大型淺水湖泊太湖中浮游病毒的時(shí)空分布特征及其與環(huán)境因子的相關(guān)性分析*

段翠蘭 胡志新 鄒 勇 陳光蕓 陳 靜 王一鳴 張永江①

(1. 江蘇省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站 南京 210036; 2. 南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院 南京 211167)

浮游病毒是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分(張全國,2014),在微食物環(huán)中起著重要的作用(Bratbaket al,1994)。水體中的浮游病毒數(shù)量巨大,主要為噬菌體(張奇亞,2014)和浮游藻類病毒(趙以軍等,1996),它們通常會(huì)感染水體中的浮游細(xì)菌和浮游藻類,導(dǎo)致浮游細(xì)菌和浮游藻類的死亡、裂解,從而對(duì)水體中浮游細(xì)菌和浮游藻類的豐度和種群產(chǎn)生重要影響(Liuet al,2006)。

對(duì)浮游病毒的研究始于20世紀(jì)60年代,后隨著電子顯微鏡的廣泛應(yīng)用(Torrellaet al,1979),浮游病毒成為生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)。浮游病毒的類群、豐度、生態(tài)作用以及差異性進(jìn)行了一系列研究(Wilhelmet al,2008)。有學(xué)者對(duì)全球的浮游病毒總量進(jìn)行估算,發(fā)現(xiàn)浮游病毒可能是僅次于原核生物的第二大生物量群(孫輝,2014)。目前,國內(nèi)對(duì)海洋浮游病毒的生態(tài)分布的認(rèn)識(shí)已較為全面(李洪波等,2012; 王艷等,2013),湖泊淡水浮游病毒的研究還較為薄弱,僅見對(duì)武漢東湖(劉艷鳴等,2005)、長(zhǎng)江口(白曉歌等,2007)、湖北濕地(孫小磊等,2009)等的初步探索。太湖是我國第三大淡水湖泊,空間異質(zhì)性高,具有草、藻型兩個(gè)截然不同的生態(tài)系統(tǒng),風(fēng)浪對(duì)水體擾動(dòng)作用明顯,無溫躍層,四季溫差大,是一個(gè)典型的大型淺水湖泊(秦伯強(qiáng)等,2004); 太湖又是國家重點(diǎn)治理的富營養(yǎng)水體之一。為了揭示太湖水體中浮游病毒的分布規(guī)律,了解其在微食物環(huán)中的生態(tài)功能,本實(shí)驗(yàn)采用表面熒光計(jì)數(shù)法,研究了太湖水體中浮游病毒豐度的時(shí)空分布特征,探討了影響太湖水體中病毒豐度的主要環(huán)境因子,為進(jìn)一步揭示太湖水體中浮游病毒的生態(tài)位提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置與樣品采集

為研究太湖水體中病毒的時(shí)空分布,在太湖不同功能區(qū)域中共設(shè)置 19個(gè)采樣點(diǎn)位,位置見圖1。于2013年9月和2014年5月,在上述采樣點(diǎn)位用5 L的Niskin采水器,采集水樣。將50 mL的水樣,放入事先清洗干凈、滅菌的玻璃瓶中,加入戊二醛固定(終濃度為 0.5%),4°C低溫保存,用于細(xì)菌、病毒的分析,樣品在1個(gè)月內(nèi)分析完畢。另將2.5 L的水樣放入事先清洗干凈的塑料瓶中,用于葉綠素a及其它相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的分析。

圖1 太湖采樣點(diǎn)位圖Fig.1 Sampling sites in Taihu Lake

1.2 樣品的分析

1.2.1 浮游病毒和浮游細(xì)菌的分析 取1 mL上述固定后的樣品,經(jīng)SYBR Green I染色后,利用熒光顯微鏡(Nikon 80i,藍(lán)光,油鏡100×) 測(cè)定浮游細(xì)菌、浮游病毒的豐度(Patelet al,2007; Suttleet al,2010)。

1.2.2 葉綠素a的分析 取200 mL的水樣,用直徑25 mm的GF/F濾膜過濾后,將濾膜剪碎、用90%的丙酮,–20°C 黑暗條件下萃取 24 h,離心后,用Thermo scientific LUMINA Fluorescence Spectrometer測(cè)定其熒光強(qiáng)度,換算為葉綠素a濃度(梁玉波等,2006)。過濾后的濾膜,如不能立即測(cè)定,可用鋁箔包裝后,–20°C 保存。

1.3 數(shù)據(jù)分析與繪圖

數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)使用 SPSS16.0軟件,繪圖使用MapInfo7.0和Excel軟件。

2 結(jié)果

2.1 太湖水體中浮游病毒的空間分布特征

在太湖水體中,浮游病毒的豐度呈現(xiàn)出顯著的空間差異。在不同樣點(diǎn)間,其豐度變動(dòng)于(0.91—74.61)×106ind./mL 之間,均值為(16.38±1.17)×106ind./mL (圖 2)。

圖2 太湖浮游病毒豐度的水平分布(×106 ind./mL)Fig.2 The horizontal distribution of virioplankton abundance in Taihu Lake

根據(jù)采樣點(diǎn)位,將采樣區(qū)域劃分為四個(gè)類型,分別為敞水區(qū)(點(diǎn)位1—12)、網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)(點(diǎn)位13—14)、保護(hù)區(qū)(點(diǎn)位15—18)、入湖河道(點(diǎn)位19)。太湖水體中浮病毒的豐度具有顯著的空間差異,網(wǎng)圍養(yǎng)殖區(qū)的病毒豐度較高,為(3.52±0.28)×107ind./mL,敞水區(qū)的病毒豐度較低,為(4.06±0.90)×106ind./mL(圖 3)。

2.2 太湖水體中浮游病毒豐度的季節(jié)變動(dòng)

從季節(jié)變化來看,春季的浮游病毒豐度變化范圍是(0.91—13.22)×106ind./mL(表 1),均值為 4.64×106ind./mL,秋季的浮游病毒豐度變化范圍是(3.55—74.61)×106ind./mL,均值為 28.31×106ind./mL,浮游病毒的豐度呈現(xiàn)出顯著的時(shí)間差異(圖 3),秋季水體中浮游病毒的豐度(2.83±0.74)×107ind./mL,顯著大于春季(3.11±0.67)×106ind./mL (圖 4)。

2.3 病毒與細(xì)菌比率

病毒與細(xì)菌比率(virus-to-bacteria ratio,VBR)一般用來分析原核生物與病毒之間的關(guān)系(Wommacket al,2000)。在此次太湖研究中,VBR變化范圍很廣,最大值為 100.28,出現(xiàn)在秋季敞水區(qū)烏龜山測(cè)點(diǎn)附近;最小值為 1.01,出現(xiàn)在春季敞水區(qū)平臺(tái)山測(cè)點(diǎn)附近;太湖 VBR平均值為 16.93。VBR的季節(jié)變化表現(xiàn)為秋季＞春季(表 1)。VBR與異養(yǎng)細(xì)菌豐度在春、秋兩個(gè)季節(jié)中均無顯著的相關(guān)性。

圖3 太湖浮游病毒豐度的區(qū)域分布Fig.3 The spatial virioplankton distribution in Taihu Lake

表1 浮游病毒、細(xì)菌、葉綠素a和VBR豐度的季節(jié)變化Tab.1 The values of virioplankton,bacterioplankton,Chl a and VBR in two seasons

圖4 太湖浮游病毒豐度的季節(jié)分布(×106 ind./mL)Fig.4 The seasonal distribution of virioplankton in Taihu Lake

2.4 病毒與葉綠素a、細(xì)菌的關(guān)系

浮游植物和細(xì)菌作為浮游病毒的宿主,與其有較強(qiáng)的相關(guān)性。而在不同季節(jié),它們之間的相關(guān)性存在一些差異(表2)。春季浮游病毒與葉綠素a之間有顯著正相關(guān)(r=0.645,P＜0.05),秋季浮游病毒與葉綠素a之間有極顯著正相關(guān)(r=0.756,P＜0.01)。春、秋季浮游病毒與異養(yǎng)細(xì)菌之間無顯著相關(guān)性。

表2 浮游病毒與葉綠素a、異養(yǎng)細(xì)菌的相關(guān)系數(shù)Tab.2 The correlation coefficient of virioplankton to Chl a and bacterioplankton

3 討論

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料報(bào)道(表 3),我國淡水浮游病毒豐度范圍較廣,最小值出現(xiàn)在 2014年春季太湖大雷山區(qū)域,為 0.91×106ind./mL,而最大值出現(xiàn)在2003年武漢東湖,為2.44×109ind./mL。這表明浮游病毒豐度在不同季節(jié)、不同區(qū)域變化較大。太湖的病毒豐度在(0.91—47.91)×106ind./mL,而東湖的病毒豐度高達(dá)(2.40±0.04)×109ind./mL。在太湖中,可能因其水體面積大,浮游病毒的豐度較低,明顯不同于中小型淡水水體的分布情況,其分布狀況和江蘇近岸海域中的情況類似(段翠蘭等,2012)。

表3 我國淡水浮游病毒豐度分布狀況Tab.3 The virioplankton abundance in Chinese fresh waters

Cochran等(1998)研究發(fā)現(xiàn),一般浮游病毒豐度最低值出現(xiàn)于冬季,而最高值出現(xiàn)于秋季。本研究結(jié)果表明太湖浮游病毒豐度秋季大于春季,秋季的浮游病毒豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過春季,差異極為顯著。

Vrede等(2003)研究認(rèn)為細(xì)菌豐度與葉綠素a濃度在特定情況下可預(yù)測(cè)浮游病毒的豐度。干凈水體中,浮游病毒豐度與葉綠素a濃度的相關(guān)性較高,說明浮游藻類病毒比重較大(Peduzziet al,2004)。在太湖以藻型湖與草型湖為主體的大型水體中,春季浮游病毒豐度與葉綠素a濃度之間呈顯著正相關(guān); 秋季浮游病毒豐度與葉綠素a濃度之間呈極顯著正相關(guān); 春、秋季浮游病毒與異養(yǎng)細(xì)菌之間無顯著相關(guān)性,這說明浮游藻類病毒在太湖水體中所占比重較大,是太湖的優(yōu)勢(shì)種類。而孫小磊等(2009)對(duì)湖北濕地研究結(jié)果顯示,浮游病毒與活菌數(shù)的相關(guān)性高于與葉綠素a濃度的相關(guān)性,認(rèn)為噬菌體是濕地水體中浮游病毒的優(yōu)勢(shì)種類。

一般情況,VBR介于3到 10; 在初級(jí)生產(chǎn)力高,營養(yǎng)鹽豐富的區(qū)域,VBR值會(huì)提高(Wommacket al,2000)。本研究中,VBR范圍為1.01—100.28,平均值為16.93。武漢東湖水體浮游病毒的研究中,VBR范圍為49—56(劉艷鳴等,2005)。從VBR值可看出,太湖VBR值范圍比較廣,而東湖VBR值范圍相對(duì)集中,這可能與太湖不同水域的富營養(yǎng)化程度不同,而東湖整個(gè)湖區(qū)的富營養(yǎng)化程度比較相似的狀況有關(guān)。這進(jìn)一步表明太湖有些湖區(qū)(如東太湖水草區(qū)),營養(yǎng)化程度低于東湖,水質(zhì)狀況優(yōu)于東湖,而有些湖區(qū)(如梅梁灣),營養(yǎng)化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過東湖,富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。

有研究報(bào)道在高浮游植物豐度情況下會(huì)產(chǎn)生較高的VBR(Paulet al,1991)。在太湖研究中,發(fā)現(xiàn)春季浮游病毒與葉綠素a呈顯著正相關(guān)(r=0.645,P＜0.05),秋季浮游病毒與葉綠素a之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.756,P＜0.01)。這說明在春季42% (r2=0.42)的浮游病毒與浮游植物有關(guān),秋季 56%的浮游病毒與浮游植物有關(guān),太湖水體浮游病毒的主要宿主是浮游植物。

Wommack等(2000)年研究發(fā)現(xiàn)浮游細(xì)菌豐度與VBR間的相關(guān)性可作為宿主菌種群多樣性指標(biāo)。在宿主種群較單一時(shí),異養(yǎng)細(xì)菌豐度與 VBR呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性; 而宿主菌種群較多樣時(shí),異養(yǎng)細(xì)菌豐度與VBR無相關(guān)性(趙苑等,2010)。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),在太湖春季和秋季水體中,異養(yǎng)細(xì)菌與 VBR之間無顯著相關(guān)性。由此可以認(rèn)為太湖水域中,噬菌體的宿主菌種群多樣性較高。這可能與太湖的地理特征有關(guān),浮游病毒各種類間競(jìng)爭(zhēng)激烈,優(yōu)勢(shì)種不明顯。

4 結(jié)論

太湖水體中浮游病毒的時(shí)空分布主要有五個(gè)特點(diǎn)。(1) 太湖因其獨(dú)特的地理特征,浮游病毒的豐度較低,分布不均衡,明顯不同于中小型淡水水體中的分布。(2) 太湖水體中浮游病毒的豐度,具有顯著的季節(jié)差異,秋季水體中浮游病毒的豐度遠(yuǎn)高于春季。(3) 浮游病毒豐度與葉綠素a濃度具有顯著正相關(guān)性。浮游藻類病毒是太湖水體的優(yōu)勢(shì)種類,噬菌體所占比重較小。(4) 春季42%的浮游病毒是由浮游植物決定的,秋季 56%的浮游病毒是由浮游植物決定的,浮游病毒的主要宿主是浮游植物。(5) 太湖水域中,VBR與異養(yǎng)細(xì)菌之間無顯著相關(guān)性。噬菌體的宿主菌種群多樣性較高,優(yōu)勢(shì)種不明顯。

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