草海湖濱帶沉積物微生物群落對磷形態(tài)的影響

龍云川,蔣 娟,胡 菁,張珍明,朱成斌,蘇榮翔,周少奇*

草海湖濱帶沉積物微生物群落對磷形態(tài)的影響

龍云川1,2,蔣 娟1,2,胡 菁2,張珍明1,2,朱成斌2,蘇榮翔1,周少奇2*

(1.貴州科學院貴州省生物研究所,貴州 貴陽 550009；2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 550025)

為探究高原湖泊湖濱帶沉積物中微生物群落對磷賦存形態(tài)的影響,以草海湖濱帶沉積物為研究對象,分析了磷素賦存形態(tài);通過高通量測序技術分析了細菌和古菌的群落組成.結果表明,草海湖濱帶表層沉積物的總磷含量范圍在662.89～881.26mg/kg之間,平均值為750.36mg/kg;各磷形態(tài)中NaOH-NRP＞Res-P＞BD-P＞HCl-P＞NaOH-SRP＞NH4Cl-P.細菌群落由變形菌門(Proteobacteria)等59個門和硫桿菌屬()、厭氧粘細菌屬()等1259個屬組成;古菌群落由泉古菌門(Crenarchaeota)等8個門和甲烷絲菌屬()等67個屬組成.冗余分析、主成分分析和共現性網絡分析表明,微生物群落能驅動草海沉積物中磷的形態(tài)轉化,細菌主要通過影響鐵的氧化/還原和堿性磷酸酶的活性;古菌則通過改變有機質和酸性磷酸酶活性來調控沉積物磷形態(tài).

沉積物；高通量測序；磷形態(tài)；共現性網絡；古菌

沉積物是湖泊系統中污染物的主要蓄積場所,沉積物內源磷是湖泊中水體富營養(yǎng)化的關鍵因子[1].沉積物中不同磷形態(tài)的遷移度和生物利用度存在差異[2].已有研究表明微生物可以通過分泌有機酸、磷酸酶等胞外物質,在土壤和沉積物中磷的循環(huán)中起關鍵作用[3-4].沉積物中豐富的微生物在湖泊生態(tài)系統的能量流動、元素遷移轉化、污染物降解和水體自凈等過程中發(fā)揮著重要作用[5].古細菌作為除細菌和真核生物外的主要域,雖介導了甲烷生成、有機物分解、好氧氨氧化、硫酸鹽還原和磷酸鹽增溶等生物地球化學過程[6],但對古菌的研究較少,需更多的關注.

湖濱帶作為水體生態(tài)系統與陸地生態(tài)系統的水陸交錯帶[7],其沉積物中微生物群落的組成結構和功能受到周邊人類活動的干擾.由于高原湖泊生態(tài)系統的特殊性,其沉積物中的微生物群落也與其他生態(tài)系統中有著顯著不同[8].貴州草海,典型的高原湖泊,臨近威寧縣城且周邊村莊耕地眾多,其人類活動帶來的湖濱帶微生物群落組成變化及其對元素生物地球化學循環(huán)的影響也鮮為人知.因此,本研究以貴州草海的湖濱帶沉積物為研究對象,分析沉積物細菌和古菌的群落組成、多樣性和磷素賦存形態(tài),探究沉積物中微生物群落對磷形態(tài)的影響.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

貴州草海位于云貴高原中部,是國家級自然保護區(qū)、典型的高原濕地生態(tài)系統.草海湖區(qū)面積25km2,平均海拔2171.7m,年平均氣溫10.5℃,年平均日照時長1805.4h,年平均降雨量950mm[9].草海是黑頸鶴等鳥類的越冬棲息地,有“高原明珠”美稱[10].威寧縣城位于草海東北部,距離草海湖區(qū)僅數公里.此外,依托西海碼頭(位于草海北側)、江家灣碼頭(位于草海北側)、白家嘴碼頭(位于草海東側)的旅游活動對湖泊生態(tài)系統造成了強烈干擾.

1.2 樣品采集與處理

2019年6月,根據草海濕地湖濱帶的地形設置如圖1所示的12個采樣點(編號分別為S21～S32).使用抓斗采樣器采集0～10cm表層沉積物樣品,裝入無菌自封袋內密封低溫保存帶回實驗室.沉積物樣品經冷凍干燥后去除石塊、動植物殘體等雜質,研磨,過100目篩后置于-20℃冰箱內待測.

圖1 貴州草海湖濱帶沉積物采樣點分布

1.3 沉積物磷形態(tài)及性質測定

沉積物中磷形態(tài)的測定采用Psenner化學順序提取方法[11],該方法將磷分為弱吸附態(tài)磷(NH4Cl- P)、可還原態(tài)磷(BD-P)、鐵鋁氧化態(tài)磷(NaOH- SRP)、有機質結合態(tài)磷(NaOH-NRP)、鈣結合態(tài)磷(HCl-P)和殘渣態(tài)磷(Res-P) 6種磷形態(tài).沉積物燒失量(LOI)采用灼燒法測定,沉積物酶活性檢測采用索萊寶土壤酶活性檢測試劑盒利用分光光度法測定.

1.4 沉積物微生物多樣性分析

使用Power Soil?DNA提取試劑盒(Mo Bio Laboratories)提取0.5g沉積物中的細菌和古菌DNA.使用通用引物338F/806R擴增細菌16S rRNA的V3～V4高變區(qū);使用引物524F/958R擴增古菌的16S rRNA.PCR擴增產物純化、建庫后在Illumina MiSeq PE300平臺上進行高通量測序(上海美吉生物公司執(zhí)行).測序原始序列經拼接、篩選、聚類后,獲得的有效序列進行生物信息學分析.

1.5 數據分析

利用Excel 2013和SPSS 23.0軟件進行數據處理和分析,利用Origin 2018作圖.采用Pearson相關系數分析理化指標與磷形態(tài)的相關性,采用主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)探討微生物群落對磷賦存形態(tài)的影響,采用Gephi 0.9.2軟件分析沉積物微生物群落與磷形態(tài)的共現性網絡.

2 結果與分析

2.1 草海沉積物中細菌群落組成

表1 微生物群落的alpha多樣性指數

對于細菌微生物群落,12個樣品的有效序列共452683條,平均長度為417.77bp.根據相似水平取值97%,共聚類8786OTUs.本文采用Chao1指數反映草海沉積物微生物群落的豐富度,Shannon評價微生物群落的多樣性.從表1可以看出,草海湖濱帶沉積物細菌群落的Chao1指數為(4347±654.89),高于白洋淀湖泊的沉積物(Chao1指數(1354.96±645.82))[12]、華南地區(qū)的紅樹林沉積物(Chao1指數(2243±96))[13],這說明草海湖濱帶沉積物中細菌群落的豐富度較高.Shannon值與群落多樣性呈正比[14],Shannon指數的平均值為(6.58±0.41),說明草海湖濱帶沉積物中的細菌群落較為多樣.

根據分類學分析,12個樣本的沉積物細菌群落共包含59門、141綱、375目、654科、1259屬、2762種.在門水平上,變形菌門(Proteobacteria)占主導地位(19.80%～51.26%).其次是,綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、Patescibacteria門、埃普西隆桿菌門(Epsilonbacteraeota)、棒狀桿菌門(Rokubacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、Latescibacteria門、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、藍細菌門(Cyanobacteria)、螺旋體門(Spirochaetes)、硝棘菌門(Nitrospinae)、浮霉菌門(Planctomycetes)16門,其相對豐度均大于1%(圖2a).在屬水平上,硫桿菌屬()和厭氧粘細菌屬()的豐度最高(圖2b),其次是梭菌屬()、硫氧化菌屬()、鐵氧化屬()、厭氧繩菌屬()、地發(fā)菌屬()、地桿菌屬()、芽單胞菌屬()、苔蘚桿菌屬()等.

2.2 草海沉積物中古菌群落組成

對于古菌群落,12個樣品的有效序列共470522條,平均長度為427.94bp.根據97%相似性,聚類至979OTUs.從表1可以看出,古菌群落的Chao1指數為(333.42±59.76),說明草海湖濱帶沉積物古菌群落的豐富度低.Shannon指數為(2.90±0.63),說明草海湖濱帶沉積物細菌群落多樣性不高.比較細菌和古菌群落,兩者有效序列數無顯著差異,且古菌群落的有效序列數還稍高;聚類得到的OTU數,細菌群落遠高于(8.97倍)古菌群落;分類得到的門、屬的數量,細菌群落也遠高于古菌群落.細菌群落的豐富度遠高于(大于11倍)古菌群落,但細菌群落的多樣性稍高于(2.27倍)古菌群落.

系統發(fā)育分類結果顯示,12個樣本的古菌群落共包含8個古菌門,包括25綱37目50科67屬152種.在門分類水平上,相對豐度大于1%的古菌門有5個,如圖3a所示.豐度最高的門為泉古菌門(Crenarchaeota),其相對豐度分布范圍為4.46%～71.17%,平均值為44.49%;其次為廣古菌門(Euryarchaeota)、奇古菌門(Thaumarchaeota)、Asgardaeota門、Diapherotrites門.未分類(unclassified)古菌門和相對豐度低于0.1%的稀有古菌門歸類于“Others”,其占比為1.04%～8.99%,平均值為2.68%.圖3b列出了草海沉積物中古菌群落的主要屬.甲烷絲菌屬()相對豐度最高,其次為、甲烷八疊球菌屬()、甲烷桿菌屬()、等.值得注意的是,未確定分類地位的屬(unclassified、norank)和稀有屬(相對豐度在所有樣本中均低于0.1%)占每個樣本相對豐度的50%以上.此外,在所有樣品中無法確定分類地位的屬的平均相對豐度約為80%,這表明草海沉積物中存在大量未知作用的古菌.總體來看,盡管各樣點沉積物均包含有大部分微生物類群,但各采樣點的微生物群落組成存在一定差異.

2.3 草海湖濱帶沉積物磷素賦存特征

湖泊沉積物是水生態(tài)系統中磷的重要蓄積庫,生活污水、農業(yè)排放的磷及湖泊生物組成磷都可能進入到沉積物中,使沉積物中的磷素富集增多.草海湖濱帶表層沉積物的總磷含量分析結果如圖4所示,草海湖濱帶沉積物不同點位受不同人類活動影響其總磷有所差異,其中S29、S31、S32采樣點的總磷含量最高.S29采樣點位于草海東南部,周邊村莊耕地分布多;S31、S32采樣點位于草海東北部,臨近威寧縣城.據統計,中國耕地磷肥年平均使用量高達100kg/hm2,分別是美國和歐盟同期磷肥使用量的2.6和2.5倍.在這種長時間、高強度施肥之后,只有10%～15%的磷能被吸收,而其余的則流失到徑流和/或地下水中[15].另外,畜禽糞便產量達60億t(2015年統計數據),但60%以上的畜禽糞便未經處理而隨意排放.因此,S29樣點總磷含量高可能與周邊村莊的含磷生活污水、畜禽糞便及農業(yè)面源污染的無序排放有關.此外,2017年之前,威寧縣城每天連續(xù)向草海直接排放約8000t污水[8].S31、S32采樣點臨近威寧縣城,其總磷含量高與歷史上長期排放未經處理的污水有關.總磷含量范圍在662.89～881.26mg/kg之間,平均值為750.36mg/kg.貴州草海總磷含量遠高于長江中下游的洞庭湖、鄱陽湖、洪澤湖等湖泊(600mg/kg以下)[16],這與貴州草海為半封閉性城市高原湖泊有關.草海海拔較高、換水周期長、易于沉積物磷的累積,并長期受縣城污水排放及周邊農業(yè)面源污染徑流輸入的影響,因此需加強草海流域生活污水及農業(yè)徑流的處理與控制.

圖4 沉積物各形態(tài)磷含量分布

如圖4所示,NaOH-NRP是各形態(tài)中占比最高的磷組分,其含量為262.37～354.78mg/kg,平均值為314.25mg/kg.通常NaOH-NRP為有機物和微生物生物質結合的磷[11],相對化學惰性,但在一定條件下可轉化為小分子正磷酸鹽.草海湖濱帶沉積物中占比最小的是NH4Cl-P,含量為1.42～5.10mg/kg.NH4Cl-P是一種松散吸附態(tài)磷,是最不穩(wěn)定、生物有效性最高的磷組分,容易被水生植物利用并釋放到上覆水體中[17].樣點S29,S31, S32的總磷和NH4Cl-P含量都較高,磷素釋放潛力較大.BD-P對氧化還原條件非常敏感,主要是與鐵氫氧化物和錳化合物結合的磷,具有潛在的遷移性[18].草海湖濱帶沉積物BD-P含量為60.07～113.64mg/kg. NaOH-SRP通常被認為是與鐵鋁結合的磷組分,并與氧化還原不敏感的氫氧化鋁強耦合[11].NH4Cl-P、BD-P、NaOH-SRP和NaOH-NRP被認為是活性磷[17].活性磷較為活躍,受沉積物-水界面的物理、化學及生物條件變化影響較大,在生物地球化學作用下可能發(fā)生一系列的遷移轉化,影響湖泊生態(tài)系統中磷的分布.草海湖濱帶沉積物中的活性磷總含量為430.99～516.58mg/kg,平均值為472.05mg/kg,占總磷的63.21%.相對較高的活性磷占比預示著大部分磷可釋放至上覆水體,草海湖濱帶沉積物中能釋放至水體的潛在內源磷負荷不容忽視.

Res-P即殘渣態(tài)磷,主要是大分子有機磷或其他難溶性磷,被認為是永久結合態(tài)磷[19], 其平均含量為204.75mg/kg. HCl-P即鈣磷,是與沉積碳酸鈣或自生的磷灰石結合的磷.它穩(wěn)定存在于各種巖土礦物中,生物難以直接利用,在弱堿性水環(huán)境中比較穩(wěn)定[20].草海濕地的水質pH值為弱堿性,因而HCl-P釋放較難.此外,根據相關理論,當沉積物中Ca/(Fe+ Al)比值大于0.7時,為鈣質沉積物[19];草海沉積物的Ca/(Fe+Al)平均值約為0.3,該區(qū)域沉積物為非鈣質沉積物,因而HCl-P在總磷中占比較低(平均值9.81%).總之,草海湖濱帶沉積物中各形態(tài)磷的含量分布為NaOH-NRP>Res-P>BD-P>HCl-P>NaOH- SRP>NH4Cl-P.

2.4 沉積物性質

草海湖濱帶沉積物性質的結果見表2.燒失量(LOI)可以反映沉積物中有機質的含量.草海湖濱帶沉積物的LOI變化范圍為8.47%～29.33%.與云南滇池(10.2%～18.5%)、太湖(2.0%～7.6%)[21]相比,草海有機質含量相對較高,且存在明顯的空間差異.草海湖濱帶沉積物中有機質含量差異較大,總體上草海東部區(qū)域(S29～S32采樣點)沉積物的LOI明顯高于其他區(qū)域.草海東部區(qū)域更靠近威寧縣城,縣城大量的生活污水排放(8000t/d)增加了湖濱帶沉積物有機質負載[8];另外,該區(qū)域水深較淺,有利于水生植物的生長繁殖,分布廣泛的水生植物產生的植物殘體、腐殖質等物質使得該區(qū)域沉積物的LOI含量高.沉積物中的酶多產自環(huán)境中的微生物,草海湖濱帶沉積物的微生物群落組成差異會引起酶活性大小的變化.從結果來看,堿性磷酸酶(AKP)活性的變化范圍為1.49～6.30μmol/(d·g),平均酶活性是(3.49±1.40)μmol/ (d·g);酸性磷酸酶(ACP)活性為5.87～12.03μmol/ (d·g),平均值為(8.07±2.08)μmol/(d·g).這2種酶活性的最大值均出現在S32采樣點.該樣點緊鄰威寧縣城,總磷含量也高,且水生植物生長茂密[22],外源營養(yǎng)物質的流入加強了該區(qū)域水生植物及植物根際微生物的活動,從而使沉積物里的酶活性增高.

表2 草海沉積物性質

3 討論

沉積物中磷的遷移轉化是一個復雜的過程,涉及物理、化學及生物等諸多因素.其中微生物是沉積物磷轉化的關鍵驅動因子,但對其相關研究較少,微生物對磷的影響機制不清.貴州草海湖濱帶沉積物中微生物群落組成較為豐富,共有細菌1259屬, Chao1指數高達(4347±654.89).為深入了解沉積物微生物群落對磷形態(tài)的影響機制,本文采用了冗余分析(RDA)、主成分分析(PCA)和共現性網絡分析3種手段.

微生物群落(豐度最高的10個細菌屬和古菌屬)對不同形態(tài)磷的冗余分析(RDA)分析結果如圖5所示.細菌群落的10個主要屬共解釋了95.1%的磷形態(tài),其中、、、和分別解釋了23.6%、27.4%、12.8%和8.4%.是分布廣泛、研究最多的一類鐵還原菌[23],它的主要作用是鐵還原、硫還原及甲烷生成[24].有利用有機物作為電子供體進行鐵異化還原的功能.鐵是地殼中豐度排第4的元素,在沉積物中分布廣泛;由于沉積物的潮濕缺氧的環(huán)境,鐵多以二價態(tài)的形式相對穩(wěn)定的存在于沉積物中;但同時存在的三價態(tài)鐵通常以鐵氧復合物的形式發(fā)生沉淀,并對沉積物中的磷具有強烈的吸附和固定作用.RDA圖中對NaOH-SRP和BD-P有顯著影響(圖5a),而BD-P主要是與鐵錳結合的磷,NaOH-SRP是與鐵鋁結合的磷組分.此外,在NaOH-SRP含量分布最高的區(qū)域(S25),也表現出最高的相對豐度(圖4).有研究表明,能將單質硫或還原性硫化物氧化為硫酸鹽[25].硫化物可以和磷競爭與鐵(III)氧化物結合,導致鐵(III)結合態(tài)中磷的活化[24].綜合來看,細菌主要通過鐵(III)氧復合物來調節(jié)沉積物磷形態(tài).

古菌群落豐度最高的10個屬中,、、、分別解釋了36.9%、12.0%、11.8%、7.5%的磷形態(tài)變異.可以利用硝酸鹽或Fe3+或Mn4+作為電子受體,進行甲烷的厭氧氧化[26].多參與脅迫環(huán)境下的氮代謝.和都是產甲烷菌,在沉積物厭氧環(huán)境下進行有機物降解等碳代謝過程[27].這些古菌基本上都有甲烷代謝等碳代謝功能;此外,細菌Thiobacillus也是土壤中主要的解磷菌,能通過產磷酸酶等方式將難以被利用的磷轉化為生物可利用的磷[28].

因此,運用主成分分析(PCA)研究磷酸酶、LOI(反映碳含量)及微生物群落(選取RDA分析中對磷形態(tài)解釋度最高的4種細菌屬和4種古菌屬)對沉積物磷形態(tài)的影響,結果如圖6所示.PC1能解釋36.71%的總方差,PC1對總磷、NH4Cl-P、Res-P、HCl-P、NaOH-NRP及ACP、LOI有較高的正載荷,說明有機質(以LOI指示)和磷酸酶(以ACP指示)對沉積物中磷形態(tài)有較大影響.一般情況下,有機質是有機磷的重要載體,高濃度的有機質通常伴隨著較高的有機磷含量[29],因此有機質與磷組分往往表現出較強的相互作用關系.磷酸酶能水解有機磷的磷酸酯或磷酸酐,將有機磷轉化至無機磷,從而讓磷被水生生物利用[30].、、、、等微生物與大部分磷形態(tài)處于同一區(qū)間(-0.294～0.213),這也間接驗證了如前所述‘細菌群落和古菌群落對磷形態(tài)產生重要影響’的觀點.

為了形象的展示沉積物微生物群落(豐度最高的10個細菌屬和古菌屬)、磷形態(tài)及沉積物性質的相互關系,運用Gephi生成相關性網絡圖(相關系數絕對值大于0.4),如圖7所示.細菌群落alpha指數Shannon與NaOH-SRP負相關,相關系數為-0.652.細菌豐度最高的10個屬中,、、與多個磷形態(tài)相互作用關系緊密.其中,與BD-P、HCl-P、NaOH- NRP及總磷相關性較強;與NaOH-SRP、NaOH-NRP、總磷的相關系數分別為-0.601、-0.704和-0.533;與NaOH-SRP和HCl-P的相關系數分別為0.591和-0.585.是一類典型的鐵氧化細菌,能將沉積物中廣泛存在、相對穩(wěn)定的二價態(tài)鐵通過生物鐵氧化反應氧化為三價態(tài)鐵,并以鐵氧復合物的形式吸附沉積物中的磷,導致沉積物中磷的固定[31].結合前面分析的細菌屬的功能,發(fā)現細菌主要通過鐵的氧化/還原來影響沉積物磷形態(tài).相關性網絡中的古菌群落中, alpha指數Shannon、Chao1與BD-P、NaOH-SRP、NaOH-NRP等磷形態(tài)相關性較強,說明古菌群落的豐富程度和多樣性程度強烈影響著沉積物中的磷形態(tài).具體地,豐度最高的10個古菌屬中,與多個磷形態(tài)相互作用關系較強.

圖6 沉積物微生物、性質與磷形態(tài)的主成分分析

圖7 沉積物微生物、磷形態(tài)及沉積物性質的共現性網絡

每個節(jié)的顏色表示不同的分類.紅線和綠線分別表示正相關和負相關;線條粗細表示相關性的大小

此外,分析有機質(LOI指示)和磷酸酶(ACP、AKP指示)在微生物對磷形態(tài)影響中的作用.從圖7中可以看出,AKP、ACP酶、LOI與多個磷組分相關性強,這也證實了PCA結果中關于有機質和磷酸酶對磷形態(tài)影響較大的論述.細菌、、、與AKP酶相關性較強;這說明草海沉積物中細菌群落可以分泌堿性磷酸酶來影響沉積物中磷形態(tài)的分布.古菌、、與ACP酶相關性較強;古菌、與LOI相關性較強;這表明草海沉積物中的古菌通過影響酸性磷酸酶和有機質來影響沉積物中的磷形態(tài).

總體而言,草海湖濱帶沉積物中微生物群落能驅動磷賦存形態(tài)的變化,細菌群落主要通過鐵的氧化/還原和調控堿性磷酸酶活性來影響沉積物磷形態(tài),而古菌群落則通過改變酸性磷酸酶活性和有機質來影響沉積物磷形態(tài).下一步,建議加強對包括生物和非生物因子的高分辨率原位分布,磷與碳、氮等關鍵元素循環(huán)耦合的化學計量機制,以及元素循環(huán)中關鍵菌群或物種的作用等關鍵過程的研究,以進一步探明沉積物磷素生物地球化學循環(huán)機制.

4 結論

4.1 草海湖濱帶沉積物的總磷含量為662.89～881.26mg/kg,其中NaOH-NRP>Res-P>BD-P>HCl- P>NaOH-SRP>NH4Cl-P.

4.2 草海湖濱帶沉積物中微生物群落組成存在一定的空間差異,細菌群落豐富度和多樣性高于古菌.細菌群落共含有1259個屬,以硫桿菌屬、厭氧粘細菌屬為優(yōu)勢屬;古菌群落以甲烷絲菌屬為主.

4.3 草海湖濱帶微生物群落能驅動沉積物磷形態(tài)的轉化,細菌主要通過調控鐵的氧化/還原和堿性磷酸酶活性來影響磷形態(tài),而古菌則通過改變有機質和酸性磷酸酶活性來調控磷形態(tài).

[1] Kurek M R, Harir M, Shukle J T, et al. Seasonal transformations of dissolved organic matter and organic phosphorus in a polymictic basin: Implications for redox-driven eutrophication [J]. Chemical Geology, 2021,573:120212.

[2] Crocker R, Blake W H, Hutchinson T H, et al. Spatial distribution of sediment phosphorus in a Ramsar wetland [J]. Science of the Total Environment, 2021,765:142749.

[3] Yao Q, Li Z, Song Y, et al. Community proteogenomics reveals the systemic impact of phosphorus availability on microbial functions in tropical soil [J]. Nature Ecology & Evolution, 2018,2(3):499-509.

[4] Mohapatra M, Yadav R, Rajput V, et al. Metagenomic analysis reveals genetic insights on biogeochemical cycling, xenobiotic degradation, and stress resistance in mudflat microbiome [J]. Journal of Environmental Management, 2021,292:112738.

[5] 周佳敏,黃廷林,劉 茜,等.低C/N亞鐵氧化硝酸鹽還原菌群脫氮特性 [J]. 中國環(huán)境科學, 2021,41(8):3723-3732.

Zhou J M, Huang T L, Liu Q, et al. Denitrifying characteristics of low C/N ferrous oxidation nitrate reducing bacteria flor [J]. China Environmental Science, 2021,41(8):3723-3732.

[6] Wei G, Li M, Shi W, et al. Similar drivers but different effects lead to distinct ecological patterns of soil bacterial and archaeal communities [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2020,144:107759.

[7] Wang W, Liu W, Wu D, et al. Differentiation of nitrogen and microbial community in the littoral and limnetic sediments of a large shallow eutrophic lake (Chaohu Lake, China) [J]. Journal of Soils and Sediments, 2018,19(2):1005-1016.

[8] Long Y, Jiang J, Hu X, et al. The response of microbial community structure and sediment properties to anthropogenic activities in Caohai wetland sediments [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021, 211:111936.

[9] Xia P, Ma L, Sun R, et al. Evaluation of potential ecological risk, possible sources and controlling factors of heavy metals in surface sediment of Caohai Wetland, China [J]. Science of the Total Environment, 2020,740:140231.

[10] 朱成斌,胡 菁,龍云川,等.貴州草海沉積物重金屬元素分布特征及健康風險評價[J]. 環(huán)境科學學報, 2021,41(6):2212-2221.

Zhu C B, Hu J, Long Y C, et al. Distribution fractionation and health risk assessment of heavy metals in surface sediments from Caohai Lake, Guizhou [J]. Acta Scientiae Circumstans, 2021,41(6):2212-2221.

[11] Markovic S, Liang A, Watson S B, et al. Biogeochemical mechanisms controlling phosphorus diagenesis and internal loading in a remediated hard water eutrophic embayment [J]. Chemical Geology, 2019,514: 122-137.

[12] Wang W, Yi Y, Yang Y, et al. Impact of anthropogenic activities on the sediment microbial communities of Baiyangdian shallow lake [J]. International Journal of Sediment Research, 2020,35(2):180-192.

[13] Tong T, Li R, Wu S, et al. The distribution of sediment bacterial community in mangroves across China was governed by geographic location and eutrophication [J]. Marine Pollution Bulletin, 2019, 140:198-203.

[14] Long Y, Jiang J, Hu X, et al. Actinobacterial community in Shuanghe Cave using culture-dependent and -independent approaches [J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2019,35(10):1-12.

[15] Ni Z, Wang S, Wu Y, et al. Response of phosphorus fractionation in lake sediments to anthropogenic activities in China [J]. Science of the Total Environment, 2020,699:134242.

[16] 黎 睿,王圣瑞,肖尚斌,等.長江中下游與云南高原湖泊沉積物磷形態(tài)及內源磷負荷[J]. 中國環(huán)境科學, 2015,35(6):1831-1839.

Li R, Wang S R, Xiao S B, et al. Sediments phosphorus forms and loading in the lakes of the mid-lower reaches of the Yangtze River and Yunnan Plateau, China [J]. China Environmental Science, 2015,35(6): 1831-1839.

[17] Yang P, Yang C, Yin H. Dynamics of phosphorus composition in suspended particulate matter from a turbid eutrophic shallow lake (Lake Chaohu, China): Implications for phosphorus cycling and management [J]. Science of the Total Environment, 2020,741:140203.

[18] Wu Z, Wang S, Ji N, Phosphorus (P) release risk in lake sediment evaluated by DIFS model and sediment properties: A new sediment P release risk index (SPRRI) [J]. Environmental Pollution, 2019,255 (Pt2):113279.

[19] 劉 超,朱淮武,王立英,等.滇池與紅楓湖沉積物中磷的地球化學特征比較研究[J]. 環(huán)境科學學報, 2013,33(4):1073-1079.

Liu C, Zhu H W, Wang L Y, et al. Comparative study on the geochemical characteristics of phosphorus in sediments from Lake Dianchi and Hongfeng [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2013,33(4): 1073-1079.

[20] 張紫霞,劉 鵬,王 妍,等.典型巖溶濕地表層沉積物中磷的形態(tài)及分布特征研究[J]. 西南林業(yè)大學學報(自然科學), 2021,41(3): 78-86.

Zhang Z X, Liu P, Wang Y, et al. Occurrence form and distribution characteristics of phosphorus in surface sediments of typical karst wetlands [J]. Journal of Southwest Forestry University, 2021,41(3): 78-86.

[21] Xie F, Li L, Song K, et al. Characterization of phosphorus forms in a Eutrophic Lake, China [J]. Science of the Total Environment, 2019, 659:1437-1447.

[22] 吳勝利,夏品華,林 陶,等.貴州草海不同水位梯度下沉積物氮賦存形態(tài)及分布特征[J]. 湖泊科學, 2020,31(2):407-415.

Wu S, Xia P, Lin T, et al. Contents and distribution characteristics of nitrogen forms in sediments of Guizhou Lake Caohai under different water level levels [J]. Journal of Lake Sciences, 2019,31(2):407-415.

[23] 萬 杰,袁旭音,葉宏萌,等.洪澤湖不同入湖河流沉積物磷形態(tài)特征及生物有效性 [J]. 中國環(huán)境科學, 2020,40(10):4568-4579.

Wan J, Yuan X Y, Ye H M, et al. Characteristics and bioavailability of different forms of phosphorus in sediments of rivers flowing into Hongze Lake [J]. China Environmental Science, 2020,40(10):4568-4579.

[24] Wu S, Zhao Y, Chen Y, et al. Sulfur cycling in freshwater sediments: A cryptic driving force of iron deposition and phosphorus mobilization [J]. Science of the Total Environment, 2019,657:1294-1303.

[25] Xie M, Alsina M A, Yuen J, et al. Effects of resuspension on the mobility and chemical speciation of zinc in contaminated sediments [J]. Journal of Hazardous Materials, 2019,364:300-308.

[26] Juottonen H, Fontaine L, Wurzbacher C, et al. Archaea in boreal Swedish lakes are diverse, dominated by Woesearchaeota and follow deterministic community assembly [J]. Environmental Microbiology, 2020,22(8):3158-3171.

[27] Guo X, Yang Y, Niu Z, et al. Characteristics of microbial community indicate anthropogenic impact on the sediments along the Yangtze Estuary and its coastal area, China [J]. Science of the Total Environment, 2019,648:306-314.

[28] Liu S, Meng J, Jiang L, et al. Rice husk biochar impacts soil phosphorous availability, phosphatase activities and bacterial community characteristics in three different soil types [J]. Applied Soil Ecology, 2017,116:12-22.

[29] Mao C, Li T, Rao W, et al. Chemical speciation of phosphorus in surface sediments from the Jiangsu Coast, East China: Influences, provenances and bioavailabilities [J]. Marine Pollution Bulletin, 2021, 163:111961.

[30] 王敬富,陳敬安,陳 權,等.深水水庫磷的生物地球化學循環(huán)[J]. 第四紀研究, 2021,41(4):1194-1207.

Wang J F, Chen J A, Chen Q, et al. Biogeochemical cycles of phosphorus in deep-water reservoirs [J]. Quaternary Sciences, 2021,41(4):1194-1207.

[31] Field H R, Whitaker A H, Henson J A, et al. Sorption of copper and phosphate to diverse biogenic iron (oxyhydr)oxide deposits [J]. Science of the Total Environment, 2019,697:134111.

致謝：本實驗的現場采樣工作由貴州草海國家級自然保護區(qū)管理委員會協助完成,在此表示感謝.

Effects of microbial communities on phosphorus speciation in lakeside sediments of Caohai Lake.

LONG Yun-chuan1,2, JIANG Juan1,2, HU Jing2, ZHANG Zhen-ming1,2, ZHU Cheng-bin2, SU Rong-xiang1, ZHOU Shao-qi2*

(1.Guizhou Institute of Biology, Guizhou Academy of Sciences, Guiyang 550009, China；2.College of Resource and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)., 2022,42(4)：1869～1876

To explore the effect of the microbial community on phosphorus speciation in the sediment from plateau lake, the lakeside sediments from Caohai were collected, then the phosphorus speciation was analyzed, and the community compositions of bacteria and archaea were investigated using high-throughput sequencing. The results showed that the total phosphorus content in the sediments ranged from 662.89 to 881.26 mg/kg, with an average of 750.36mg/kg. Among thephosphorus fractions, NaOH- NRP>Res-P>BD-P>HCl-P>NaOH-SRP>NH4Cl-P. The bacterial community consisted of 59 phyla (dominated by Proteobacteria) and 1259 genera (dominated byand). The archaeal community consisted of 8 phyla (dominated by Crenarchaeota) and 67 genera (dominated by). The redundancy analysis, principal component analysis, and co-occurrence network analysis revealed that the microbial community could drive the transformation of the phosphorus speciation in lakeside sediments from Caohai. The bacteria affected the phosphorus species mainly through regulating the activity of alkaline phosphatase and the oxidation/reduction of iron, while the archaea impacted it by changing organic matter and acid phosphatase.

sediment；high-throughput sequencing；phosphorus fraction；co-occurrence network；archaea

X524

A

1000-6923(2022)04-1869-08

龍云川(1989-),男,重慶銅梁人,助理研究員,博士研究生,主要從事環(huán)境微生物研究.發(fā)表論文40余篇.

2021-09-06

國家自然科學基金資助項目(U1612441);貴州省科技計劃項目([2020]4Y020,[2020]1Y168);貴州省生物研究所科技計劃項目([2021]08)

*責任作者, 教授, zhousq@gzu.edu.cn