象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落分布

胡常巨，熊金波，陳和平,，王 凱，葉 然，崔永平，朱建林，張德民,*

1寧波大學海洋學院，寧波 315211 2寧波大學建筑工程與環(huán)境學院，寧波 315211 3寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，寧波 315012

象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落分布

胡常巨1，熊金波1，陳和平1,2，王 凱1，葉 然3，崔永平3，朱建林2，張德民1,*

1寧波大學海洋學院，寧波 315211 2寧波大學建筑工程與環(huán)境學院，寧波 315211 3寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，寧波 315012

近海集約化養(yǎng)殖是導致我國近海污染的主要來源之一。浮游細菌在近海生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮重要作用，研究海洋浮游細菌群落對養(yǎng)殖活動的響應，對于指示和評價海水養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要意義。采集了象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)3個深度，包括表層(0.5m)、中層(2.5m)、底層(8.0m)的水樣，利用焦磷酸測序技術(shù)測定16S rRNA 基因，研究浮游細菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。結(jié)果表明：網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動不僅使得附近區(qū)域水體理化性質(zhì)發(fā)生改變，如化學需氧量濃度顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)域，而且顯著地(P<0.05)改變了浮游細菌的群落結(jié)構(gòu)，但不同深度間群落結(jié)構(gòu)和多樣性的差異不顯著。網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)中主要浮游細菌類群為α-變形菌(Alphaproteobacteria)、γ-變形菌(Gammaproteobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、放線菌(Actinobacteria)、β-變形菌(Betaproteobacteria)、ε-變形菌(Epsilonproteobacteria)和其它變形菌(Unclassified Proteobacteria)，占細菌總序列數(shù)的98.64%。有些細菌類群的平均相對豐度從網(wǎng)箱區(qū)到非養(yǎng)殖區(qū)差異顯著，如擬桿菌(P<0.01)和放線菌(P<0.05)顯著降低，而γ-變形菌(P<0.05)顯著增加。相似度分析表明γ-變形菌、α-變形菌和擬桿菌是造成網(wǎng)箱區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)群落差異的主要類群，對群落差異總貢獻率達到45.02%。偏冗余分析表明，影響細菌群落分布的主要環(huán)境因子有化學需氧量、磷酸鹽、銨鹽和總有機碳，共解釋38.18%的群落變異，空間距離單獨解釋10.66%的群落變異。實驗結(jié)果表明，養(yǎng)殖活動導致浮游細菌群落的改變, 其中擬桿菌、放線菌和γ-變形菌的豐度顯著變化，可能用于評價養(yǎng)殖水體的水質(zhì)狀況。

浮游細菌；群落組成；網(wǎng)箱養(yǎng)殖；環(huán)境因子

海產(chǎn)品需求急劇增長和海洋捕撈量逐年下降，刺激了近海集約化養(yǎng)殖技術(shù)的迅速發(fā)展，其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖占據(jù)了重要的地位[1]。近年來海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，常伴隨過量的飼料投放和抗生素使用，給近海生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害[2-3]。同時，因網(wǎng)箱數(shù)量和養(yǎng)殖密度的增加致使養(yǎng)殖病害爆發(fā)頻繁[4]，成為養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

在養(yǎng)殖環(huán)境中，浮游細菌既是各種有機物質(zhì)的分解者和轉(zhuǎn)化者，又是物質(zhì)和能量的貯存者，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中具有無可替代的作用[5-6]。同時，有些細菌還是近海養(yǎng)殖的致病菌，如弧菌是最常見的條件致病菌之一。在養(yǎng)殖環(huán)境條件惡化時，弧菌大量增殖，可導致養(yǎng)殖生物感染發(fā)病[7-8]。我們的前期工作發(fā)現(xiàn)，浮游細菌的群落組成與對蝦養(yǎng)殖塘的健康狀況密切相關(guān)[9]，且細菌群落的變化趨勢是可以預測的[10]。目前有大量研究表明微生物是以群落的形式整體承擔重要的生態(tài)功能，群落響應可以綜合全面地反映環(huán)境擾動[9]，如微生物群落結(jié)構(gòu)能對水溫、pH值、溶解氧、氨氮、磷酸鹽、總有機碳、化學需氧量和深度等因素的變化產(chǎn)生快速響應[11-15]。因此，在近海養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)中，水體細菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性有可能作為評價海水養(yǎng)殖生態(tài)系健康和穩(wěn)定的重要指標[16-17]。

象山港是浙江省重要的養(yǎng)殖基地[18]。然而，以往對象山港生態(tài)環(huán)境的報道多以潮間帶生物、浮游動植物和底棲動物為主，對養(yǎng)殖環(huán)境中微生物的研究也主要集中在底泥細菌群落以及水體中浮游細菌的數(shù)量方面[3,18-21]，有關(guān)浮游細菌群落結(jié)構(gòu)方面的研究也較少。本研究通過16S rRNA基因焦磷酸測序技術(shù)研究象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖和非養(yǎng)殖區(qū)的浮游細菌群落，比較不同水深度下的細菌群落結(jié)構(gòu)，獲得驅(qū)動浮游細菌群落結(jié)構(gòu)變異的環(huán)境因子，初步揭示了浮游細菌群落對養(yǎng)殖擾動的響應規(guī)律。結(jié)合不同細菌類群的功能，通過群落組成變化推測生態(tài)功能變化，可為網(wǎng)箱養(yǎng)殖生態(tài)健康提供評價和維護依據(jù)。

1 實驗方法

1.1 實驗設(shè)計和水樣采集

象山港位于浙江省寧波市的東部，為東北-西南向的狹長形半封閉海灣。為研究養(yǎng)殖活動對浮游細菌群落的影響，2012年4月10日，選取位于象山港中西滬港內(nèi)網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)(121°45′9.935″ E，29°32′20.472″ N)和非養(yǎng)殖區(qū)(121°46′10.056″ E，29°36′4.356″ N)兩個站位，其具體時間為15:40和16:10，潮位均為低平一落，兩位點相距7km。養(yǎng)殖區(qū)面積約1.1km2，擁有海水網(wǎng)箱2000余只，網(wǎng)箱規(guī)格為3m × 3m × 6m，主要養(yǎng)殖種類為大黃魚和鱸魚，平均放養(yǎng)密度為3000尾/網(wǎng)箱，養(yǎng)殖周期為2—3a。每個區(qū)域分別采集表(水深0.5m)、中(水深2.5m)、底(水深8m)3個深度的水樣3L。

每個點位設(shè)置兩個重復。采集的水樣置于預先滅菌容器中存于冰盒，4h內(nèi)運回實驗室進行檢測分析。1L水樣用于提取細菌總DNA，剩余水樣用于水質(zhì)指標測定。

1.2 DNA提取

分別取各樣品1L水樣，用經(jīng)滅菌處理的100μm孔徑的尼龍布預過濾，后用0.2μm孔徑的聚碳酸酯膜(Millipore)過濾。濾膜在無菌剪刀剪碎后用Power Soil?DNA試劑盒(Mobio)提取收集物的總DNA。用NanoDrop ND-1000型分光光度計測定DNA濃度和純度。抽提后的DNA于-80℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3 細菌16S rRNA基因擴增和454測序

PCR擴增16S rRNA基因的V1-V3可變區(qū)(27F：AGAGTTTGATCMTGGCTCAG和519R：GWATTACCGCGGCKGCTG)，其中正向引物上帶有10個堿基的barcode序列，用于區(qū)分不同樣品，DNA模板用量為50ng，在50μL反應體系擴增。每個樣品設(shè)置3個PCR重復，以降低擴增造成的偏差。PCR反應條件如下：94℃變性30s，55℃退火30s，72℃延伸30s，30個循環(huán)，72℃延伸10min。擴增產(chǎn)物用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測。將每個樣品的重復擴增產(chǎn)物混合后純化(TaKaRa Biotech，Japan)。最后所有樣品的PCR產(chǎn)物等摩爾量混合，在羅氏FLX 454儀器上測序(Roche Diagnostics，Branford，CT，USA)。

1.4 測序數(shù)據(jù)處理

利用Qiime(Quantitative Insights Into Microbial Ecology，http://qiime.org)流程對下機測序數(shù)據(jù)進行樣品分裝、去嵌合體和質(zhì)量篩選；利用Uclust將相似性大于97%的序列歸為同一個分類操作單元(Operational Taxonomic Units，OTUs)[22]。選取每個OTU中豐度最高的序列作為代表序列[23]，通過 Greengenes數(shù)據(jù)庫中對比獲得OTUs的分類地位信息[24]。為避免測序深度不同造成的偏差，每個樣品隨機選取5700條序列(樣品中最低測度深度)進行后續(xù)分析。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用R軟件(v.2.11.0)中vegan軟件包計算養(yǎng)殖水環(huán)境中浮游細菌群落的多樣性，包括多樣性指數(shù)(Shannon Wiener)和均勻度指數(shù)(Pilou′s Evenness)。應用冗余分析方法(Redundancy analysis，RDA)分析細菌群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系[25]，同時采用偏冗余分析(Partial redundancy analysis，pRDA)，計算出水體理化因子和空間距離對群落變異的相對貢獻。

用Past(v.2.03)軟件中非參數(shù)多維度法(Non-metric multidimensional scaling，NMDS)分析浮游細菌的群落組成，將各樣品浮游細菌群落組成在二維圖上可視化。NMDS中，一般采用壓力系數(shù)(Stress)評定所得到的多維構(gòu)型與實際數(shù)據(jù)之間的適合度，壓力系數(shù)越小，表示適合度越高[25]。根據(jù)Kruskal提出的判斷標準，壓力系數(shù)<0.2，適合度較好，聚類分析可靠[26]。應用群落相似性檢驗分析養(yǎng)殖和水深對浮游細菌群落分布的影響。利用SIMPER(Similarity percentage)分析找出對群落差異貢獻度高的OTUs。

2 結(jié)果

2.1 水體理化性質(zhì)

主要結(jié)果表明：在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)中，水溫、磷酸鹽、總磷、亞硝酸鹽和銨鹽的均值較高，化學需氧量顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)(t檢驗，P=0.004)；與網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)相比，非養(yǎng)殖區(qū)中葉綠素a和總有機碳較高(表1)。在不同水體中，化學需氧量均隨水深逐漸遞減，而總有機碳隨水深逐漸增加，其它環(huán)境因子在水深層次上分布規(guī)律不明顯(表1)。

表1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)各采樣點水體主要理化參數(shù)Table 1 The main physical and chemical properties of the water samples in cage culture and non-cultured areas

COD：Chemical oxygen demand；TP：Total phosphorus；TN：Total nitrogen；TOC：Total organic carbon；Chl a：Chlorophyll a；Y：養(yǎng)殖區(qū)Cage culture area；N：非養(yǎng)殖區(qū)Non-cultured area；S：表層Surface;M：中層Middle；B：底層Bottom

圖1 各樣品的優(yōu)勢菌門(綱)平均相對豐度圖 Fig.1 Relative abundances of the dominant phyla or classes in water samplesY：cage culture area，養(yǎng)殖區(qū)；N：non-cultured area，非養(yǎng)殖區(qū)；S：surface，表層；M：middle，中層；B：bottom，底層

2.2 浮游細菌群落組成和結(jié)構(gòu)分析

象山港水體主要浮游細菌類群為γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)、其它變形菌門(Unclassified Proteobacteria)、β-變形菌綱(Betaproteobacteria)和ε-變形菌綱(Epsilonproteobacteria)，平均相對豐度分別為47.48%、39.45%、7.76%、1.32%、1.13%、0.87%和0.63%，占細菌總數(shù)的98.64%(圖1)。在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)，擬桿菌門(P=0.006)和放線菌門(P=0.015)顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)，而γ-變形菌綱(P=0.038)顯著低于非養(yǎng)殖區(qū)。在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)，α-變形菌平均相對豐度隨水深逐漸降低，而γ-變形菌綱逐漸增加；在非養(yǎng)殖區(qū)，擬桿菌平均相對豐度隨水深逐漸降低(圖1)。總體而言，浮游細菌群落多樣性指數(shù)(t檢驗，P=0.790)和均勻度指數(shù)(t檢驗，P=0.587)在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)中的均值高于非養(yǎng)殖區(qū)，但無顯著差異。網(wǎng)箱區(qū)中層水樣浮游細菌的多樣性指數(shù)最高，表層水最低，分別為4.808，4.104；均勻度指數(shù)也是中層水最高(0.735)，表層水最低(0.652)(表2)。在非養(yǎng)殖區(qū)，則是表層水多樣性最高，底層水多樣性最低，但是這些差別均不顯著(表2)。

表2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)群落多樣性分析Table 2 Analysis of bacterial alpha diversity of water samples collected from cage culture and non-cultured areas

同列中不同字母代表的值表示有顯著差異

圖2 浮游細菌群落組成的非度量尺度分析NMDS二維圖(箭頭表示從表層到底層的變化方向)Fig.2 Two-dimensional NMDS of bacteriolplankton community compositions (The arrows representing changes from surface to bottom)NMDS: 非參數(shù)多維度法Non-metric multidimensional scaling

2.3 浮游細菌群落組成空間分布分析

利用NMDS分析浮游細菌群落組成，壓力系數(shù)為0.16，說明可以較好地反映各采樣點間浮游細菌群落的相似性(圖2)。各樣品在圖中的相對距離可以反映所對應的浮游細菌群落組成的相似程度[15]，可將所有樣品大致分為3類，網(wǎng)箱區(qū)樣品為一類，非養(yǎng)殖區(qū)中層和底層樣品成一類，非養(yǎng)殖區(qū)表層樣品聚為一類(圖2)。此外，沿著第一排序軸網(wǎng)箱區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落分布規(guī)律均由表層向底層，具有相似的演替軌跡(圖2)。

群落相似性檢驗分析發(fā)現(xiàn)網(wǎng)箱區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)浮游細菌群落分布差異顯著(P=0.023)；不同水深層次的細菌群落差異不顯著(P=0.070)，表明水深對浮游細菌群落分布影響較小。SIMPER分析表明網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落差異度為62.41。對群落差異度貢獻率較大的11個OTUs(貢獻率>1%)，累積貢獻率達到45.02%，其中海單胞菌屬(Marinomonas)(2個OTUs)、褐桿菌屬(Phaeobacter)(1個OTU)、紅桿菌科(Rhodobacteraceae)(3個OTUs)、交替假單胞菌屬(Pseudoalteromonas)(1個OTU)、Sediminicolasp.(1個OTU)、鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales)(1個OTU)、冰居菌屬(Glaciecola)(1個OTU)和弧菌科(Vibrionaceae)(1個OTU)(表3)。對造成群落差異的主要OTUs在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)進行豐度比較，發(fā)現(xiàn)黃桿菌科(Flavobacteriaceae)(t檢驗，P=0.012)和褐桿菌屬(t檢驗，P=0.041)的平均相對豐度在網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)，而交替假單胞菌屬和弧菌科的平均相對豐度在非養(yǎng)殖區(qū)中較高。

表3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)群落SIMPER分析Table 3 Taxonomic identities of the 11OTUs serving as indicator taxa between cage culture and non-cultured areas by SIMPER analysis

SIMPER: Similarity percentage;OTUs: Operational Taxonomic Units

2.4 浮游細菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

圖3 網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)不同水深層次水樣浮游細菌群落與其變異驅(qū)動的主要環(huán)境因子RDA雙向排序圖Fig.3 RDA ordination biplot showed factors that driving the variation of bacterial communities between cage culture area and non-cuntured areaCOD: Chemical oxygen demand;TOC: Total organic carbon;RDA: Redundancy analysis

3 討論與結(jié)論

關(guān)于養(yǎng)殖活動對水體浮游細菌的影響，在群落水平上的研究還較少[3]，其研究手段主要是依賴培養(yǎng)技術(shù)和基于16S rRNA基因的DGGE等分子指紋技術(shù)和克隆文庫測序方法[3,29]。這些方法費時費力，分析通量非常有限，而細菌多樣性又異常豐富，因此揭示的信息非常有限，忽略了一些具有重大功能的低豐度物種的存在[30-31]。新近出現(xiàn)的焦磷酸測序技術(shù)則將細菌的鑒定分析通量提高百萬倍，很好得解決了通量瓶頸，對細菌群落結(jié)構(gòu)信息揭示的更加全面、詳細[32-33]。本研究利用16S rRNA 基因焦磷酸測序技術(shù)分析了12個海水樣品，產(chǎn)生了110950條序列，共檢測出5752個OTUs(相當于種屬水平)，每個樣品的序列數(shù)在5774—12877之間，涵蓋的OTU數(shù)平均達680—1578，為深入探究浮游細菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.1 浮游細菌多樣性與群落組成

維持浮游細菌在養(yǎng)殖水體中的多樣性可以增強養(yǎng)殖環(huán)境生物群落生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少養(yǎng)殖生物患病的風險。已有研究表明，高密度網(wǎng)箱增養(yǎng)殖活動使養(yǎng)殖區(qū)域及附近水體中的營養(yǎng)鹽和有機污染物濃度較高，對細菌具有一定的選擇作用，導致養(yǎng)殖區(qū)的細菌多樣性較低[3]。本實驗則顯示，網(wǎng)箱區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)的多樣性無顯著差異。這種差異可能是因為網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)受污染程度較低，對浮游細菌多樣性影響較小，也可能是以前研究不能檢測到稀有物種造成的。

從浮游細菌種類組成來看，α-變形菌、γ-變形菌、擬桿菌為海水中主要的優(yōu)勢菌群，Kirchman也發(fā)現(xiàn)變形菌和擬桿菌是組成海洋異養(yǎng)細菌的兩個最大的類群[34]。在以前的象山港生態(tài)研究中，利用克隆測序方法發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢菌組成也與上述相似[35]。實驗結(jié)果顯示，從網(wǎng)箱區(qū)到非養(yǎng)殖區(qū)，擬桿菌門和放線菌門的相對豐度顯著降低，而γ-變形菌綱的相對豐度增加，可能是網(wǎng)箱區(qū)域磷酸鹽、總磷濃度較高所致。有研究表明α-變性菌的相對豐度隨水體中總磷濃度增加顯著增加，擬桿菌門的相對豐度隨磷酸鹽的濃度升高而增加[36]。對東海沉積物中的微生物群落結(jié)構(gòu)研究也表明，隨著N、P污染梯度的變化，細菌群落中γ-變形菌和δ-變形菌相對豐度發(fā)生顯著變化，與污染物濃度顯著相關(guān)，能夠指示環(huán)境受污染程度[28]。因此，擬桿菌門、放線菌門和γ-變形菌綱的豐度對水質(zhì)變化敏感，可能用于指示和評價海水養(yǎng)殖污染的生態(tài)效應。

3.2 浮游細菌群落空間分布

已有研究表明，養(yǎng)殖活動能夠改變浮游細菌群落結(jié)構(gòu)[19]，本文結(jié)果也表明網(wǎng)箱區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)的群落差異顯著。Salvator等[37]對網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動對網(wǎng)箱下微生物的影響效果顯著，但離網(wǎng)箱外50m區(qū)域受養(yǎng)殖活動影響較小。本研究中盡管養(yǎng)殖區(qū)站位和非養(yǎng)殖區(qū)站位的距離較遠，空間距離對群落變異的影響(10.66%貢獻度)小于環(huán)境因子(38.18%貢獻度)。造成群落變異的主要原因可能是養(yǎng)殖區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)之間水質(zhì)差異較大，如化學需氧量有顯著差異。有研究表明，水質(zhì)情況相似的采樣點，其浮游細菌群落的組成也相似[38]。本研究還發(fā)現(xiàn)網(wǎng)箱區(qū)和非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落由表層向底層分布的規(guī)律一致，但水深對群落多樣性和群落結(jié)構(gòu)相似性均無顯著影響。李玉華等[38]通過對松花湖水體中不同空間分布的細菌群落結(jié)構(gòu)研究表明，水深變化對細菌群落垂直分布有重要影響。以上結(jié)果不一致性可能是由于不同深度范圍造成的，如本實驗采樣點最大水深只有8m，遠小于松花湖平均水深35m。

劉晶晶等[3]對象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)水體中細菌分布研究表明，與養(yǎng)殖場魚類疾病相關(guān)的弧菌在網(wǎng)箱區(qū)中的數(shù)量均大于網(wǎng)箱外對照區(qū)，而本文結(jié)果中，交替假單胞菌屬(Pseudoalteromonas)和弧菌科(Vibrionaceae)在非養(yǎng)殖區(qū)中的平均相對豐度較高。但同時發(fā)現(xiàn)褐桿菌屬(Phaeobacter)平均相對豐度在養(yǎng)殖區(qū)顯著高于網(wǎng)箱區(qū)，而褐桿菌屬對以弧菌、交替假單胞菌等為代表的主要致病菌具有廣泛的抗菌活性譜并且能控制致病菌的繁殖[39-40]。因此，推測可能是褐桿菌屬的高豐度存在抑制了弧菌和交替假單胞菌的繁殖，具體原因和機制有待進一步研究。

3.3 影響浮游細菌群落的主要環(huán)境因子

冗余分析表明，化學需氧量、磷酸鹽、銨鹽和總有機碳是影響浮游細菌群落的主要環(huán)境因子。除總有機碳外，這與李秋芬等[35]應用DGGE技術(shù)對象山港中部養(yǎng)殖區(qū)細菌群落結(jié)構(gòu)特征的研究所得到的結(jié)果一致。銨鹽和磷酸鹽是調(diào)控浮游細菌群落分布的重要因子，與浮游細菌群落分布密切相關(guān)[20]。高密度的水產(chǎn)養(yǎng)殖常造成水體環(huán)境中氮、磷營養(yǎng)鹽濃度的增加[1]，從而影響浮游細菌群落組成，包括條件致病菌的增殖和致病性的增加，同時增加水產(chǎn)動物對病原菌的敏感性，進而導致養(yǎng)殖病害的發(fā)生?；瘜W需氧量是衡量海水中有機質(zhì)含量的重要指標，水體中的溶解性有機物是異養(yǎng)細菌生長繁殖和生命活動最基本的營養(yǎng)源[20]。在養(yǎng)殖區(qū)中因剩余殘餌和養(yǎng)殖生物的排泄物與分泌物均含有豐富的有機質(zhì)，造成養(yǎng)殖區(qū)中的化學需氧量顯著高于非養(yǎng)殖區(qū)，從而影響浮游細菌群落組成的分布。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，溶解性總有機碳是異養(yǎng)細菌重要的碳源，浮游細菌可以吸收、利用水體中的溶解性有機碳，進行二次生產(chǎn)，其分布與總有機碳顯著相關(guān)[13]。有研究表明，總有機碳與有機污染物濃度存在正相關(guān)關(guān)系[41]，這與本實驗結(jié)果不一致，可能是由于網(wǎng)箱區(qū)浮游植物的生長消耗了大量的總有機碳，而養(yǎng)殖動物對浮游植物的捕食，表現(xiàn)為養(yǎng)殖區(qū)的葉綠素a和總有機碳濃度較低。

綜上所述，近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖活動影響水質(zhì)，進而改變細菌群落結(jié)構(gòu)，且從表層至底層具有相似的演替規(guī)律。其中在網(wǎng)箱區(qū)增加的化學需氧量、活性磷酸鹽和銨鹽，總有機碳是驅(qū)動細菌群落變異的主要環(huán)境因子。造成群落差異的敏感類群如擬桿菌、放線菌和γ-變形菌可能用于指示和評價海水養(yǎng)殖污染程度。

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Distribution of bacterioplankton communities in cage culture and non-cultured areas of Xiangshan Bay, Ningbo, China

HU Changju1, XIONG Jinbo1, CHEN Heping1,2, WANG Kai1, YE Ran3, CUI Yongping3, ZHU Jianlin2, ZHANG Demin1,*

1SchoolofMarineScience,NingboUniversity,Ningbo315211,China2FacultyofArchitectural,CivilEngineeringandEnvironment,NingboUniversity,Ningbo315211,China3MarineEnvironmentalMonitoringCenterofNingbo,SOA,Ningbo315012,China

Intensive aquaculture has been a major source of coastal pollution.Microorganisms play a critical role in primary production and biogeochemical processes such as substance cycling and energy transformation in coastal ecosystems.Bacterioplankton are considered to be a dominant group because of their many contributions to ecosystem functional processes.Studying the influences of aquaculture activities on bacterial diversity in water is significant for assessing the structure and function of mariculture ecosystems.Xiangshan Bay, an important mariculture base located in Ningbo, China, is subject to a large influx of organic matter from the rapid development of aquaculture.Thus, understanding the responsive pattern of the bacterioplankton community to aquaculture sheds light on indicating and evaluating the health status of the mariculture ecosystem.In this study, water samples were collected separately from three depths: the surface, middle, and bottom levels of the water column (corresponding to 0.5, 2.5, and 8.0m below the water surface, respectively), from a cage culture area and a non-cultured area in Xiangshan Bay, on April 10, 2012.Using the 16S rRNA gene amplicon pyrosequencing technique, we evaluated the effects of aquaculture activities on variations within bacterioplankton communities.The results showed that cage aquaculture dramatically changed the geochemical variables of water.For example, there was a substantial increase of chemical oxygen demand in the culture area.In addition, cage aquaculture significantly (P<0.05) altered the bacterioplankton community structure, although the alpha diversity was not affected.The bacterioplankton communities were very similar across the three water depths, dominated by Alphaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Betaproteobacteria, Epsilonproteobacteria, and Unclassified Proteobacteria, accounting for 98.64% of the total bacteria.The relative abundances of some dominant phyla were considerably different between the two investigated areas.For example, the relative abundances of Bacteroidetes and Actinobacteria were significantly lower in the non-cultured area than in the cage culture area, while that of Gammaproteobacteria was significantly higher in the non-cultured area.Similarity percentage (SIMPER) analysis further indicated that the presence of Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, and Bacteroidetes taxa controlled the differences in bacterial communities between the two areas, which contributed to 45.02% of the overall dissimilarity.Redundancy analysis (RDA) showed that the bacterioplankton community variation significantly correlated with chemical oxygen demand, phosphate, ammonium, and total organic carbon.Partial redundancy analysis (pRDA) was conducted in order to quantify the effect of the geographic distance between the two investigated areas on the differences between the bacteria communities.The results showed that the above-mentioned environmental factors in total contributed 38.18% of the bacteria community variation, while the geographic distance contributed only 10.66%, indicating that the influence of environmental factors on bacterial communities was much greater than that of the geographic distance.Overall, this study demonstrated that coastal aquaculture could cause eutrophication of rearing water, which, in turn, drove the variation of the bacterioplankton community, and remarkably altered the relative abundances of Bacteroidetes, Actinobacteria, and Gammaproteobacteria.The sensitivity of these bacteria to the concentration changes of pollutants, represented by nitrogen and phosphorus, indicates their potential usage in assessing the quality of aquaculture water and the health and stability of an aquaculture ecosystem.

bacterioplankton;community composition;cage culture;environmental factors

國家863資助項目(2012AA092000)；寧波大學自然科學基金(XYL14004)

2014-06-17; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版日期:

日期:2015-05-21

10.5846/stxb201406171263

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangdemin@nbu.edu.cn

胡常巨，熊金波，陳和平，王凱，葉然，崔永平，朱建林，張德民.象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)與非養(yǎng)殖區(qū)的細菌群落分布.生態(tài)學報,2015,35(24):8053-8061.

Hu C J, Xiong J B, Chen H P, Wang K, Ye R, Cui Y P, Zhu J L, Zhang D M.Distribution of bacterioplankton communities in cage culture and non-cultured areas of Xiangshan Bay, Ningbo, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8053-8061.