龍景湖沉積物的細(xì)菌群落垂向分布特征

牛鳳霞,吉芳英,趙 艮,張 倩,沈秋實(shí),何 強(qiáng),顏海波 (重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心,重慶 400045)

龍景湖沉積物的細(xì)菌群落垂向分布特征

牛鳳霞,吉芳英*,趙 艮,張 倩,沈秋實(shí),何 強(qiáng),顏海波 (重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心,重慶 400045)

為探索不同沉積時(shí)間條件下沉積物細(xì)菌群落的垂向變化及其在湖泊生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中所發(fā)揮作用,對(duì)重慶市園博園龍景湖的原有河道(OR)和新形成庫(kù)灣(NB)沉積物進(jìn)行了分層采樣,利用變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術(shù)并結(jié)合環(huán)境參數(shù)進(jìn)行冗余分析(RDA).結(jié)果表明,OR沉積物的細(xì)菌多樣性指數(shù)(H)和豐度(S)高于NB,垂向上H、S和均勻度(E)都由表層至深層先減小后增大.系統(tǒng)發(fā)育分析顯示,龍景湖沉積物主要包含了7個(gè)門類的細(xì)菌,OR表層沉積物以δ-變形菌(Deltaproteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)和綠彎菌(Chloroflexi)為主,中層以綠彎菌為主,深層以δ-變形菌和綠彎菌為主;而NB表層和中層的主要菌種與OR深層一致,其他菌種還有Ignavibacteriae、放線菌(Actinobacteria)、厚壁菌 (Firmicutes)和綠菌門(Chlorobi).RDA表明,沉積物中總氮(TN)、總硫(TS)、孔隙水的總有機(jī)碳(TOC)濃度以及平均粒徑是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和分布的主要因子.通過(guò)DGGE技術(shù)所獲得的細(xì)菌多與有機(jī)質(zhì)的降解有關(guān).OR的TOC、TN含量高于NB,相應(yīng)的沉積物中δ-變形菌、擬桿菌、Ignavibacteriae等與有機(jī)質(zhì)降解相關(guān)的細(xì)菌種類和數(shù)量較多.

細(xì)菌群落；垂向分布；變性梯度凝膠電泳(DGGE)；冗余分析(RDA)

沉積物中蘊(yùn)含著豐富的微生物[1-2],它們?cè)谏锘瘜W(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,包括有機(jī)質(zhì)(OM)的礦化和污染物的降解[4].對(duì)微生物至關(guān)重要的底物和電子受體,根據(jù)能量代謝的效率,沿沉積物垂向逐漸被消耗.這些與深度相關(guān)的生物地球化學(xué)性質(zhì)梯度能夠?yàn)椴煌奈⑸锎x活動(dòng)提供生態(tài)位[5].研究表明,細(xì)菌群落沿水平和垂向有明顯的空間分異[3-16],研究不同區(qū)域沉積物中細(xì)菌群落的組成和代謝功能是了解沉積物生物圈演變和發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵[17].由于沉積物中僅有 0.25%的微生物能夠進(jìn)行獨(dú)立培養(yǎng),基于 16S rRNA的變性梯度凝膠電泳(DGGE)被廣泛應(yīng)用于沉積物細(xì)菌生態(tài)學(xué)研究[16,18-19].Koizumi等[5]研究 Biwa湖細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn),沉積物中Nitrospira-like非常豐富,其相對(duì)豐度隨深度遞增;Shao等[18]研究了太湖2個(gè)富營(yíng)養(yǎng)化湖區(qū)的細(xì)菌群落組成,結(jié)果表明變形菌是沉積物中的主要細(xì)菌門,但不同區(qū)域沉積物中的優(yōu)勢(shì)菌群并不相同;史春瀟等[15]分析了甲烷礁鄰區(qū)沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的垂向特征,結(jié)果顯示細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)隨深度變化明顯,表層以 δ-變形菌為主,中層以 α-變形菌和δ-變形菌為主,深層以α-變形菌及未培養(yǎng)微生物為主.目前關(guān)于沉積物中細(xì)菌群落沿深度變化的研究多集中在海洋[4,7,9]、土壤[20]、濕地[12]和淺水湖泊[18],較少關(guān)注深水湖泊沉積物的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異及其與生物地球化學(xué)性質(zhì)垂向梯度的相關(guān)性[5].深水湖泊通常具有儲(chǔ)水量大、水力停留時(shí)間長(zhǎng)、水溫分層等特殊性[21].許多環(huán)境變量,如溶解氧(DO)[22]、pH值[23-24]、無(wú)機(jī)物含量[25]等,都與垂向水溫梯度密切相關(guān)[25].水溫分層使得混合較好的表水層與下層水交換不暢,下水層溶解氧較低甚至出現(xiàn)厭氧狀態(tài)[21].Kristen等[20]的模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),厭氧條件會(huì)顯著改變土壤微生物的群落組成.

重慶市園博園龍景湖是典型的新建河道型深水水庫(kù),2012年由原龍景湖水庫(kù)大壩加高蓄水而成[26].龍景湖的水面總面積約 0.67km2,水文水質(zhì)特征表現(xiàn)為水位較深(平均水深11～22m)[27],水流滯緩,水溫分層顯著,底層水體溶解氧含量低等[28].水庫(kù)建成初期,龍景湖水質(zhì)總體呈中富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[29].由于龍景湖閘壩攔截蓄水前未進(jìn)行河道清淤處理和建設(shè)初期施工攔截蓄水形成的新淹沒(méi)底部區(qū)域的清庫(kù)工作,龍景湖底部的沉積物類型存在差異.整個(gè)湖區(qū)沉積物大致可分為 2類：園博園建設(shè)前已存在的水體區(qū)域(原有湖區(qū))和園區(qū)建成后新增加的區(qū)域(新增淹沒(méi)區(qū))[29].本研究利用DGGE技術(shù),以龍景湖不同區(qū)域沉積物為研究對(duì)象,分析細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的垂向分布特征及其與環(huán)境因子的相關(guān)性,以期為湖泊沉積物細(xì)菌多樣性及其生態(tài)功能的研究提供基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)布設(shè)及預(yù)處理

在龍景湖的原有湖區(qū)的河道和新增淹沒(méi)區(qū)的庫(kù)灣選取代表性樣點(diǎn),于2015年10月26日用無(wú)擾動(dòng)柱狀采樣器(Corer 60,Uwitec,Austria)采集沉積物樣品,分別標(biāo)記為 OR(原有河道, 29°41′00″N,106°33′00″E)和 NB(新淹沒(méi)庫(kù)灣, 29°40′53″N,106°32′55″E),每個(gè)樣點(diǎn)采集3根平行柱樣,樣點(diǎn)位置如圖1所示.現(xiàn)場(chǎng)將沉積物以1cm間隔分割,并測(cè)定每層沉積物的氧化還原電位(Eh).測(cè)定完成后迅速將泥樣放入滅菌的聚乙烯離心管,用便攜式冰箱低溫運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.OR共分割10個(gè)梯度,NB共分割6個(gè)梯度.

每個(gè)樣品分為2份,分別于4℃(理化性質(zhì)測(cè)定)和?80℃(DNA提取)保存.采集3根平行柱樣的樣品分別測(cè)定理化指標(biāo),各項(xiàng)指標(biāo)取平均值.有機(jī)質(zhì)(OM)的測(cè)定選取新鮮泥樣,用燒失量(LossOn Ignition, LOI)表示.CT15RT型高速冷凍離心機(jī)離心(8000r/min,10min)后獲取的上清液為孔隙水,用于測(cè)定 TOC濃度.離心后的泥樣經(jīng)冷凍干燥、研磨過(guò)100目篩后用元素分析儀測(cè)定沉積物的總硫(TS)和總氮(TN).分別從 3個(gè)平均柱樣中提取每層沉積物的細(xì)菌 DNA 進(jìn)行混勻[11,30],用于PCR擴(kuò)增等后續(xù)步驟.

1.2 DGGE提取和分析方法

1.2.1 DNA提取 總 DNA提取采用 Fast DNATMSPIN Kit For Soil試劑盒,步驟依照廠家手冊(cè).以樣品基因組 DNA為模板,采用細(xì)菌通用引物341F,926R擴(kuò)增樣品16S rDNA高變區(qū)序列,引物信息見(jiàn)表1.PCR擴(kuò)增體系(50μL)為：10×PCR buffer 5μL;dNTP (2.5mmol/L)3.2μL;rTaq(5U/μL) 0.4μL;GC-341F(20μmol/L)1μL;926R(20μmol/L) 1μL;模板DNA 50ng;補(bǔ)雙蒸水至50μL.PCR擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性5min;94℃變性40s,55℃復(fù)性40s,72℃延伸 1min,30個(gè)循環(huán);最終 72℃延伸10min.PCR產(chǎn)物采用 OMEGA公司 DNA Gel Extraction Kit純化回收.

表1 PCR引物序列Table 1 Primers of Polymerase Chain Reaction (PCR)

1.2.2 變性梯度凝膠電泳(DGGE) 取 10 μL PCR的產(chǎn)物進(jìn)行變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析.采用變性梯度為35%～55%、濃度為8%的聚丙烯酰胺凝膠在 1×TAE緩沖液中 80V 60℃下電泳16h.變性梯度凝膠電泳(DGGE)完畢后,采用銀染法染色、步驟包括：固定液固定、Milli-Q純水清洗、銀染液染色、顯色液顯色、終止液終止反應(yīng).

1.2.3 DGGE圖譜中優(yōu)勢(shì)條帶的回收與測(cè)序在紫外光照射下,用滅菌的手術(shù)刀切下OR和NB均出現(xiàn)的條帶和部分特征條帶(本研究選取 16條具有代表性的條帶,編號(hào)分別為1、5、6、7、8、9、12、13、14、15、17、19、21、22、23、24),并采用 OMEGA 公司的 Poly-Gel DNA Extraction Kit回收目的條帶.以2μL回收產(chǎn)物為模板,341F/926R為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增(體系和引物不變).將重新擴(kuò)增的DNA片段切膠回收、純化后,連接到Pmd18-T載體上,并轉(zhuǎn)化至DH5α感受態(tài)細(xì)胞中,篩選陽(yáng)性克隆,進(jìn)行序列測(cè)定.

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 采用 Quantity one 4軟件對(duì)DGGE電泳圖譜中每個(gè)樣品的條帶數(shù)目、條帶密度進(jìn)行數(shù)字化分析,用戴斯系數(shù)表征DGGE圖譜中沉積物不同層的相似程度,一般戴維系數(shù)越大,相似性越高.Shannon多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(E)和Patrick豐度指數(shù)(S)的計(jì)算公式如下所示：

式中：pi為樣品中單一條帶的強(qiáng)度在該樣品所有條帶總強(qiáng)度中所占的比率;N為DGGE圖譜單一泳道上所有條帶的豐度;Ni為第 i條帶的豐度;S是某樣品中所有條帶數(shù)目總和.

將基因測(cè)序結(jié)果與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),匹配同源性最高的序列.所獲得序列與其他序列的相似度≥97%時(shí),被認(rèn)為隸屬于同一種系.采用DNAstar和Cluster軟件對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行分析,下載最相似的菌株序列作為系統(tǒng)發(fā)育樹的參考序列.然后采用MEGA軟件,Neighbor-joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹,自展數(shù)(bootstrap)為 1000.使用軟件CANOCO 5.0對(duì)沉積物樣品的基本理化指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA).

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境參數(shù)和沉積物理化性質(zhì)

龍景湖原有河道(OR)和新形成庫(kù)灣(NB)沉積物-水界面上覆水的性質(zhì)見(jiàn)表 2.OR的水深較深,達(dá) 16.1m,上覆水溶解氧(DO)濃度較低(1.14mg/L).OR沉積物上覆水的pH值呈弱堿性(7.15),而 NB呈弱酸性(6.60).細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異與沉積物、土壤中氧化還原電位(Eh)的急劇變化有關(guān)[4,7,31].依據(jù)沉積物中 Eh的垂向變化趨勢(shì),本研究將龍景湖沉積物樣品分為：表層(0～3cm),中層(3～7cm),深層(7～10cm),不同層的理化指標(biāo)見(jiàn)表3.水平方向上,原有河道(OR)

表2 龍景湖各采樣點(diǎn)基本水質(zhì)參數(shù)Table 2 Parameters of water quality at each sample site in Longjing Lake

沉積物的OM含量和孔隙水的TOC濃度均高于新形成庫(kù)灣(NB).垂向上,OR沉積物表層至深層的Eh整體呈遞增趨勢(shì),而TN、TS、OM、平均粒徑及孔隙水TOC濃度均逐漸降低;而NB表層沉積物的TN含量略低于中層.NB表層沉積物(0～3cm)的平均粒徑和 TS含量明顯高于 OR,而中層相反,這也說(shuō)明了近年來(lái)兩個(gè)區(qū)域的沉積環(huán)境存在較大差異.

表3 龍景湖沉積物理化性質(zhì)Table 3 Physical and chemical characteristics of the sediments in Longjing Lake

2.2 不同深度DGGE圖譜分析

圖2 PCR-DGGE技術(shù)分析原有河道和新形成庫(kù)灣沉積物細(xì)菌群落垂向分布的指紋圖譜Fig.2 PCR-DGGE profiles of bacterial communities in the sediments of OR and NB Bay

龍景湖沉積物中不同深度樣品中分離到 10到25條不同的條帶,細(xì)菌的DGGE電泳圖譜如圖2所示.原有河道(OR)沉積物較新形成庫(kù)灣(NB)具有更高的細(xì)菌多樣性,其中條帶數(shù)目最多的層位是OR的表層0～1cm,最少的為NB的中層4～5cm.不同層細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異較大,而同一層內(nèi)不同深度相似性較高[32].

圖3 龍景湖沉積物細(xì)菌多樣性、均勻度和豐度指數(shù)的垂向分布Fig.3 Indexes of H, E and S in the sediments of Longjing Lake along depth

根據(jù)不同深度沉積物中細(xì)菌的豐度(S)、香農(nóng)指數(shù)(H)和均勻度(E)可知(圖 3),OR表層0～1cm的香農(nóng)指數(shù)最高(2.89).OR和NB的香農(nóng)指數(shù)自表層向下均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì). OR中下層(4～8cm)和NB中層(4～5cm)沉積物的均勻度指數(shù)相對(duì)較低,反映了中層沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.

2.3 細(xì)菌群落組成

本研究所選取的16個(gè)條帶大部分與數(shù)據(jù)庫(kù)中已鑒定或未培養(yǎng)的細(xì)菌序列具有很高的同源性,根據(jù)比對(duì)結(jié)果構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹見(jiàn)圖 4.龍景湖沉積物主要涵蓋了 7個(gè)類群的細(xì)菌,包括變形菌(Proteobacteria,條帶1、12、15、17、22、24)、擬桿菌門(Bacteroidetes,條帶 8、13、19)、綠彎菌門(Chloroflexi,條帶 5、6)、Ignavibacteriae(條帶9、21)、放線菌(Actinobacteria,條帶7)、厚壁菌門(Firmicutes,條帶14)和綠菌門(Chlorobi,條帶23).其中,變形菌主要包含了 β-變形菌(Betaproteobacteria,條 帶 1)和 δ-變 形 菌(Deltaproteobacteria,條帶12、15、17、22、24)2個(gè)亞類.

圖4 龍景湖沉積物中細(xì)菌16S rRNA序列系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 Phylogenetic tree of bacteria 16S rRNA sequence in sediments of Longjing Lake

龍景湖沉積物中以δ-變形菌和綠彎菌的為主,不同樣點(diǎn)和層位的細(xì)菌群落組成差異較大.OR表層沉積物以δ-變形菌、擬桿菌和綠彎菌為主,中層以綠彎菌為主,深層以 δ-變形菌和綠彎菌為主;而NB的表層和中層均以δ-變形菌和綠彎菌為主.擬桿菌門和 Ignavibacteriae門主要出現(xiàn)在OR,但在沉積物中的富集區(qū)域不同.擬桿菌門的條帶8和13主要集中在表層、中層,而條帶19則出現(xiàn)在深層.Ignavibacteriae門的條帶9和21分別集中在沉積物的中層和深層.綠菌門、放線菌、厚壁菌在OR和NB沉積物中都有富集,其中綠菌門(條帶23)富集在OR的表層和 NB的中層,放線菌門(條帶 7)廣泛存在于OR的深層和NB的表層.僅在OR表層0～1cm出現(xiàn)的厚壁菌門(條帶14),在NB沉積物中普遍存在.

3 討論

3.1 不同深度細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析

采用DGGE技術(shù)分析龍景湖原有河道(OR)和新形成庫(kù)灣(NB)沉積物的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)可知,OR和 NB的主要類群為變形菌,δ-變形菌為主要亞群.太湖[18]、洱海[33]、德國(guó)Saidenbach飲用水水庫(kù)[1]、南海北部九龍甲烷礁鄰區(qū)[15]沉積物中的主要細(xì)菌門也為變形菌,但不同區(qū)域的優(yōu)勢(shì)亞群不同.Saidenbach水庫(kù)、太湖沉積物的優(yōu)勢(shì)亞群分別為β-和δ-變形菌、β-變形菌.洱海表層沉積物以β-變形菌為主,而深層主要為δ-變形菌;甲烷礁鄰區(qū)表層沉積物以δ-變形菌為主,中層以α-、δ-變形菌為主,深層以α-變形菌及未培養(yǎng)微生物為主.δ-變形菌綱是變形菌中唯一主要由厭氧菌組成的分類[34],龍景湖沉積物中的條帶 17和 24分別與 δ-變形菌綱的 Syntrophorhabdus aromaticivorans和Smithella propionica親緣關(guān)系密切(相似性 97%),均為專性厭氧菌.上述兩種菌的代謝類型和在沉積物中的分布不同, Syntrophorhabdus aromaticivorans能夠與產(chǎn)甲烷菌耦合,將苯酚降解為醋酸[35],主要分布在OR的深層,而Smithella propionica是一種互養(yǎng)的、丙酸鹽氧化菌,除了降解丙酸鹽也能夠利用甲酯或丁酸鹽緩慢生長(zhǎng)[36],在OR的表層和深層以及NB的中層富集.

擬桿菌門在高分子有機(jī)物的降解過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[6],DGGE中的條帶8和13分別與擬桿菌門的 Candidatus Aquirestis calciphila和Parasegetibacter luojiensis遺傳距離緊密(相似性＞97%).條帶8在OR和NB的表層沉積物中均有出現(xiàn),主要集中在 OR的表層(0～1cm),這是由于Candidatus A. calciphila是淡水浮游生物的重要組成部分,主要出現(xiàn)在靜止內(nèi)陸水體的浮游帶,種群豐度的季節(jié)性變化明顯,在春季出現(xiàn)的大幅度增值[37]可能導(dǎo)致一些浮游生物沉降到了沉積物表層.條帶13主要在沉積物的表層以及OR的中層(5～6cm)富集,這與 Parasegetibacter luojiensis的生理學(xué)特征有關(guān).Parasegetibacter luojiensis最早從中國(guó)新疆胡楊樹林的土壤中分離出來(lái),為異養(yǎng)型、嚴(yán)格好氧菌,擁有完整的滑行-運(yùn)動(dòng)蛋白[38],該菌株可能通過(guò)滑行遷移[39]到 OR沉積物的中層.條帶 19也屬于擬桿菌門,但與 Prolixibacter bellariivorans的同源性較低(90%),主要存在于OR的深層沉積物中.

根據(jù)細(xì)菌的遺傳學(xué)特性,Podosokorskaya等[40]認(rèn)為,綠菌門和 Ignavibacteriae都起源于擬桿菌門.綠菌門與 Ignavibacteriae的分歧始于綠菌門能夠利用太陽(yáng)能,代謝類型由異養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng),而 Ignavibacteriae依然為化能有機(jī)異養(yǎng)細(xì)菌,并且演變?yōu)榭衫酶喾N類的含碳底物作為電子受體.龍景湖沉積物所提取的條帶23與綠菌門的Chlorobaculum limnaeum相似性高達(dá)99%,普遍分布在 OR的表層沉積物中.Chlorobaculum limnaeum是一種綠硫菌,適宜生活在湖泊,需要利用硫化物和硫或 H2作為光合作用的電子供體[41],最終氧化為硫酸鹽.田濤等[27]在研究龍景湖原水庫(kù)沉積物-水界面硫酸鹽的分布時(shí)發(fā)現(xiàn),原水庫(kù)沉積物中硫酸鹽的濃度隨深度遞增,而表層沉積物中硫酸鹽的濃度較低,這表明 OR表層沉積物中除了含有綠硫菌,可能同時(shí)還存在著硫酸鹽還原菌.Sinkko等[6]的研究表明硫酸鹽還原菌(δ-變形菌)在海岸和海洋沉積物(尤其是表層)中很豐富.

Ignavibacteriae是一個(gè)新確立的門[40],與綠菌門的主要差異在于其兼性厭氧、專性有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型、無(wú)綠色體、不能進(jìn)行光合作用[42].分別與條帶 9和 21具有較高同源性(相似性＜90%)的是Melioribacter roseus和Ignavibacterium album.M. roseus可利用單糖、二糖或多糖進(jìn)行好氧呼吸、發(fā)酵或還原多種電子供體(如亞硝酸鹽、Fe(III)、As(V)).該菌種的高水解性使其成為富含 OM沉積物中的重要分解者[40],主要分布在龍景湖 OR和NB的中層.而Ignavibacterium album有多種代謝機(jī)制,可編碼氧化酶和還原酶,在好氧和缺氧環(huán)境都能進(jìn)行有機(jī)異養(yǎng)代謝[42],可同時(shí)分布在龍景湖OR的表層和深層.

綠彎菌是水合物較少而 OM豐富沉積物的主要類群[43],與條帶 5、6同源性較高的分別為Dehalogenimonas alkenigignens(相似性 88%)和Dehalogenimonas lykanthroporepellens(相似性90%),都屬于 organohalide respiring bacteria (OHRB)[44].OHRB的共性特征為能在厭氧條件下發(fā)生還原性脫氯反應(yīng),利用鹵代化合物作為呼吸作用的電子受體,氫氣作為電子供體[45].鹵代化合物的存在通常與工業(yè)污染相關(guān)[46],其中 1,2-二氯甲烷(1,2-DCP)已經(jīng)是環(huán)境和飲用水質(zhì)的一個(gè)威脅,尤其是已受污染地區(qū)[44].迄今為止,僅OHRB可以通過(guò)完全脫氯作用將1,2-DCP轉(zhuǎn)化成丙烯或丙烷,減弱污染物的毒性.基于綠彎菌門(條帶5,6)在OR和NB各層沉積物中普遍存在且數(shù)量較多,對(duì)龍景湖沉積物中綠彎菌門還原脫鹵反應(yīng)機(jī)理的理解有利于環(huán)境中有機(jī)污染降解過(guò)程的進(jìn)一步評(píng)估[44].

放線菌門和厚壁菌門等也與 OM降解有密切關(guān)系.放線菌對(duì)環(huán)境中有機(jī)物和異形生物質(zhì)的降解具有重要作用[47],并且是一類在抗生素和酶制劑產(chǎn)業(yè)中具有重要應(yīng)用價(jià)值的微生物[48].條帶7與放線菌門的Nitriliruptor alkaliphilus有一定同源性(83%),Nitriliruptor alkaliphilus能夠分解脂肪腈類[49],在OR和NB沉積物中普遍存在,主要富集在 OR的表層(0～1cm)和深層,張勇等[47]的研究也表明,東太湖表層沉積物中放線菌群落多樣性較深層高.由于大多數(shù)腈類有毒且難降解,關(guān)于龍景湖沉積物中放線菌的研究,對(duì)于綠色化工和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有重要意義.與其他菌種的分布不同,厚壁菌門的條帶14主要富集在NB沉積物中,僅在 OR的表層(0～1cm)出現(xiàn).與條帶 14同 源 性 較 高(相 似 性 96%)的 是Saccharofermentans acetigenes,其生理學(xué)特征為專性厭氧,產(chǎn)芽孢,不運(yùn)動(dòng),能夠通過(guò)葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生醋酸,但不能降解纖維素,在產(chǎn)甲烷環(huán)境的復(fù)雜OM降解中發(fā)揮重要作用[50].

通過(guò)DGGE技術(shù)在龍景湖沉積物所提取的條帶中,大多數(shù)細(xì)菌為嚴(yán)格厭氧或兼性厭氧菌,與OM 的降解相關(guān).影響沉積物中細(xì)菌群落組成和分布的因素有很多,除了細(xì)菌本身的代謝類型,還有水動(dòng)力作用[9]、有機(jī)質(zhì)的來(lái)源[33]及組成[24]、沉積物類型[19,51]、pH值、溶解氧(DO)濃度、氧化還原電位(Eh)[7,20]、鹽度[13,23]、營(yíng)養(yǎng)鹽含量[1,12,23]等.不同沉積環(huán)境下的影響因子及作用程度并不相同.

3.2 細(xì)菌群落與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系

對(duì)龍景湖沉積物的細(xì)菌群落和理化指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析(PCA),得到各菌種與環(huán)境變量的相關(guān)關(guān)系(圖5).環(huán)境變量與菌種的夾角＜90°時(shí)說(shuō)明二者呈正相關(guān),夾角越小關(guān)系越密切.第一主成分分析表明,細(xì)菌群落分布主要與TN相關(guān),其次是Eh.第二方向軸與TS和平均粒徑正相關(guān),而與孔隙水中總TOC濃度負(fù)相關(guān).由于理化指標(biāo)較多,采用預(yù)選方式確定更適合的環(huán)境變量,用來(lái)代表細(xì)菌群落組成變化的驅(qū)動(dòng)因子[52].只有環(huán)境變量顯著地提高模型的解釋能力(P＜0.05)時(shí),才能在預(yù)選中保留下來(lái).預(yù)選過(guò)程中,細(xì)菌群落分布的變化主要受TN (P = 0.008)、TS (P = 0.001)、TOC (P = 0.019)和平均粒徑(P = 0.050)影響,分別解釋了細(xì)菌DGGE垂向分布中19%、20%、10%和8%的變化.結(jié)果表明細(xì)菌群落組成受上述4種環(huán)境因子的影響較大.

龍景湖(OR和 NB)沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量較高,尤其是表層,為好氧、厭氧、兼性厭氧細(xì)菌提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能源[6].本研究中通過(guò)DGGE技術(shù)所獲得的龍景湖沉積物中的細(xì)菌多與有機(jī)質(zhì)的降解有關(guān).Roske等[1]研究Saidenbach飲用水庫(kù)中的細(xì)菌多樣性和分布時(shí)發(fā)現(xiàn),氨濃度、含水率、OM含量是主要的驅(qū)動(dòng)因子.Edlund等[7]的研究也表明,波羅的海沉積物中的細(xì)菌群落主要與有機(jī)碳相關(guān),其次受TN和 Eh的影響. Kristen等[20]的研究則表明,厭氧條件會(huì)顯著改變土壤微生物的群落組成.龍景湖 OR水深較 NB更深,沉積物中的有機(jī)質(zhì)、TN含量更高,δ-變形菌、擬桿菌、Ignavibacteriae等降解有機(jī)物的細(xì)菌種類和數(shù)量更多,通過(guò)有機(jī)質(zhì)的降解或形成的缺氧環(huán)境還會(huì)直接或間接促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放(如正磷酸鹽和銨等)[6].

圖5 細(xì)菌種類分布與沉積物環(huán)境因子的PCA(a)和RDA(b)分析Fig.5 PCA (a) and RDA (b) analyses between bacterial community and environmental factors of sediment

對(duì)沉積物細(xì)菌群落和預(yù)選出的 4種理化指標(biāo)進(jìn)行冗余分析(RDA),由圖4可知,厚壁菌(條帶14)主要受沉積物中平均粒徑的影響.NB沉積物的平均粒徑較大,這可能是厚壁菌門普遍分布在NB沉積物中的原因.Colare s等[19]對(duì)Rhizophora mangle沉積物中細(xì)菌群落組成和環(huán)境變量的RDA分析也表明,沉積物的砂-黏土比例顯著影響沉積物中細(xì)菌和古菌的分布.其他可能影響龍景湖沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和分布的因素為有機(jī)質(zhì)的來(lái)源[33]及組成[24]、沉積物類型[19,51]、pH值[23-24]等,會(huì)在接下來(lái)的研究中進(jìn)一步分析.

4 結(jié)論

4.1 龍景湖原有河道(OR)沉積物的細(xì)菌群落多樣性較新形成庫(kù)灣(NB)的高.OR表層0～1cm沉積物中細(xì)菌多樣性最高,香農(nóng)指數(shù)為2.89.表層至深層香農(nóng)指數(shù)呈先下降后上升的趨勢(shì),與豐度和均勻度變化規(guī)律相同.

4.2 龍景湖沉積物中共發(fā)現(xiàn)7個(gè)門類的細(xì)菌,細(xì)菌群落分布隨深度差異明顯,OR表層沉積物以δ-變形菌、擬桿菌和綠彎菌為主,中層以綠彎菌為主,深層以δ-變形菌和綠彎菌為主;而NB的表層和中層的主要菌種都為δ-變形菌和綠彎菌. 4.3 通過(guò)DGGE技術(shù)所獲得的龍景湖沉積物中的細(xì)菌多與有機(jī)質(zhì)的降解有關(guān).通過(guò) PCA和RDA表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和分布主要受沉積物中TN、TS含量、孔隙水中TOC濃度和平均粒徑的影響.OR沉積物中的有機(jī)質(zhì)、TN含量較NB高,δ-變形菌、擬桿菌、Ignavibacteriae等降解有機(jī)物的細(xì)菌種類和數(shù)量較多.平均粒徑可能是影響厚壁菌門主要分布在NB沉積物中的原因.

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Vertical distribution of bacterial communities in sediments of Longjing Lake

NIU Feng-xia, JI Fang-ying*, ZHAOGen, ZHANG Qian, SHEN Qiu-shi, HE Qiang, YAN Hai-bo (Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2322～2331

This study explored the vertical distribution of bacterial communities in sediments under different deposition time and its role in the migration and transformation of substances in lake ecosystem. Stratified sediment samples were collected respectively from Original River (OR) and New-formed Bay (NB) in Longjing Lake. Redundancy analysis (RDA) were conducted based on Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technology and environmental parameters. Results showed that Shannon-Wiener indexes (H) and Richness indexes (S) in OR were higher than those in NB and vertical change trend of H, S and Evenness (E) indexes decreased first and then increased as depth increased. Phylogenetic analysis revealed that Longjing lake mainly included seven phyla of bacteria. Deltaproteobacteria, Bacteroidetes and Chloroflexi dominated in surface layers whereas Chloroflexi dominated in middle layers of OR sediments. Deltaproteobacteria and Chloroflexi were the main phyla in deep layers of both sites. Other phyla included Ignavibacteriae, Actinobacteria, Firmicutes and Chlorobi. RDA showed that the main factors influencing bacterial community composition and distribution were total nitrogen (TN), total sulphur (TS) and the concentrations of total organic carbon (TOC) in pore water, as well as average particle size in sediments. Otherwise, the obtained bacteria were closely related to the degradation of organic matter (OM). That TOC and TN contents in OR were higher than those in NB caused relatively higher bacteria species and abundance of Deltaproteobacteria, Bacteroidetes, and Ignavibacteriae.

bacterial community；vertical distribution；DGGE；RDA

X171.5

A

1000-6923(2017)06-2322-10

牛鳳霞(1989-),女,河南開封人,重慶大學(xué)博士研究生,主要從事水污染控制研究.發(fā)表論文3篇.

2016-09-23

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07307-001);重慶大學(xué) 2015年研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目基金(CYB15041);中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2015CDJXY)

* 責(zé)任作者, 教授, jfy@cqu.edu.cn