冬季太湖底泥細菌群落結構特征及其與環境因子的相關性

汪貝貝，劉宇軒，陸光華，王永花

(河海大學環境學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

底泥微生物與湖泊生態系統密切相關。一方面，底泥微生物驅動著絕大多數生物活性元素的形態轉換和地球化學循環，調節水體環境質量、實現水質凈化[1－2]；另一方面，底泥微生物群落的分布也受環境因子的影響，如溫度、pH 值、溶解氧、電導率、營養鹽等[1-4]。研究底泥微生物群落的多樣性、分布特征及其環境因子的影響對維護湖泊生態系統的健康、穩定和開展修復具有重要意義。

細菌是湖泊微生物的主要組成部分，是有機化合物的主要分解者。目前，已有不少學者對太湖底泥微生物群落結構進行了研究，發現底泥微生物群落組成因湖區、季節、底泥深度的不同具有一定的差異。HUANG R 等[5]對夏季梅梁灣、胥湖、東太湖沉積物細菌群落組成進行了研究，發現不同湖區的優勢菌門表現不同。CHEN M J 等[4]發現太湖梅梁灣和湖心真核微生物群落組成顯示出明顯的季節性變化，且不同湖區對環境因子的響應不同，梅梁灣和湖心分別受TP，TN 和EC的影響最為顯著。而WAN Y等[1]研究發現季節是引起底泥微生物群落差異的最顯著因素，而非湖區位置。YE W J 等[6]研究發現太湖梅梁灣沉積物中細菌群落垂直分布相似，但古細菌群落組成因深度的不同而差異明顯。目前關于太湖底泥微生物的研究主要集中在夏、秋兩季的特殊湖區（如富營養化嚴重的梅梁灣、竺山湖）和0～5 cm的表層底泥，冬季底泥微生物的文獻較少。以2017年冬季太湖沿岸各區及湖心10～15 cm 深度底泥為研究對象，利用高通量測序技術系統分析太湖底泥的細菌群落結構，探討其與水體和沉積物中環境因子的響應關系，揭示太湖底泥細菌群落的形成機制，為維護太湖生態系統穩定提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

根據太湖水系、污染狀況、水利工程及底泥分布特征，選取了16 個采樣點。采樣點位分布見圖1。

圖1 太湖采樣點位示意

采樣時間：2017年12月。采樣方式：用不銹鋼抓斗采集湖底表層10～15 cm 深度的底泥，用滅菌自封口袋封裝，于4 ℃下保存并迅速運回實驗室。運回實驗室的新鮮底泥樣品一部分立即提取微生物DNA；另一部分經冷凍干燥、研磨后，過d=125 μm篩后于-20 ℃保存，并在一周內完成底泥樣品理化性質分析。

1.2 理化指標分析

采用YSI6600 型水質分析儀（美國YSI 公司）對采樣點上覆水的水質指標進行現場測定，項目包括：pH 值、溶解氧（DO）、電導率（EC）、溫度（T）。分別采用硫酸鉀消解紫外分光光度法、紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和比色法測定底泥中總氮（TN）、硝態氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）和銨態氮（NH4+-N）；采用鉬酸銨分光光度法測定底泥中的總磷（TP）。

1.3 底泥微生物DNA 提取與測序

采用Illumina Miseq 平臺（美國Illumina 公司）對純化后的底泥PCR 產物進行基因測序，測序方案為2×250 bp 兩端測序。對于Miseq 測序獲得原始數據使用Mothur 軟件平臺進行數據質量過濾、降噪、去嵌合體、去除非細菌序列等質量控制操作。

1.4 數據分析

利用SPSS 26.0 軟件通過單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗評估不同樣本數據之間的差異性，以P<0.05 為具有顯著性差異。使用QIIME平臺對測序序列進行微生物物種分類信息注釋，按97%相似度進行OTU 劃分。利用RDP Classifier 通過比對Greengenes 數據庫進行從門水平到屬水平的物種分類信息注釋。利用R 語言進行樣品Alpha 多樣性計算；利用Canoco5.0 進行典型關聯分析。

2 結果與討論

2.1 太湖水體和底泥理化性質分析

太湖各區域水體理化性質無較大差異，水體偏弱堿性（pH 值平均為8.22）；ρ（DO）>7.5 mg/L，達到Ⅰ類水標準，湖心區域溶解氧略高于其他區域；EC穩定在465～696 μS/cm 之間；水溫為9 ℃左右。指標測定值見圖2。

圖2 太湖水體理化指標

太湖16 個采樣點底泥中N,P 元素指標質量分數檢測結果見圖3（同一組數據中不同小寫字母表示具有顯著性差異，P<0.05）。由圖3 可知，除NO3--N 外，其他元素指標存在顯著性差異，尤其是TN，NH4+-N，總體表現為太湖西部、北部含量高于東部（點位S16除外）和南部，這與WAN Y 和石文莉等[1，8]在太湖的研究結果較為一致。相比2010年太湖湖濱帶（ω（TN）為458～5 211 mg/kg）[9]、2016年秋季太湖梅梁灣（ω（TN）=1 820±180 mg/kg）和湖心區（ω（TN）=1 310±250 mg/kg）的研究[5]，本次檢測中太湖底泥TN 質量分數大幅降低，為208～960 mg/kg。但TP 含量仍較高，質量分數為342～1 586 mg/kg，略高于2010年研究結果（ω（TN）為128～1 393 mg/kg）[9]。根據美國環保署（EPA）制定的底泥分類標準[9-10]，多個湖區TP 仍然處于中度（質量分數為420～650 mg/kg）或重度污染（質量分數＞650 mg/kg），以竺山湖最為嚴重，質量分數高達1 586 mg/kg。藍藻水華、太湖水體和沉積物之間的磷循環，使得底泥TP 含量過高是2014年以來太湖藍藻水華呈擴大趨勢，特別是2017年太湖再次出現巨大面積水華的重要誘因，又是其爆發過后的不良結果[7,11,12]。莊嚴等[13]利用3S 技術研究同樣發現竺山湖是近幾年來太湖底質TP 的高值區，同時也是水華高發區。特別指出，沉積物中越冬休眠的藍藻細胞正是次年藍藻水華爆發的“種源”[14]。因此，加強冬季太湖底泥的生態疏浚治理尤為重要。

圖3 太湖底泥中N，P 元素質量分數

2.2 太湖底泥細菌群落結構分析

通過高通量測序技術在16 個采樣點共獲得6 954條OTUs。Shannon 指數（5.57～6.07）和Simpsion 指數（0.89～0.95）均較高，說明太湖底泥微生物多樣性高且分布均勻，其中以東太湖S16 點位的細菌群落最為豐富。16 個采樣點共篩查出32 個細菌門、362個細菌屬，結果見圖4～圖5。

圖4 太湖底泥細菌門水平相對豐度

圖5 太湖底泥細菌屬水平相對豐度

由圖4 可知，在門水平上，10 個主要門類依次為變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、Latescibacteria 門和Aminicenantes 門。這10 個門的微生物基本決定了整個太湖底泥細菌群落構成，數量合計占細菌生物總量的69.5%～81.5%。變形菌門在S3，S8，S9，S16 點位的數量明顯高于其他區域，酸桿菌門在梅梁湖顯著高于貢湖灣（P<0.05）。梅梁湖和東部沿岸區的厚壁菌門相對豐度高于其它湖區（P<0.05）。變形菌門、綠彎菌門和酸桿菌門是3 個最優勢菌群，占細菌生物總量的51.8%～65.4%，除S1 點位中綠彎菌門是最優勢菌群外，其余各位點中變形菌門豐度最高。

由圖5 可知，在屬水平上，居于362 種菌屬前10 的是Steroidobacter，Gp6，Gp16，Gp17，Gaiella，Bellilinea，Subdivision3，Gp7，Nitrospira和Gp23。其中Steroidobacter是S2，S3，S8，S9，S10，S16 點位的最優勢菌屬，屬于變形菌門；Gp6是S4～S7，S11～S15 點位的最優勢菌屬，屬于酸酐菌門；Gp16是S1 點位的最優勢菌屬，同樣屬于酸酐菌門。Steroidobacter，Gp6和Gp16在所有采樣區域的豐度均很高，可以推斷其是太湖冬季底泥細菌中的優勢菌屬，尤其是在TP 污染較為嚴重的竺山湖和西部沿岸區，數量占比為46.91%～51.90%，遠高于其他湖區。

總體而言，變形菌門是冬季太湖底泥相對豐度最高的菌群，其次是綠彎菌門和酸桿菌門。變形菌門在生物脫氮、生物除磷及諸多污染物降解過程中有重要作用[15]，因此在太湖底泥中占領了絕對優勢，而S1 點位的特殊性可能是由于望虞河引水工程的影響。薛銀剛等[16]和吳玲[2]分別在2015年、2016年對太湖梅梁灣和湖心等湖區底泥微生物群落結構的研究也發現了變形菌門的高豐度。SHAO K O 等[3]和HUANG R 等[5]還發現變形菌門是夏季梅梁灣、胥口灣和東太湖底泥豐度最高的菌群。除此之外，變形菌門也是云南13 個高原淡水湖泊[17]、我國最大淡水湖鄱陽湖[18]、德國薩克森州4 個淡水水庫[19]的優勢菌群。綠彎菌門由于營養方式靈活多變，參與了碳、氮、硫等元素的重要化學循環[20]。同樣的，酸桿菌門也參與多種物質的降解和轉化[14]，廣泛存在于各種環境，尤其是土壤環境中[21]。

2.3 太湖底泥細菌群落結構與環境因子的相關性

典型相關分析結果見圖6。由圖6（a）可知，湖泊底泥5 種理化性質參數解釋了數量占比61.6%的主要細菌分布和群落結構。其中TP 顯著影響了底泥主要細菌的分布和群落結構，其次是NO3--N。磷是淡水湖泊浮游植物生長的主要限制因子[22]，聚磷菌屬Dechlormonas與TP 具有強正相關關系。有研究表明，TP 濃度上升是2017年太湖出現巨大水華的主要原因[7]，一方面，水華爆發極大地改變了生態系統的結構和功能，包括改變微生物群落結構；另一方面，微生物活動實現了沉積物與藍藻水華顆粒之間的N,P 循環[17]。SONG H 等[23]在東平湖、周思聰等[24]在洪澤湖西北部濕地沉積物微生物群落結構研究中也發現TP 是最顯著的環境影響因子。NO3--N 同樣是云南13 個淡水湖泊沉積物細菌多樣性的重要決定性因素[17]。雖然NO3--N 含量遠低于TP，NH4+-N，但由于其在水華不同時期的變化較其他環境因子顯著[25]，所以也能顯著影響太湖底泥細菌群落結構，本研究也發現最優勢細菌類群Steroidobacter直接參與了NO3--N 的代謝。

由圖6（b）可知，底泥上覆水理化指標對底泥細菌群落結構也存在影響。Steroidobacter，Gp6等最優勢菌屬與EC顯著正相關，EC能夠反映水體離子濃度，受水體中金屬離子和相應陰離子濃度影響，含鹽量越高導電率越高。Nitrospira屬與DO 和pH值顯著正相關，DO 是影響水體氨氧化微生物群落組成及豐度的重要因素，pH 值則通過影響氨氧化反應物的化學形態、濃度與有效性來影響含amoA基因微生物的群落組成及豐度[26]。本研究水體DO充足、整體偏弱堿性，有利于微生物的生長[27]，降低了DO 和pH 值的限制。溫度可以影響物質循環和生物活動[24]，研究發現，近幾年冬季太湖水溫升高給藍藻提前復蘇提供了有利條件[10]。

圖6 太湖底泥細菌群落理化性質的相關性

3 結論

（1）太湖大部點分位底泥中TP 處于中度污染，其中竺山湖和西太湖污染較嚴重。

（2）冬季太湖底泥細菌群落結構豐富，變形菌門、綠彎菌門和酸桿菌門為優勢菌群，但不同點位豐度存在差異性；在屬水平上，最具代表性的微生物是Steroidobacter，Gp6和Gp16，且在TP 污染嚴重的竺山湖和西太湖相對豐度高于其他湖區。

（3）太湖底泥TP 對底泥微生物群落結構及分布影響最為顯著，其次是NO3-N。水質指標的影響程度由高到低為EC>T>pH 值>DO。