bacterioplankton community and environmental factors during decomposition of Potamogeton crispus (OTU levels, points are sample points. Point labels indicate the group, parallel sample number and decomposed time, e.g.: A2-20 is the 20th day of decomposition for sample number 2 of group A. The dotted hollow arrow indicates that this environment variable is not significant, P>0.05)

圖6 菹草腐解過(guò)程中細(xì)菌屬水平和環(huán)境因子的網(wǎng)絡(luò)分析(星號(hào)表示環(huán)境因子,圓點(diǎn)表示細(xì)菌屬,紅線代表正相關(guān),綠色代表負(fù)相關(guān),線寬數(shù)值為|rs|,P<0.01, |rs|>0.5)Fig.6 Network analysison bacteria genus levels and environmental factors in the decay of Potamogeton crispus (Stars represent environmental factors, dots represent bacterial genera, red lines indicate positive correlation, green lines represent negative correlation, and the thickness of the line represents the absolute value of |rs|, P<0.01, |rs|>0.5)

湖泊的水體生態(tài)修復(fù)工程中,雖然人工修復(fù)群落已發(fā)展到多種植物搭配[69-70],但菹草仍是常用的冷季型植物,并且生長(zhǎng)具有暴發(fā)性,易在富營(yíng)養(yǎng)化水體中過(guò)量生長(zhǎng)[71]。在春夏交替期時(shí)依舊面臨腐解導(dǎo)致的水質(zhì)波動(dòng)問(wèn)題,雖然持續(xù)時(shí)間較短,但本研究表明這種波動(dòng)是值得關(guān)注的。波動(dòng)程度會(huì)隨水質(zhì)的提升而逐漸劇烈,并對(duì)上覆水中的氮素循環(huán)及其相關(guān)浮游菌群產(chǎn)生影響。本研究表明,腐解引起的上覆水理化性質(zhì)與氮素營(yíng)養(yǎng)鹽波動(dòng),在影響浮游菌群方面可能需要同等重視。為了降低腐解引發(fā)的負(fù)面影響,沉水植物大面積衰亡后的1～3天進(jìn)行殘?bào)w打撈收割是較為適宜的。在對(duì)沉水植物進(jìn)行收割管理的同時(shí),研究人員也應(yīng)考慮到收割的程度與收割后環(huán)境因子的變化,以平衡植物殘?bào)w可能造成的淤積問(wèn)題[72]和收割后水質(zhì)波動(dòng)對(duì)浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響。這對(duì)水生態(tài)修復(fù)工程中后期的科學(xué)管理提出了挑戰(zhàn)。

3 結(jié)論

1)上覆水水質(zhì)好壞與菹草分解的短期氮沖擊呈現(xiàn)明顯關(guān)聯(lián),原始水質(zhì)越好,短期氮沖擊越強(qiáng)。

2)菹草腐解與浮游細(xì)菌群落變化之間存在關(guān)聯(lián),菹草分解的營(yíng)養(yǎng)鹽影響了浮游細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)。不同原始水質(zhì)的浮游菌群對(duì)短期氮沖擊響應(yīng)程度有明顯差異。

3)變形桿菌門(mén)是整個(gè)腐解過(guò)程中的第一大優(yōu)勢(shì)菌群,主導(dǎo)腐解全過(guò)程,水質(zhì)改善有利于厚壁菌門(mén)生長(zhǎng)和繁殖,兩菌門(mén)的相對(duì)豐度增加。

4)環(huán)境因子中TSS、ORP、Turb和TN是水體浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)因子,TSS、ORP、Turb等理化指標(biāo)對(duì)水體浮游菌群的影響值得關(guān)注,環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響會(huì)隨腐解進(jìn)程而明顯變化,但其隨水質(zhì)改善的變化不明顯。