, 张平究1,2, 张经纬1,2, 陈芳1,2, 杨艳芳31. 安徽师范大学地理与旅游学院, 芜湖 241003;
2. 江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室, 芜湖 241003;
3. 安徽师范大学环境科学与工程学院, 芜湖 241003
收稿日期: 2019-08-26; 修回日期: 2019-09-20; 录用日期: 2019-09-20
基金项目: 国家自然科学基金（No.41001369，41301249）
作者简介: 于小彦(1989-), 女, E-mail:1850436538@qq.com;
张平究, E-mail:changpj2006@163.com
摘要：沉积物微生物是河流生态系统物质循环及水体净化的驱动力.为了探讨城市河流不同河段沉积物微生物量分布和群落结构特征及其影响因素，采用PLFAs分析方法和高通量测序技术获得沉积物微生物量和群落结构指标，并利用冗余分析（RDA）和相关性分析等方法探究影响河流沉积物微生物量和群落结构的主要环境因素.结果表明：除上游样点C7外，沉积物细菌优势菌门均为变形菌门，次优势菌门为绿弯菌门，优势菌纲为β-变形菌纲，次优势菌纲为γ-变形菌纲；同一河段内沉积物微生物组成和细菌群落结构相似，而不同河段间沉积物微生物组成和细菌群落结构差异明显；下游沉积物细菌多样性和丰富度（香农指数均值10.20，Chao1指数均值3011.5）显著高于中游（香农指数均值9.50，Chao1指数均值2808.2）和上游（香农指数均值9.38，Chao1指数均值2681.2）；沉积物微生物PLFAs总量和各菌群PLFAs含量均表现为中游沉积物中含量较高（PLFAs总量均值412.1 nmol·g-1），而下游（PLFAs总量均值218.6 nmol·g-1）和上游（PLFAs总量均值215.1 nmol·g-1）沉积物中含量相对较低.分析和讨论结果表明，速效钾、pH、C/P、TC、C/N和铵态氮是影响不同河段沉积物细菌群落结构特征的主要环境因子，TC、TN、C/P和pH是影响沉积物细菌多样性的主要环境因子，而速效钾、C/P、TN、TC和pH是影响不同河段沉积物微生物量分布的主要环境因子.十五里河不同河段的沉积物微生物通过微生物量和群落结构特征反映不同河段环境状况，并发挥着水体净化和河流生态系统健康维持的功能.
关键词：沉积物微生物微生物量细菌群落结构环境因子十五里河
Characteristics of distribution patterns of microbial biomass and community structures in the sediments from urban river
YU Xiaoyan1,2
, ZHANG Pingjiu1,2, ZHANG Jingwei1,2, CHEN Fang1,2, YANG Yanfang31. School of Geography and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003;
2. Key Laboratory of Earth Surface Processes and Regional Response in the Yangtze-Huaihe River Basin, Wuhu 241003;
3. School of Environmental Science and Engineering, Anhui Normal University, Wuhu 241003
Received 26 August 2019; received in revised from 20 September 2019; accepted 20 September 2019
Abstract: Sediment microorganisms play an important role in the geochemical cycles and transformation of pollutants and water cleaning in river ecosystems. Microbial biomass and community structures, measured by PLFAs analysis and 16S rRNA gene-based Illumina MiSeq sequencing, were investigated at different reaches in the Shiwuli River, Caohu Lake. Redundancy analysis (RDA) and correlation analysis between microbial indexes and environmental factors were conducted to explore the main driving factors affecting microbial biomass and community structures. The results showed that, except sampling site C7, the most dominant sediment bacteria along the river at phylum level were Proteobacteria and followed by Anaerolineae in all other sampling sites, while at class level Betaproteobacteria were the most dominant and followed by Gammaproteobacteria. The microbial composition and bacterial community structures in the sediments from the lower, middle and upper reaches showed significant difference, while the microbial composition and bacterial community structures in the same river reaches were similar. The diversities and richness of bacterial communities in the sediments from the lower river reaches were significantly higher than those in the middle and upper reaches (the average Shannon indices and the average Chao1 indices were 10.20 and 3011.5, 9.50 and 2808.2, 9.38 and 2681.2, respectively). The total microbial PLFAs and different group microbial PLFAs content was higher in the sediments from the middle reaches than that from the lower and upper reaches (the average total PLFAs content was 412.1, 218.6 and 215.1 nmol·g-1, respectively). The results together showed that environmental factors including available potassium, pH, C/P, TC, C/N and ammonia-N were the main driving factors affecting bacterial community structures, among which TC, TN, C/P and pH mainly affected the bacterial diversities, while available potassium, C/P, TN, TC, TN, and pH mainly influenced the microbial biomass distribution patterns along the river. In summary, the sediment microorganism characteristics including microbial biomass and microbial community structure at different reaches along the Shiwuli River are suitable indicators reflecting the environmental conditions, and sediment microorganisms play an important role in the river water purification and ecosystem health and sustainability.
Keywords: sediment microbemicrobial biomassbacterial community structureenvironmental factorShiwuli River
1 引言(Introduction)随着我国城市化发展进程加速, 城市河流污染问题日趋严重.沉积物是城市河流生态系统的重要组成成分, 是该流域陆源污染物的“汇”, 也是水体各种污染物的“源”和“汇”.沉积物微生物是河流生态系统物质循环和健康维持的驱动力, 同时, 污染和富营养化等水质变化又可促使沉积物微生物群落发生改变(Gibbons et al., 2014；屈建航等, 2007；Ruiz-González et al., 2015).研究表明, 水体富营养化导致营养物质增加, 可促进某类群微生物大量繁殖, 进而使微生物量显著增加(冯胜等, 2007；朱亮等, 2013), 但富营养化所导致的生态环境条件恶化又可造成微生物多样性下降(冯胜等, 2007)；污染物严重超标的污水也可促使沉积物的微生物群落多样性降低, 而与污染物降解有关的功能微生物类群明显富集(赵际国等, 2007).城市河流不同河段所在的流域土地利用方式不同, 使得陆源进入水体的微生物组成存在差异(Ruiz-González et al., 2015)；同时, 人类活动产生的未处理或未完全处理的生活污水、工业废水及农田排水给城市河流带来了大量营养物质和污染物, 进入河流的营养物质与污染物的类型和浓度存在差异, 导致不同河流沉积物理化指标也存有差异, 从而对河流沉积物中的微生物数量及群落结构产生影响(Abia et al., 2018；Guo et al., 2016；Ibekwe et al., 2016；杨长明等, 2018；Yang et al., 2019), 进而可能影响沉积物的微生物生态功能(Bahram et al., 2018；Gibbons et al., 2014；Liu et al., 2019；阴星望等, 2018).因此, 河流沉积物微生物量和群落结构均是城市河流生态系统环境变化和演替的重要指标, 它们在河流的空间分布特征对于评估城市河流生态功能和生态系统健康状况等方面具有重要意义.
十五里河是巢湖主要入湖河流之一, 也是巢湖环湖河流中富营养化最为严重的河流之一, 其水质状况常年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类, 近年来政府实施了一系列治理措施, 如修建污水处理厂、河道底泥清淤、生态修复等, 但水体污染状况仍然严峻(安徽省生态环境厅, 2017).当前已有****对十五里河沉积物不同形态氮磷分布(李如忠等, 2012；李如忠等, 2019)、沉积物磷平衡浓度对外源碳的响应(李如忠等, 2019)、重金属、多环芳烃等污染物及其来源(匡武等, 2015；李如忠等, 2010)等进行了一定研究, 但对河流生态系统中营养物质和污染物转化及消减具有重要作用的沉积物微生物的研究报道甚少.基于此, 本研究采用PLFAs分析方法和高通量测序技术对十五里河沉积物微生物量和群落结构及多样性指数进行分析, 并采用冗余分析(RDA)结合相关性分析方法探讨微生物量和群落结构与主要环境因子间的联系, 探讨不同河段微生物量和微生物多样性分布是否存在耦合现象及其驱动因素.以期为十五里河生态健康状况评价及丰富对河流沉积物微生物分布特征的认识提供资料, 并为富营养化河流的污染治理和微生物生态修复提供一定参考.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究区概况十五里河发源于合肥市大蜀山东南麓, 自西北向东南流淌, 流经合肥西南城区, 在义城镇同心桥注入巢湖(匡武等, 2015).十五里河从下游往上游主要支流有圩西河(位于下游)、许小河(位于中游)及王年沟和幸福渠, 其中, 骆岗机场附近的洪水排放进入王年沟, 而希望渠是高王村等附近村庄生活废弃物的排放出口, 为农业灌溉和排水的渠道.十五里河上游河段为城市河道, 且上游河段沿线附近为合肥市市政务新区、高新技术开发区所在地；中游河段为城市在建区, 且以望湖城、骆岗机场和包河工业园等商品住宅和低污染工业园为主；下游河段为城郊河道, 以农田、湿地和景观建设用地为主(李如忠等, 2019；匡武等, 2015).
2.2 样品采集与处理2017年8月, 对十五里河入巢湖河口至天鹅湖河段进行实地考察, 并设置了如下8个采样点(图 1), 其中, C1位于十五里河靠近入湖口处, 希望桥下；C2位于排污口附近；C3在十五里河支流圩西河入河口附近, 且附近为前杨村桥；C4位于排污口处, 且附近为大板桥所在地；C5位于许小河和十五里河交汇处；C6靠近排污口处, 其附近为高王桥；C7是以药品制造厂为主的排污口处, 且为河流拐弯, 水流极缓, 与河流连接处设有堤坝；C8位于两处溢流坝中间.其中, C1~C3位于十五里河下游河段, C4和C5位于中游河段, C6、C7和C8位于上游河段.C5以上十五里河河段大部分河床裸露、水流较急, 而该河段内的拦河坝可能进行了底泥清淤处理, 沉积物多为砂质, 因此, C5以上河段布设的采样点较少.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 采样点分布图 Fig. 1Location of the sampling sites |
2018年3月, 采用抓斗式底泥采样器对0~10 cm左右的表层沉积物进行采集, 一个采样点采集3个混合样, 每个混合样用抓斗式底泥采样器抓3次, 混合起来, 用自封袋进行封装, 装入放有冰袋的冷藏箱带回实验室.去除肉眼可见的细根、砾石等杂物, 将采集的沉积物分成3份.一部分直接冷冻干燥, 用于PLFAs和高通量测序分析；一部分放进干净烧杯中加灭菌超纯水, 水面高于土面约1 cm, 放进恒温箱, 在25 ℃下恒温培养7 d, 用于微生物生物量测定；一部分进行自然风干后过2 mm筛, 进行理化性质分析, 其中一部分用玛瑙研钵研磨后过100目筛用于沉积物磷的测定, 另一部分研磨后过200目筛, 用Elementar元素分析仪测定.
2.3 指标测定沉积物铵态氮、全磷(TP)、有效磷和速效钾参考土壤农业化学分析方法测定(鲁如坤, 1999), 硝态氮采用紫外分光光度法测定(宋歌等, 2007).沉积物pH按水土质量比5:2测定.沉积物总有机碳(TC)和全氮(TN)采用Elementar元素分析仪测定.微生物量磷和微生物量碳采用液氯熏蒸浸提-水浴法测定(鲁如坤, 2000；陈果等, 2006).
PLFAs含量测定：采取修正的Bligh&Dyer方法进行磷脂脂肪酸提取(Bligh et al., 1959).具体步骤：取3 g冻干土于50 mL三角瓶中, 用磷酸缓冲液-氯仿-甲醇缓冲液(体积比为3.2:4:8)振荡提取脂类, 通过固相抽提柱层析得到磷脂脂肪酸, 然后经过碱性甲基化得到磷脂脂肪酸甲脂, 采用MIDI微生物鉴定仪(Agilent 7890A)进行检测.将单个磷脂脂肪酸摩尔百分比低于0.4%的剔除, 筛选得到41种标记物, 磷脂脂肪酸鉴定分为6类(李明等, 2015):真菌(16:1 w5c、18:2 w6c)；放线菌(16:0 10-methyl、17:0 10-methyl、18:1 w7c 10-methyl、18:0 10-methy1)；革兰氏阴性细菌(12:1 w8c、14:1 w9c、16:1 w6c、16:1 w3c、16:1 w7c DMA、17:1 w6c、17:1 w8c、17:0 cyclo w7c、18:1 w9c、18:1 w7c、19:0 cyclo w7c、20:1 w9c、22:1 w8c)；革兰氏阳性细菌(13:0 iso、14:0 iso、15:1 iso w6c、15:0 iso、15:0 anteiso、16:0 iso、17:1 iso w9c、17:0 iso、17:0 anteiso、18:0 iso)；一般细菌(12:0、13:0、14:0、15:0、16:0、17: 0、18:0、20:0、24:0)；厌氧菌(15:0 DMA、16:2 DMA、18:2 DMA).
细菌高通量测序：沉积物样品送于派森诺生物公司进行测序.首先进行DNA提取, 通过0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量, 采用紫外分光光度计对DNA进行定量.PCR扩增采用NEB公司的Q5高保真DNA聚合酶.PCR扩增产物回收采用AXYGEN公司的凝胶回收试剂盒；对于PCR扩增回收产物荧光定量, 采用的荧光试剂为Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit.最后以扩增产物为模板进行Illumina MiSeq测序文库的制备, Illumina MiSeq系统测序V4~V5区.引物515F为GTGCCAGCMGCCGCGGTA, 907R为CCGTCAATT CMTTTRAGTTT.测序所得结果, 首先采用滑动窗口法对FASTQ格式的双端序列逐一作质量筛查, 然后利用FLASH软件对通过质量初筛的双端序列根据重叠碱基进行配对连接：要求Read 1和Read 2两条序列的重叠碱基长度≥10 bp, 且不允许碱基错配, 从而获得每个样本的有效序列；应用QIIME软件进行疑问序列的剔除及序列数统计.
2.4 数据分析与处理利用EXCEL2010对试验数据(土壤理化性质、微生物量、微生物PLFAs)进行初步处理和制图.应用SPASS 20对数据进行单因素方差分析.采用CANOCO 5软件对环境因子与微生物量和群落结构进行冗余分析(RDA)(赖江山, 2013).使用QIIME软件v1.8.0进行OTU划分和分类地位鉴定, 计算Simpson、Chao1、ACE、Shannon多样性指数, 获取采样点在门和纲分类水平上的组成和相对丰度分布表.使用R软件, 对丰度前50位的属进行聚类分析并绘制热图.
3 结果与分析(Results and analysis)3.1 河流沉积物的基本化学性质特征沉积物化学性质是影响微生物的重要环境因子.十五里河沉积化学性质特征总体如表 1所示.8个采样点pH值为6.72~7.36, 平均值为7.08, pH值表现为：下游(6.74~7.06)＜中游(7.07~7.20)＜上游(7.27~7.36).沉积物总有机碳(TC)和全氮(TN)分别为16.84~50.69 g·kg-1和1.78~4.10 g·kg-1, 且两者的变化趋势一致, 总体表现为中上游沉积物TC(35.0~50.7 g·kg-1)和TN(3.06~4.10 g·kg-1)含量比下游沉积物TC(16.8~25.6 g·kg-1)和TN(1.78~2.37 g·kg-1)含量高, 且最大值均出现在C7点位.沉积物铵态氮和硝态氮含量分别为17.43~41.98 mg·kg-1和4.94~54.73 mg·kg-1, 其中, 铵态氮含量在靠近入湖口处(C1)和上游(C8、C7)较高, 而其他采样点之间没有显著规律性；沉积物硝态氮除上游C7点位含量显著高于其他采样点外, 不同河段沉积物硝态氮含量分布没有明显的规律性.河流沉积物全磷(TP)含量为1.21~2.37 g·kg-1, 且下游C1、C2和上游C7的TP含量较高，分别为1.76、1.99和2.37 g·kg-1, 上游C8的TP含量最低为1.21 g·kg-1, 有效磷含量在70.0~170.8 mg·kg-1之间, 最大值出现在上游C7处, 最小值出现在C8处.沉积物速效钾含量为160.3~292.7 mg·kg-1, 下游沉积物速效钾含量(238.9~292.7 mg·kg-1)高于中游(211.0~239.9 mg·kg-1)和上游河段(160.3~228.4 mg·kg-1).沉积物碳氮比(C/N)为9.04~13.66, 表现为上游(12.24~17.43)>中游(11.93~12.13)>下游(9.04~10.34).沉积物碳磷比(C/P)总体为9.13~30.46, 上游(22.64~30.46)和中游(20.74~26.93)C/P值高于下游(9.13~19.37).总体上, 除了TP和速效钾, 十五里河中、上游沉积物化学性质指标均高于下游河段.
表 1(Table 1)
| 表 1 河流沉积物化学性质特征 Table 1 Characteristics of chemical properties in the studied sediments | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 河流沉积物化学性质特征 Table 1 Characteristics of chemical properties in the studied sediments
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3.2 河流沉积物微生物群落结构特征3.2.1 河流沉积物微生物各菌类的百分比、真菌/细菌和G+/G-各菌类百分比、真菌/细菌和G+/G-在一定程度上可指示微生物群落结构体特征(董黎明, 2011；张丁卯等, 2016).十五里河沉积物的微生物主体为细菌(73.1%~92.0%), 其中主要为革兰氏阴性菌(G-)和阳性菌(G+), 而真菌和放线菌所占百分比较小(表 2).除采样点C7, 上游沉积物细菌所占百分比低于中、下游；而沉积物真菌、革兰氏阳性菌和厌氧菌所占的百分比则是下游低于中、上游；且下游沉积物放线菌和革兰氏阴性菌所占百分比高于中、上游.河流沉积物真菌/细菌值为0.049~0.112, 除采样点C7外, 上游沉积物真菌/细菌值均高于中、下游.河流沉积物G+/G-值为0.45~0.84, 除采样点C8外, 河流中、上游的沉积物G+/G-值均高于下游.总体上, 从各菌类百分比量、真菌/细菌和G+/G-反映出不同河段沉积物具有不同微生物群落结构特征.
表 2(Table 2)
| 表 2 沉积物各菌群PLFAs占PLFAs总量的百分比、真菌细菌比和G+/G- Table 2 Percentages of different microbial population PLFAs in total PLFAs and ratios of Fungi:bacteria and G+/G- | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 沉积物各菌群PLFAs占PLFAs总量的百分比、真菌细菌比和G+/G- Table 2 Percentages of different microbial population PLFAs in total PLFAs and ratios of Fungi:bacteria and G+/G-
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3.2.2 河流沉积物细菌群落结构特征本研究选择了序列长度≥150 bp, 且剔除了5′端引物错配碱基数>1的序列、含有连续相同碱基数> 8及存在模糊碱基N的序列, 十五里河8个样点共获得有效序列数为299890条, 平均长度为372.9 bp.以97%的序列相似度作为OTU划分阈值, 并将丰度值低于全体样本测序总量0.001%(十万分之一)的OTU去除, 共获得9558个OTU.8个样点沉积物细菌在门、纲、目、科的OTU数均表现为下游OTU数较高, 尤其是靠近入湖口处, 均显著高于中游和上游.
十五里河沉积物在门分类水平上, 变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度较高(图 2a).且除样点C7的优势菌门为绿弯菌门(相对丰度26.99%), 次优势菌门为变形菌门(相对丰度25.08%)外；C1~C6和C8的优势菌门均为变形菌门(相对丰度36.01%~53.47%), 次优势菌门在下游河段为绿弯菌门(相对丰度8.07%~16.31%), 其中, 下游沉积物中变形菌门、酸杆菌门和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的相对丰度均高于中、上游沉积物；中游次优菌门为拟杆菌门(相对丰度13.43%~19.76%), 相对丰度高于下游和上游沉积物；上游次优菌门为厚壁菌门(相对丰度7.85%~18.79%), 其中, 厚壁菌门和广古生菌门(Euryarchaeota)在中、上游沉积物的相对丰度高于下游.在纲分类水平上变形菌门中的β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria), 绿弯菌门的厌氧绳菌纲(Anaerolineae)和厚壁菌门的梭菌纲(Clostridia)相对丰度较高(图 2b).除上游河湾C7的优势菌纲为厌氧绳菌纲, 次优势菌纲为δ-变形菌纲外, 十五里河其他样点沉积物优势菌纲均为β-变形菌纲(相对丰度13.38%~28.04%), 次优势菌纲均为γ-变形菌纲(相对丰度8.19%~14.74%)；中、上游沉积物厚壁菌门的梭菌纲(Clostridia)相对丰度明显高于下游, 而下游沉积物δ-变形菌纲、Subgroup_6和芽单胞菌纲(Gemmatimonadetes)明显高于中、上游.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 河流沉积物细菌群落在门(a)和纲(b)水平上的组成和相对丰度 Fig. 2Composition and relative abundance of bacterial communities at class level in the sediments |
对丰度前50位的属进行聚类分析并绘制热图(图 3), 红色代表对应样本中丰度较高的属, 绿色代表丰度较低的属.十五里河下游C1、C2和C3沉积物细菌群落结构聚类为一大类群, 其中, 地杆菌属(Geobaccter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、短波单胞菌属(Brevundimonas)、厌氧粘细菌(Anaeromyxobacter)和苯基杆菌属(Phenylobacterium)均出现在C1、C2和C3点位, 且丰度显著高于其他河段.中游C4和C5沉积物细菌群落结构聚类为一大类群, 其中, 食酸菌属(Acidovorax)、动胶菌属(Zoogloea)和小纺锤状菌属(Fusibacter)丰度均较高于其他河段.上游C6和C8沉积物细菌群落结构聚为一类, 其中, BD1-7_clade、脱硫化李子菌属(Desulfoprunum)、亮杆菌属(Leucobacter)及微杆菌属(Microbacterium)在C6和C8处的丰度均较高.而上游C7单独聚类为一类群, 其中, 史密斯氏菌属(Smithella)、Caldisericum、纤绳菌属(Leptolinea)和长绳菌属(Longilinea)的丰度在C7显著高于其他采样点.
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 河流沉积物细菌群落组成热图 (属水平, 红色代表在对应样本中丰度较高的属，绿色代表丰度较低的属，图例数据是对颜色的赋值) Fig. 3Heat map of bacterial communities at genus level in the sediments |
Chao1或ACE指数越大, 表明群落的丰富度越高.Shannon指数综合考虑了群落的丰富度和均匀度, 该指数越高, 表明群落的多样性越高.Simpson指数越高, 则表明群落优势度越高.十五里河沉积物细菌Chao1和ACE指数分别为2464.3~3344.0和2490.4~3648.1(表 3), 且两者的变化趋势一致, 均表现为C1和C2处的指数较高, 其次为C4处, 而其他采样点之间没有显著差异性；Simpson指数和Shannon指数分别为0.99421~0.99791和9.30~10.32.总体上, 河流下游沉积物微生物Shannon指数、Simpson指数和Chao1指数均值分别为10.20、0.99769和3011.5, 显著高于中游(9.50、0.99502、2808.2)和上游(9.38、0.999471、2681.2).十五里河下游河段沉积物细菌群落丰富度、多样性和优势度均高于中游和上游河段.
表 3(Table 3)
| 表 3 河流沉积物细菌各项Alpha多样性指数 Table 3 Alpha diversity indexes of bacterial populations in the sediments | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 河流沉积物细菌各项Alpha多样性指数 Table 3 Alpha diversity indexes of bacterial populations in the sediments
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3.3 河流沉积物微生物量分布特征微生物量的大小既能反映出微生物的多少, 又能反映出微生物对沉积物中物质的转化潜力.沉积物PLFAs既能指示微生物量, 其组分也能指示微生物组成.十五里河沉积物PLFAs总量和细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性菌(G+)、革兰氏阴性菌(G-)及厌氧菌PLFAs含量分别为158.1~430.7、142.5~383.9、7.0~25.7、4.3~12.0、30.0~102.6、56.8~153.6、2.1~7.5 nmol·g-1.沉积物各类群细菌PLFAs含量均表现为中游(C4、C5)含量较高, 而下游(C1、C2、C3)及上游(C6、C7、C8)沉积物含量较低(表 4).总体上, 中游沉积物PLFAs总量(均值412.1 nmol·g-1)显著高于下游(均值218.6 nmol·g-1)和上游沉积物中的含量(均值215.1 nmol·g-1).
表 4(Table 4)
| 表 4 河流沉积物微生物量和PLFAs含量分布特征 Table 4 Distribution patterns of microbial biomass content and PLFAs concentration in the sediments | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 河流沉积物微生物量和PLFAs含量分布特征 Table 4 Distribution patterns of microbial biomass content and PLFAs concentration in the sediments
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本研究中沉积物微生物量碳(MBC)含量为632.0~3572.3 mg·kg-1, 且除入湖口附近, 在下游和中游河段含量较高, 最大值出现在C5处, 为3572.3 mg·kg-1, 而上游和靠近入湖口处(C1)的MBC含量较低(表 4).微生物量磷(MBP)和MBC的变化趋势基本一致, 含量为15.2~111.8 mg·kg-1, 且MBP的最大值也出现在C5处, 为111.8 mg·kg-1.总体上, 十五里河中、下游微生物量较高, 与河流沉积物PLFAs含量分布状况基本一致.
3.4 河流沉积物微生物指标与环境因子间的相关性分析和冗余分析十五里河沉积物pH、TC、TN、C/N、硝态氮、速效钾和C/P与各菌类百分比、菌类比值和Alpha多样性指数呈显著相关关系(表 5).沉积物微生物量与环境因子的相关性分析结果如表 6所示.沉积物pH与真菌、厌氧菌和微生物量磷显著正相关；TC仅与厌氧菌显著正相关, 而TN仅与厌氧菌和G+正相关；硝态氮和铵态氮与微生物量呈负相关, 但仅铵态氮与细菌、放线菌、G-和微生物量碳的相关关系存在显著性；TP与微生物PLFAs总量和真菌存在显著负相关；其中, 速效钾与放线菌、G-和微生物量碳显著正相关；C/P与微生物PLFAs总量、真菌、厌氧菌和微生物量磷显著正相关.β-变形菌纲和γ-变形菌纲与环境因子总体上呈负相关, δ-变形菌纲、厌氧绳菌纲和梭菌纲与环境因子总体上呈正相关.
表 5(Table 5)
| 表 5 沉积物环境因子与细菌群落结构指标的相关性分析 Table 5 Correlation analysis of bacterial community indexes and environmental factors in studied sediments | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 5 沉积物环境因子与细菌群落结构指标的相关性分析 Table 5 Correlation analysis of bacterial community indexes and environmental factors in studied sediments
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表 6(Table 6)
| 表 6 沉积物环境因子与微生物量指标的相关性分析 Table 6 Correlation analysis of microbial PLFAs and environmental factors in the studied sediments | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 6 沉积物环境因子与微生物量指标的相关性分析 Table 6 Correlation analysis of microbial PLFAs and environmental factors in the studied sediments
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采用冗余分析方法(RDA)对纲水平上细菌群落结构和环境因子间的关系进一步分析, 结果如图 4a所示.RDA分析表明, 速效钾、pH、C/P、TC、C/N和铵态氮是解释沉积物细菌分布的主要环境因子, 单独解释量分别为38.1%、29.8%、26.7%、26.5%、24.0%和20.2%, 且均达到显著水平(p < 0.01), 硝态氮、TP和TN也达到显著水平；若按照不断加入环境因子后所能增加的解释量计算, 速效钾、C/P、有效磷、硝态氮和C/N解释量分别为38.1%(p=0.00)、15.6%(p < 0.01)、9.1%(p=0.00)、10.3%(p=0.00)和4.1%(p=0.03).不同河段沉积物微生物量和环境因子冗余分析(RDA)结果如图 4b所示.C/P、铵态氮、TP和pH是解释沉积物微生物量分布的主要环境因子, 单独解释量分别为20.6%(p=0.02)、17.9%(p=0.03)、17.6%(p=0.02)和13.6%(p=0.06), 若按照不断累积加入环境因子后所能增加的解释量(赖江山, 2013)计算, C/P、C/N和速效钾的解释量分别为20.6%(p=0.02)、31.1%(p=0.00)和9.3%(p=0.02).
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 沉积物微生物指标与环境因子的RDA分析(a.微生物群落结构；b.微生物量) Fig. 4Redundancy analysis of microbial indexes and environmental factors in the studied sediments |
4 讨论(Discussion)沉积物微生物各菌类所占百分比、真菌/细菌和G+/G-均表明, 十五里河不同河段沉积物微生物群落结构特征差异显著.除上游河湾处的样点C7沉积物细菌优势菌门为绿弯菌门和次优势菌门为变形菌门外, 河流其他样点沉积物细菌优势菌门均为变形菌门, 次优势菌门均为绿弯菌门；且变形菌门中的β-变形菌纲、γ-变形菌纲和δ-变形菌纲相对丰度较高, 绿弯菌门的厌氧绳菌纲相对丰度较高.其中, 河流下游沉积物中变形菌门、酸杆菌门和芽单胞菌门相对丰度均高于中、上游沉积物；中游拟杆菌门相对丰度高于下游和上游沉积物；而厚壁菌门和广古生菌门(Euryarchaeota)在中、上游沉积物中相对丰度高于下游.在纲水平上, 河流中、上游沉积物厚壁菌门的梭菌纲相对丰度明显高于下游, 而下游沉积物δ-变形菌纲、Subgroup_6和芽单胞菌纲明显高于中、上游.这些优势菌门和菌纲在富营养化严重的南淝河(杨长明等, 2018)、北运河(Yang et al., 2019)和南加州的圣塔安纳河(Ibekwe et al., 2016)的沉积物中也均为细菌优势种群, 同时与重金属污染、有机污染和造纸污水污染的河流沉积物细菌组成基本一致(Guo et al., 2016；Liu et al., 2018).变形菌门、拟杆菌门、绿湾菌门和厚壁菌门均是药厂废水污泥和受污染的河流沉积物的主要细菌(Liu et al., 2018), 污水排放可导致河流沉积物酸杆菌门、绿湾菌门和δ-变形菌纲和厚壁菌门增加, 而γ-变形菌纲和疣微菌门降低(Balcázar et al., 2014).梭菌纲是指示污水排放的细菌指标(Guo et al., 2016)；β-变形菌纲包含了固氮细菌, 为沉积物提供了更强的固氮能力(王鹏, 2018), 是富营养化沉积物的主导微生物, 适合生活在较高富营养化的水环境中(杨长明等, 2018；Yang et al., 2019)；γ-变形菌纲是海洋和湖泊环境中的细菌重要类群, 以硫酸盐为电子受体降解有机物, 在厌氧条件下参与厌氧氨氧化作用(Freitag et al., 2003)；δ-变形菌纲大部分成员生存在厌氧环境, 且存在严格厌氧的细菌, 沉积物氧含量越高, 沉积物δ-变形菌纲的相对丰度越低(姜磊等, 2020)；绿弯菌门中丰度较高的厌氧绳菌纲, 属于兼性厌氧细菌, 能够发酵代谢多种碳源, 也具有反硝化功能(王慎等, 2019).本研究中沉积物的β-变形菌纲和γ-变形菌纲相对丰度与碳、氮、磷养分呈负相关, 而δ-变形菌纲、梭菌纲和厌氧绳菌纲则与碳、氮、磷养分呈正相关(表 5).因此, 十五里河沉积物主要细菌种群类别与其水质状况常年处于Ⅴ类或劣Ⅴ类水平(安徽省生态环境厅, 2017)和沉积物氮、磷养分含量也较高(表 1)的情境吻合, 在门和纲水平上基本反映了沉积物环境状况.
河流上游沉积物的假单胞菌属、短波单胞菌属、地杆菌属、厌氧粘细菌和苯基杆菌属丰度高于其他河段.其中, 短波单胞菌属有降解有机磷农药的功能；地杆菌属和厌氧粘细菌在稻田中丰富存在, 并参与变价重金属氧化还原, 具有有机卤化物的生物代谢功能(顾欣等2019；朱超等, 2011).中游沉积物的食酸菌属、动胶菌属和小纺锤状菌属丰度高于其他河段沉积物.食酸菌属可参与砷的氧化还原, 而动胶菌属在许多污水处理厂活性污泥中均占有优势地位(安卫星等, 2016).上游沉积物的BD1-7_clade、脱硫化李子菌属、亮杆菌属及微杆菌属丰度均显著高于其他河段, 这些菌属与铬还原和硫循环密切相关, 其中, 微杆菌属具有能降解燃料油中含硫杂环化合物的功能(张英等, 2005)；上游样点C7的史密斯氏菌属、Caldisericum、纤绳菌属和长绳菌属的丰度较高, 其中, Caldisericum和纤绳菌属在苯胺黑药废水中大量存在, 而长绳菌属则是印染废水污泥中的优势菌属(王学华等, 2014；杨梓亨等, 2017).不同河段沉积物细菌在属水平上较明显地反映了不同河段土地利用方式.十五里河下游以农田、湿地和景观建设用地为主, 中游河段以商品住宅和低污染工业园为主, 上游河段沿线附近为合肥市市政务新区、高新技术开发区所在地(李如忠等, 2019；匡武等, 2015), 而C7附近以药品制药厂为主.土地利用方式不同会导致污染物类型、污染源和沉积物理化指标的不同, 进而影响河流沉积物细菌群落结构(Abia et al., 2018；Ibekwe et al., 2016；杨长明等, 2018).已有研究表明, 十五里河不同河段所在流域排放进入沉积物的污染物存在显著差异(安徽省生态环境厅, 2017；匡武等, 2015；李如忠等, 2012；2019；2010).本文研究结果也表明十五里河不同河段沉积物化学指标存在差异(表 1), 而TP、硝态氮、pH值和总有机碳是影响沉积物细菌种群和细菌群落结构差异的环境因子(Wang et al., 2018；王鹏等, 2018).RDA分析结果也表明, 沉积物速效钾、pH、C/P、TC、C/N和铵态氮是解释不同河段沉积物细菌群落结构特征的主要环境因子, 其中, 速效钾和C/P具有相对较高的累积解释量.总体上, 相对于门和纲水平, 沉积物细菌在属水平上更能反映不同河段沉积物环境状况.
沉积物微生物多样性和丰富度在很大程度上取决于环境营养状况和污染状况(冯胜等, 2007；Gao et al., 2017；姜磊等, 2020；杨长明等, 2018；赵际国等, 2007).全球表层土壤细菌多样性主要由环境因子决定, 物种多样性受pH和养分调节(Bahram et al., 2018).本研究发现, 下游河段沉积物细菌群落Chao1和ACE指数及Simpson指数和Shannon指数均显著高于中游和上游, 而下游河段附近以农田、湿地和景观建设用地为主(匡武等, 2015；李如忠等, 2019), 各营养元素含量较低(表 1), 且相关性分析结果表明微生物多样性和丰富度与沉积物营养元素(TC和TN)、C/P、C/N和pH总体上呈显著负相关(表 5).水体细菌群落多样性随水体营养水平增加呈现显著的下降趋势(冯胜等, 2007), 同时有机染污物超标的生活污水排污道沉积物中的微生物多样性也呈现降低趋势(赵际国等, 2007).上面讨论已表明不同河段的土地利用方式差异导致了不同河段沉积物细菌群落结构特的差异.相对于其他土地利用方式, 人类聚居点对河流沉积物细菌多样性影响最大, 人类聚居活动导致的污染物排放越多, 细菌多样性指数越小(Abia et al., 2018).下游河段附近以农田、湿地和景观建设用地为主, 相对中、上游的人类聚居地, 污染物排放相对较少.总之, 十五里河中游由于相对较高的营养和污染水平, 沉积物细菌多样性指数和丰富度指数较低, 而下游由于相对较低的营养和污染水平, 促使沉积物细菌多样性指数和丰富度指数最高.
十五里河沉积物微生物量碳、磷和各菌群微生物PLFAs含量及PLFAs总量均表现为中游河段沉积物含量较高, 而下游和上游河段沉积物含量较低, 这可能是因为中游以商品住宅和工业园为主, 且中游C5位于许小河和十五里河交汇处, C4位于排污口处(匡武等, 2015；李如忠等, 2019), 导致排放进入中游河段的工业和生活污水较多, 沉积物营养元素含量较高(表 1).沉积物微生物量与营养元素的含量密切相关, 营养元素含量高时, 微生物的数量大, 反之则小(张丁予等, 2016；朱亮等, 2013).也有研究表明向水体中长期排放高浓度有机物能使系统中微生物群落多样性降低, 但与污染物降解相关的功能微生物类群明显富集(赵际国等, 2007).从十五里河沉积物营养指标与微生物量相关性分析发现, 沉积物微生物量碳、磷和PLFAs总量及各菌群PLFAs含量与速效钾、C/P、TN、TC和pH呈正相关(表 6).同时RDA分析结果也显示, 沉积物C/P、铵态氮、TP、pH、C/N和速效钾对该河流沉积物微生物量具有显著的高解释量, 其中C/P是最主要的环境影响因素.因此, 十五里河不同河段沉积物营养水平及污染状况是导致沉积物微生物量和微生物多样性分布状况不一致的重要因素.
综上所述, 十五里河不同河段土地利用方式存在差异, 因而陆源物质输入存在差异, 促使沉积物物理化学性质、营养状况及污染状况发生改变, 沉积物微生物通过调整种群组成和丰度以适应环境, 导致微生物量和群落结构发生变化, 并发挥着对河流生态系统物质转化和水体净化的功能, 进而减缓或改变陆源污染对巢湖湖泊生态系统的影响.
5 结论(Conclusions)1) 十五里河下游、中游和上游河段沉积物微生物组成及门、纲和属水平上的细菌群落结构均差异明显, 但同一河段内沉积物微生物组成和细菌群落结构相似(除C7), 反映了不同河段沉积物环境状况；相对于门和纲水平, 沉积物细菌在属水平上更能反映不同河段沉积物环境状况.
2) 不同河段沉积物微生物多样性和丰富度与微生物量分布特征存在明显差异.十五里河中游沉积物各菌群微生物量和微生物总量显著高于下游和上游, 而下游靠近入湖口沉积物细菌群落多样性和丰富度显著高于中游和上游.
3) 沉积物环境因子影响着十五里河不同河段沉积物微生物量分布和群落结构特征.速效钾、C/P、TN、TC和pH是影响微生物总量的主要环境因子, 硝态氮、铵态氮、TN和TP是影响细菌群落结构的主要环境因子, TC、TN、C/P和pH是影响微生物多样性的主要环境因子.
4) 不同河段外源物质输入存在差异, 改变了沉积物理化性质指示的环境, 而沉积物微生物通过调整微生物量和群落结构做出响应.调整后的沉积物微生物对于十五里河水体净化和河流生态系统健康维持具有重要作用, 改变了合肥城市污水排放对巢湖湖泊生态系统的影响.有关十五里河不同河段沉积物微生物具体生态功能特征及差异性还需进一步研究.
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