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在地球生物化学循环中,微生物对有机物分解、转化和营养物质再利用起着关键作用[1]。在细菌含量丰富、物质交换频繁的高活性沉积物中,细菌控制着营养元素的形态和去向[2],因此,研究沉积物中细菌群落结构的组成对阐明湖泊的物质循环及其生态系统功能具有重要的指导意义。
有关微生物多样性研究,已有较多文献报道。薛银刚等[3]发现,不同湖区表层沉积物细菌的物种丰富度和均匀度有差异,表现为水草区>湖心区>河口区;不同湖区优势细菌群落组成存在差异。赵大勇等[4]通过T-RFLP技术比较了太湖梅梁湾不同深度沉积物中细菌群落结构组成及多样性,结果表明,相邻近的沉积物分层中细菌群落结构的相似度较高;随着沉积物深度的增加,沉积物中优势菌属发生了一定的变化;表层沉积物与底层沉积物的细菌群落结构相差较大。寄博华等[5]通过高通量测序技术考察了滇池斗南湿地菖蒲、芦苇和美人蕉3种代表性挺水植物根区沉积物的细菌群落结构特征,结果表明,相同植物不同采样区沉积物细菌群落结构较相似,但不同植物区菌群结构差异较大。不同的人类活动对湖泊沉积物细菌群落组成有一定影响。JIN等[6]以鄱阳湖为研究对象,发现在干扰区,细菌群落多样性高于未干扰区,但主要的细菌门相似。WAN等[7]研究了5种不同营养状态湖泊底泥于冬季和夏季的细菌群落,结果表明,细菌群落的时空变化较为明显,夏季细菌多样性高于冬季,且随湖区营养状况的下降而增加。
白洋淀作为雄安新区的重要生态水体,其生态环境状况受到社会各界广泛关注。2016—2018年夏秋季,河北省监测白洋淀淀区及入淀河流水质为劣Ⅴ类,由营养盐超标导致的富营养化程度加剧[8]。自雄安新区成立以来,白洋淀流域实施了一系列污染综合整治措施,基本上遏制了水体污染加重趋势[9]。目前,富营养化湖泊底泥微生物多样性的研究已有一些报道,但多见于研究典型富营养化湖泊垂直向或水平向的微生物群落结构特征及其与环境因子之间的相关性。本研究以白洋淀6个不同富营养化程度的湖区为研究对象,应用高通量测序技术研究不同富营养化水平湖泊底泥中细菌群落结构和多样性。本研究获得的结果有利于认识白洋淀沉积物中微生物生长状况、影响因素及其与富营养化程度的关系。
白洋淀表层沉积物细菌多样性及影响因素
Bacterial diversity in surface sediments of Baiyangdian lake and its influencing factors
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摘要: 为探究不同富营养化水体沉积物中细菌群落结构的差异及驱动因素,以白洋淀表层沉积物细菌为研究对象,通过高通量测序方法,分析了2种富营养水平下细菌群落结构组成、多样性以及与环境因子的相关性。结果表明,细菌群落多样性随富营养化水平升高而下降;重度和中度富营养化水平下的细菌群落结构有差异,重度富营养化水平下绿弯菌门丰度显著提高。总体而言,不同污染程度水体沉积物细菌群落结构在门水平上没有明显差异,沉积物中的优势菌门依次为变形菌门(31%~43%)、绿弯菌门(10%~21%)和拟杆菌门(9%~20%)。微生物群落与环境因子相关性热图表明,上覆水TP和
${{\rm{NH}}_4^ + }$ -N、底泥TP和${{\rm{NO}}_3^ - }$ -N是白洋淀水体底泥细菌群落多样性的主要影响因素。白洋淀不同富营养化水体沉积物细菌多样性存在差异,磷含量是细菌群落结构的制约因素。Abstract: The purpose of this study was to explore the differences and driving factors of bacterial community structure in sediments of different eutrophic water bodies in Baiyangdian Lake. The composition and diversity of bacterial community structure under two eutrophication levels in surface sediment, as well as their correlation with environmental factors, were studied through high-throughput sequencing. The results showed that the diversity of bacterial communities decreased with the increase of the eutrophication level. The bacterial community structure was different under the severe and moderate eutrophication levels, and the abundance of Chloroflexi increased significantly under the severe eutrophication level. However, there was no significant difference in the bacterial community structure in Phylum level with different eutrophication in generally. The predominant phylum in the sediments were Proteobacteria (31%~43%), Chloroflexi (10%~21%) and Bacteroidetes (9%~20%), respectively. The heatmap of the correlation between microbial communities and environmental factors revealed that TP and${\rm{NH}}_4^ + $ -N in surface water, TP and${\rm{NO}}_3^ - $ -N in sediments were the main influencing factors of bacteria community diversity in the Baiyangdian Lake. It can be concluded that the diversity of bacteria in sediment was dissimilar in different eutrophic water, and the phosphorus content was identified as the limiting factor of bacterial community structure in Baiyangdian Lake. -
表 1 白洋淀水体富营养化评价结果
Table 1. Eutrophication evaluation results of Baiyangdian Lake
评价区域 SD/m Chla/(μg·L−1) CODMn/(mg·L−1) TN/(mg·L−1) TP/(mg·L−1) TLI/(∑) 营养程度 白沟引河入淀口 0.75 41.30 12.12 4.658 11.18 79.73 重度 府河入淀口 0.60 39.71 16.53 4.037 3.71 78.12 重度 鸳鸯岛 0.75 29.69 11.59 3.849 33.55 81.33 重度 王家寨 1.35 26.40 8.25 3.006 1.30 66.56 中度 枣林庄 1.25 23.97 13.00 3.815 0.73 67.76 中度 采蒲台 0.80 20.08 7.72 3.949 0.47 65.05 中度 表 2 不同富营养化水平采样点的环境与水质参数
Table 2. Environmental parameters of sampling points at different eutrophication levels
富营养化水平 采样点 T/℃ pH DO/(mg·L−1) Chla/(μg·L−1) 重度 白沟引河入淀口 31.00 7.26 5.60 41.30 重度 府河入淀口 32.00 6.85 4.05 39.71 重度 鸳鸯岛 29.50 7.05 4.95 29.69 中度 王家寨 30.10 6.92 3.42 26.40 中度 枣林庄 31.90 6.85 3.13 23.97 中度 采蒲台 32.20 8.13 7.48 20.08 表 3 不同富营养化水平湖泊底泥细菌群落α多样性指数
Table 3. Diversity indexes of bacterial communities in lake sediments at different eutrophication levels
富营养化程度 采样点 observed_species chao1 PD_whole_tree Shannon Simpson 重度 白沟引河入淀口 2389 3050 227 9.255 0.995 重度 府河入淀口 2265 2927 221 8.886 0.991 重度 鸳鸯岛 2307 2993 221 8.623 0.986 中度 王家寨 2668 3468 262 9.352 0.994 中度 枣林庄 2701 3438 262 9.272 0.992 中度 采蒲台 2620 3364 261 9.343 0.994 -
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