南淝河表層沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征及驅(qū)動因素

楊長明,吳亞瓊,王育來,郭韻昊

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南淝河表層沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征及驅(qū)動因素

楊長明1*,吳亞瓊1,王育來2,郭韻昊1

(1.同濟(jì)大學(xué)教育部長江水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092；2.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境,安徽 馬鞍山 234000)

為了探討南淝河不同河段沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征差異及其主要驅(qū)動因素,在對南淝河不同土地利用區(qū)域河段表層沉積物的主要理化指標(biāo)(pH、CEC、TOC、DOC、氮分級形態(tài))進(jìn)行分析基礎(chǔ)上,重點(diǎn)通過MiSeq高通量測序技術(shù)對沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析,并利用冗余分析(RDA)方法探討了導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)差異的主要驅(qū)動因素.結(jié)果表明:沉積物中門水平下優(yōu)勢細(xì)菌種群為變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和擬桿菌門(Bacteroidetes);綱水平下除未分類外主要是厭氧繩菌綱(Anaerolineae)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、梭狀芽胞桿菌綱(Clostridia)、δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria),此外ε-變形菌綱(Epsilonproteobacteria)主要在南淝河下游采樣點(diǎn)被檢測到,說明其在南淝河沉積物生態(tài)系統(tǒng)中并不是普遍存在的;屬水平下大多為未分類序列,長繩菌屬()和芽孢桿菌屬()有優(yōu)勢地位.南淝河不同河段所在流域土地利用方式不同會導(dǎo)致污染物類型、污染源強(qiáng)和沉積物理化指標(biāo)的不同,進(jìn)而影響沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),中游城區(qū)和工業(yè)區(qū)段的細(xì)菌多樣性整體上高于上、下游;RDA分析結(jié)果表明,表層沉積物的CEC、TOC、DOC、TP、WAEF-N和IEF-N是導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征差異的主要影響因子,其中變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門受TP影響較大,綠彎菌門則受弱酸浸取態(tài)氮(WAEF-N)影響較大.

南淝河；表層沉積物；細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)；MiSeq高通量測序；冗余分析(RDA)

城市河流沉積物是陸源污染物(營養(yǎng)物、重金屬、有機(jī)污染物等)的主要儲存場所[1].沉積物是城市重污染河流內(nèi)源污染的重要來源,具有產(chǎn)生二次污染的潛在危險(xiǎn),其特殊的生境條件使其具有豐富的微生物資源,而微生物是沉積物和上覆水進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)的重要驅(qū)動力[2].微生物在城市內(nèi)河沉積物物質(zhì)循環(huán)及污染物釋放過程中發(fā)揮重要作用,其群落結(jié)構(gòu)特征也能夠作為評估城市河道污染負(fù)荷與河流生態(tài)系統(tǒng)整體健康狀態(tài)的主要根據(jù)[3].

傳統(tǒng)的環(huán)境微生物研究方法主要依賴分離和培養(yǎng),不能很好地揭示微生物的群落結(jié)構(gòu),因此分子生物學(xué)研究方法逐漸被大量采用.已有學(xué)者運(yùn)用PCR-DGGE[4]、T-RFLP[5-6]等技術(shù)研究了沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)分布,然而近些年高通量測序技術(shù)被廣泛應(yīng)用,該技術(shù)不僅數(shù)據(jù)通量大,而且準(zhǔn)確度相對較高.部分學(xué)者運(yùn)用高通量測序技術(shù)對程海[7]、太湖[8]等水體的沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,但應(yīng)用該技術(shù)對跨越不同土地利用類型,并具有復(fù)雜污染源強(qiáng)的城市型河流沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其主要驅(qū)動因子的研究還鮮有報(bào)道.

南淝河為巢湖的一條重要入湖河流,其上游植被覆蓋以林地為主,中游主要為老城區(qū)和工業(yè)園區(qū),下游主要是郊區(qū)、農(nóng)田和濕地,土地利用方式呈現(xiàn)多樣化格局.南淝河水體污染狀況嚴(yán)峻,水質(zhì)為劣V類,前期政府部門實(shí)施了一些治理工程,包括城市污水管網(wǎng)建設(shè)和改善工程、污水廠擴(kuò)建和提標(biāo)工程,這在一定程度上較好地管理和控制了外源污染輸入,然而南淝河的水體水質(zhì)并沒有很大的提高,這和沉積物內(nèi)源污染物的不斷釋放密切相關(guān)[9].已有學(xué)者研究了南淝河沉積物有機(jī)污染物分布和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[10]、水環(huán)境質(zhì)量[11]、不同形態(tài)磷含量分布[12]以及不同季節(jié)異養(yǎng)細(xì)菌的總量[13],但對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征及其與理化指標(biāo)關(guān)系的相關(guān)報(bào)道較少.

本研究在對南淝河表層沉積物基本理化指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,利用MiSeq高通量測序技術(shù)對南淝河沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征和多樣性進(jìn)行分析,并將細(xì)菌門群落結(jié)構(gòu)、多樣性指標(biāo)和沉積物基本理化指標(biāo)進(jìn)行冗余分析,進(jìn)而全面闡明南淝河沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其主要的驅(qū)動因素,為今后利用分子生物學(xué)手段評價(jià)和指示沉積物污染特征和河流健康水平提供一定的依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

南淝河是流經(jīng)合肥市的巢湖一級支流,主河道全長70km,上游為森林公園,中游流經(jīng)合肥主城區(qū),下游流域主要為農(nóng)田和濕地, 沿岸分布有較多碼頭.研究區(qū)域位于整個(gè)南淝河(北緯31.69°~31.88°,東經(jīng)117.22°~117.42°),考慮到研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型以及排口類型的不同所導(dǎo)致的入河污染負(fù)荷和組成可能存在差異,本研究分別選擇城市雨水排口、垃圾填埋場、雨污合流排口、污水廠尾水排口、泵站、船舶加油站以及支流匯入口(農(nóng)業(yè)排水)等共17個(gè)采樣點(diǎn),各采樣點(diǎn)位置及所在流域基本信息如圖1和表1所示.

圖1 南淝河沉積物采樣點(diǎn)空間分布

表1 不同沉積物采樣點(diǎn)基本概況

于2016年3月分別采集17個(gè)樣點(diǎn)的表層沉積物樣品和上覆水樣,表層沉積物采用抓斗采樣器(采樣深度0~10cm),每個(gè)采樣點(diǎn)采集3個(gè)沉積物樣并混合均勻,新鮮樣采集后裝于聚乙烯封口袋中并編號,放入冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分樣品冷凍干燥研磨后過100目篩,置于聚乙烯封口袋中并在避光狀態(tài)下低溫保存,用于理化指標(biāo)分析;一部分樣品凍存(-20℃)以備后續(xù)微生物群落結(jié)構(gòu)分析;同時(shí)收集上覆水,采用便攜式參數(shù)水質(zhì)分析儀(哈希SensIon156,美國)現(xiàn)場測定pH值和溶解氧(DO),其余指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定.

1.2 樣品分析

1.2.1 樣品理化指標(biāo)的測定 上覆水的總磷(TP)使用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89),總氮(TN)使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636- 2012),氨氮(NH4+-N)使用納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009),葉綠素a使用丙酮法.沉積物的pH值用酸度計(jì)(pHS-3C型)測定,陽離子交換量(CEC)采用氯化鋇-硫酸強(qiáng)迫交換法測定,總有機(jī)碳(TOC)和溶解性有機(jī)碳(DOC)用總有機(jī)碳測定儀(島津TOC- VCPH系列)測定,TP采用堿熔-鉬銻抗分光光度法(HJ 632-2011)測定. 沉積物中的4種可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TF-N)分為離子交換態(tài)氮(IEF-N)、弱酸浸取態(tài)氮(WAEF-N)、強(qiáng)堿浸取態(tài)氮(SAEF-N)和強(qiáng)氧化劑浸取態(tài)氮(SOEF-N),采用王圣瑞等[14]的連續(xù)分級提取的方法測定.

1.2.2 沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析 沉積物樣品DNA的提取: 本研究沉積物基因組DNA的提取采用OMEGA土壤提取試劑盒進(jìn)行提取,利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA完整性,并采用Qubit2.0DNA檢測試劑盒準(zhǔn)確測定基因組DNA的含量,以確定PCR反應(yīng)應(yīng)該加入的DNA量.

PCR擴(kuò)增:選用V3~V4區(qū)的引物對提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,引物序列(5’-3’)如下:341F (CCCTACA-CGACGCTCTTCCGATCTG),805R(GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA),并利用barcode區(qū)別樣品序列.PCR反應(yīng)條件為:95℃預(yù)變性30s;95℃ 15s,55℃ 15s,72℃30s,5個(gè)循環(huán);72℃5min.PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳檢測,并用PCR產(chǎn)物純化試劑盒純化.

MiSeq高通量測序高通量測序:擴(kuò)增后的細(xì)菌DNA進(jìn)行宏基因組建庫、測序,然后對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析.擴(kuò)增區(qū)域?yàn)?V3~V4 (引物為341F, 805R);基于MiSeq 2x300測序平臺的高通量測序由生工生物工程(上海)股份有限公司測定完成,該測序平臺單次運(yùn)行可完成15Gb的數(shù)據(jù)測序,最大讀長2′300bp,片段數(shù)單端25M,雙端50M.對各樣品序列做質(zhì)量控制,去除短片段和低復(fù)雜度序列,使用Mothur軟件去除非靶區(qū)域序列和嵌合體.

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理,所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過ANOVA變異分析程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用鄧肯新復(fù)檢驗(yàn)法對采樣點(diǎn)上覆水、沉積物理化指標(biāo)差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)估計(jì),在<0.05的概率水平視為顯著.

在相同測序深度下采用Uclust軟件進(jìn)行操作分類單元(OUT)聚類;使用Mothur軟件分析多樣性,計(jì)算Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)、Chao指數(shù)、Coverage指數(shù)和Simpson指數(shù);運(yùn)用加權(quán)重的Unifrac算法進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA);通過RDP classifier把序列進(jìn)行物種分類;運(yùn)用R語言繪制熱圖,并對細(xì)菌門和理化指標(biāo)進(jìn)行冗余分析(RDA).

2 結(jié)果與討論

2.1 不同采樣點(diǎn)上覆水水質(zhì)特征

表2 不同采樣點(diǎn)上覆水主要水質(zhì)指標(biāo)

續(xù)表2

由表2顯示,南淝河不同采樣點(diǎn)上覆水pH值變化范圍為7.18~9.02,偏弱堿性;溶解氧(DO)變化范圍為0.15~7.54mg/L,其中共有9個(gè)樣本溶解氧含量遠(yuǎn)小于2mg/L,且多集中在中游城區(qū)段;葉綠素(chl-a)變化范圍為0.01~0.06mg/L.總氮(TN)含量為32.20~ 51.84mg/L;氨氮(NH3-N)為0.69~12.69mg/L;總磷(TP)含量普遍較高,其變化范圍分別為和0.25~ 2.54mg/L.結(jié)合國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838- 2002),南淝河各采樣點(diǎn)上覆水水質(zhì)指標(biāo)均未達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn),流經(jīng)合肥老城區(qū)的中游河段水質(zhì)較差,特別是NH3-N含量顯著高于上游和下游河段.

2.2 不同采樣點(diǎn)沉積物理化特征

采用SPSS軟件對上、中、下游的理化指標(biāo)進(jìn)行顯著性差異分析表明(表3),南淝河上、中、下游表層沉積物CEC、TOC、IEF-N和WAEF-N差異顯著(<0.05).pH值變化范圍為7.24~8.04,偏弱堿性,而通常微生物通過代謝活動對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解,釋放出的CO2和有機(jī)酸理論上會使pH值偏弱酸性,但所有樣本點(diǎn)pH值均偏弱堿性,這可能是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)區(qū)域支流眾多,彼此之間有較強(qiáng)的水力聯(lián)系,有機(jī)質(zhì)降解所產(chǎn)生的酸會受到稀釋,且人類活動頻繁,pH值則會更多地受周圍工業(yè)廢水和生活污水排入的影響.CEC表征了沉積物膠體的物理化學(xué)吸附性能,對生源要素在沉積物和上覆水界面的轉(zhuǎn)化過程具有重要影響,南淝河各采樣點(diǎn)CEC變化范圍為30.98~155.07cmol/kg,在一定程度上表征了南淝河沉積物具有較好的緩沖性能,其中S12的CEC值最高,可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)為農(nóng)業(yè)集中區(qū),眾多農(nóng)業(yè)活動可能會產(chǎn)生影響.

沉積物TOC可以較全面地反映水體受有機(jī)物污染的程度,其來源可能是水體自養(yǎng)生物的合成和陸源性污染物質(zhì)的輸入[15].南淝河不同采樣點(diǎn)TOC含量變化范圍為12.67~71.34g/kg,其中S9的TOC含量最高,可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)為污水廠尾水排放口,外源輸入的有機(jī)質(zhì)含量較高;且中游TOC的含量明顯高于上、下游,表明南淝河市中心附近的有機(jī)污染情況加重;位于橡膠壩后的S11~S17樣點(diǎn),TOC含量相對較低,可能是由于水流較快,沉積物泥沙含量較高.DOC含量變化范圍為0.253~1.124g/kg,其中南淝河中游采樣點(diǎn)表層沉積物DOC最高,上游次之,而下游普遍較低.特別是位于中游的王小郢污水廠尾水排放口S9的DOC高達(dá)1.124g/kg,位于望塘污水處理廠尾水排口S4的DOC含量也比較高,可能是因?yàn)槲鬯畯S尾水排放對沉積物DOC具有一定的積累效應(yīng).

磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制性營養(yǎng)元素,沉積物是水體中磷的主要貯存場所.南淝河不同采樣點(diǎn)表層沉積物TP變化范圍為785.58~3384.4mg/kg,平均為2107.4mg/kg,遠(yuǎn)高于與之相鄰的十五里河沉積物[16],說明該區(qū)域沉積物中磷對水體有較高的污染風(fēng)險(xiǎn). S16采樣點(diǎn)沉積物TP最高,可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)位于下游農(nóng)業(yè)集中區(qū),受農(nóng)業(yè)面源污染影響較大,加上該采樣點(diǎn)位于店埠河入南淝河河口,而該支流上游有一家大型磷礦企業(yè),其生產(chǎn)排水可能會造成該采樣點(diǎn)磷的累積.

有研究表明,沉積物中不同形態(tài)氮的環(huán)境地球化學(xué)行為存在差異[17].南淝河沉積物中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量的關(guān)系為SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N.有研究表明,SOEF-N含量和有機(jī)質(zhì)及沉積物的氧化還原環(huán)境相關(guān)性較大,沉積物生境的還原性越強(qiáng),對有機(jī)質(zhì)的保存越有利,礦化作用越弱,SOEF-N的含量越大[18];WAEF-N的產(chǎn)生和分布主要受碳酸鹽和pH的影響[19];SAEF-N的形成及分布受沉積物氧化還原環(huán)境的影響較大,當(dāng)水-沉積物界面為還原狀態(tài)時(shí)容易釋放并參加氮循環(huán)系統(tǒng)[20].除了位于雨水泵站排口的S6和S8兩個(gè)采樣點(diǎn)外,各采樣點(diǎn)中IEF-N是所有可轉(zhuǎn)化態(tài)氮形態(tài)中含量最低的,可能是該形態(tài)氮更容易從沉積物中釋放[21].

表3 南淝河采樣點(diǎn)表層沉積物理化指標(biāo)

2.3 不同采樣點(diǎn)沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

圖2 不同采樣點(diǎn)沉積物OTU數(shù)量分布

2.3.1 測序結(jié)果分析 南淝河17個(gè)樣本共得到365547條有效序列,并在97%相似值下進(jìn)行OTU聚類,共獲得49611種OTU,如圖2所示.其中S3,S4,S5,S6,S7,S9,S12,S13樣本中OTU數(shù)目相對較高,S4和 S9均為尾水排口,數(shù)量基本一致且較高;S13為污水廠排口加大型碼頭,有明顯的污水入河,所以O(shè)TU數(shù)量最多;S12為農(nóng)業(yè)集中區(qū),僅次于S13;整體而言中游河段細(xì)菌菌種數(shù)量相對于上、下游較高.S8有明顯的下降,可能是因?yàn)槠渌谖恢糜杏晁谜?起到稀釋作用,導(dǎo)致附近水體中營養(yǎng)物質(zhì)含量較低;S10、S11處也有所下降,可能是因?yàn)镾10處有橡膠壩,且該位置開始進(jìn)入郊區(qū),人口密度降低,土地利用強(qiáng)度下降,入河污染負(fù)荷減弱.

2.3.2 樣品多樣性分析 (1)α多樣性分析:由表4可知,不同采樣點(diǎn)沉積物Shannon指數(shù)在7.38~8.22之間,ACE指數(shù)在21421.72~55107.90之間,Chao1指數(shù)在13354.83~25658.03之間.中游樣本點(diǎn)的Shannon、ACE、Chao1指數(shù)相對上、下游較高,說明中游城區(qū)段的細(xì)菌多樣性較高,其中S4多樣性最高,該采樣點(diǎn)為望塘污水廠尾水排口,可能是因?yàn)樵擖c(diǎn)營養(yǎng)鹽含量較高且有利于微生物的生存,S16的Shannon指數(shù)最低,這可能與該位點(diǎn)處于南淝河下游且為農(nóng)業(yè)和工業(yè)集中區(qū),有毒有害物質(zhì)較多;各樣點(diǎn)沉積物細(xì)菌Simpson指數(shù)變化范圍為0.0008~0.0035,總體變化不大,處于輕微的波動,表明優(yōu)勢種群更替不明顯;除S2外,測序的覆蓋率均在74%~84%之間,雖然并沒有達(dá)到100%的覆蓋率,但是測序結(jié)果對樣本的解釋仍然在可信范圍內(nèi),測序深度已經(jīng)反映出該沉積物中大多數(shù)的細(xì)菌類群.

表4 各采樣點(diǎn)沉積物α多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

(2) β多樣性分析:選取對樣本解釋度最高的3個(gè)成分分析其樣本間的差異,通過PCoA分析結(jié)果可以明顯看出17個(gè)樣本中分布關(guān)系相近的類群傾向于聚在一起(圖3).其中,S1、S14、S15、S16、S17距離較近,S3、S6、S11、S12、S13距離較近,S4、S5、S7、S8、S9、S10相對集中,S2異質(zhì)性較高,整體而言,各樣本間的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在差異,且中游段位點(diǎn)間差異較上、下游相對較小.

圖3 不同采樣點(diǎn)沉積物主坐標(biāo)分析

2.3.3 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析 (1)門水平下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

圖4 沉積物樣品中門水平所有樣本菌群分布

圖4為南淝河不同采樣點(diǎn)表層沉積物門水平下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu).由圖4可知,沉積物中門水平主要有35個(gè)細(xì)菌門,其中最優(yōu)勢細(xì)菌類群為變形菌門(相對豐度為21%~54%),其次是綠彎菌門(相對豐度為6%~30%)、擬桿菌門(相對豐度為5%~20%)、厚壁菌門(相對豐度為4%~20%),這些細(xì)菌門在滇池[22]、太湖[23]、水庫[24]等中也有發(fā)現(xiàn);同時(shí)放線菌門、疣微菌門、酸桿菌門、浮霉菌門、衣原體、互養(yǎng)菌門、藍(lán)藻門等均有發(fā)現(xiàn).此外,S14樣本點(diǎn)變形菌門含量達(dá)到了50%以上,可能與處于重度污染的二十埠河的匯入有關(guān);S4是唯一綠彎菌門含量比變形菌門含量高的采樣點(diǎn),可能是因?yàn)橥廖鬯畯S尾水水質(zhì)與其他樣點(diǎn)水質(zhì)存在差異.

(2)綱水平下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu):圖5為南淝河不同采樣點(diǎn)表層沉積物綱水平下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu).由圖5可知,沉積物中綱水平主要有49個(gè)類群,其中厭氧繩菌綱、γ-變形菌綱、梭狀芽胞桿菌綱、δ-變形菌綱為優(yōu)勢菌群,其次含量較高的有β-變形菌綱(Betaproteobacteria)和α-變形菌綱(Alphaproteobacteria),且只在S3、S15、S16、S17樣本中發(fā)現(xiàn)了ε-變形菌綱,說明其在南淝河沉積物中并不是普遍存在,可能與某種特殊污染物有關(guān).過去研究表明在受碳?xì)浠衔镉绕涫嵌喹h(huán)芳烴(PAHs)污染的Apapa沉積物中,ε-變形菌綱的豐度最高[25]. γ-變形菌綱則是太湖富營養(yǎng)化嚴(yán)重時(shí)的優(yōu)勢菌群[26].

圖6 沉積物樣品中屬水平物種豐度

(3)屬水平下細(xì)菌群落結(jié)構(gòu):將樣本和屬水平下的菌群信息進(jìn)行聚類后繪制熱圖(圖6),如圖6所示,南淝河表層沉積物中屬于綠彎菌門中厭氧繩菌綱的、、,屬于變形菌門中γ-變形菌綱的、δ-變形菌綱的、β-變形菌綱的,屬于擬桿菌門中鞘脂桿菌綱的、黃桿菌綱的豐度相對較高. Bai等[25]利用454高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)在有機(jī)污染重的滇池草海中和為優(yōu)勢菌群.此外,S5、S7、S8、S11、S12和S2、S9、S10以及S4聚為一類,S3、S6、S13和S15、S16、S17以及S1、S14聚為一類,整體上屬水平下中游河段沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似性較高.

2.4 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

將門水平下樣本中的細(xì)菌物種與沉積物的理化指標(biāo)進(jìn)行RDA分析,結(jié)果如圖7所示.第一軸的主要影響因子是CEC、TP、WAEF-N、IEF-N和DOC,第二軸的主要影響因子是TOC和DOC, 即說明CEC、TOC、DOC、TP、WAEF-N和IEF-N對南淝河沉積物中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大.過去也有研究表明,有機(jī)質(zhì)、TOC、TN、TP以及C/N是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子[27-30],本研究結(jié)果總體與上述相似,但與Wu等[31]對有機(jī)碳的分析結(jié)果存在差異.另外,本研究通過不同形態(tài)氮與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的RDA分析結(jié)果顯示,WAEF-N對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大.

圖7 門水平下沉積物RDA分析

由圖7還可發(fā)現(xiàn),17個(gè)樣本點(diǎn)分布相對離散,說明微生物群落結(jié)構(gòu)特征存在差異,且距離原點(diǎn)較遠(yuǎn),說明受理化指標(biāo)影響較大;其中,S4、S8和S7的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征與TOC和DOC呈正相關(guān);S1、S9、S15和S17細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似,聚集在第二象限,受pH值影響較大;S14則主要受SAEF-N 影響;S2和S11主要與WAEF-N、IEF-N呈正相關(guān);S5和S13主要與CEC呈正相關(guān);S3、S6、S10和S12聚集于第一象限,主要與TP呈正相關(guān),其中S6和S10的相對位置距離較近,說明相似度較高,二者均設(shè)有泵站或橡膠壩等水利設(shè)施,可能有利于有機(jī)質(zhì)的積累與微生物的增長.此外,除相對豐度較高的4種細(xì)菌外,絕大部分菌種聚集分布在靠近原點(diǎn)的位置,說明它們之間有較強(qiáng)的依存關(guān)系,且理化指標(biāo)對它們的影響較小.但變形菌門相對豐度與TP呈正相關(guān),擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度與TP、CEC、IEF-N和WAEF-N呈正相關(guān), 其中主要影響因子為TP.變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門相對豐度均與TOC和DOC呈負(fù)相關(guān);綠彎菌門與WAEF-N、IEF-N、CEC和TP呈正相關(guān),且主要影響因子為WAEF-N. 分析結(jié)果進(jìn)一步表明,沉積物中的優(yōu)勢細(xì)菌群落與部分理化指標(biāo)關(guān)系密切.

3 結(jié)論

3.1 南淝河上覆水質(zhì)為劣Ⅴ類,其中氨氮超標(biāo)嚴(yán)重.不同采樣點(diǎn)表層沉積物樣的CEC、TOC、IEF-N和WAEF-N差異顯著,其中位于中游的老城區(qū)河段采樣點(diǎn)TOC和DOC明顯高于上游和下游采樣點(diǎn);可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量關(guān)系為SOEF-N>WAEF-N>SAEF-N>IEF-N,其中SOEF-N是沉積物可轉(zhuǎn)化氮素中主要形態(tài).

3.2 南淝河中游城區(qū)段細(xì)菌的多樣性和相似性均高于上、下游;不同采樣點(diǎn)表層沉積物中門水平優(yōu)勢菌群為:變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、厚壁菌門;綱水平優(yōu)勢菌群為厭氧繩菌綱、γ-變形菌綱、梭狀芽胞桿菌綱、δ-變形菌綱;屬水平優(yōu)勢菌群為長繩菌屬和芽孢桿菌屬.

3.3 RDA分析結(jié)果表明,沉積物的CEC、TOC、DOC、TP、WAEF-N和IEF-N為導(dǎo)致細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征差異的關(guān)鍵影響因子;此外,變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門受TP影響較大,綠彎菌門則受WAEF-N影響較大.以上結(jié)論為今后深入研究沉積物細(xì)菌種群與環(huán)境因素的關(guān)系提供一定參考.

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Microbial community structure characteristics and its key driving factors in surface sediments along Nanfei River.

YANG Chang-ming1*, WU Ya-qiong1, WANG Yu-lai2, GUO Yun-hao1

(1.Key Laboratory of Yangtze Water Environment of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Maanshan 234000, China)., 2018,38(9)：3552~3561

In order to explore the differences in bacterial community structure and its driving factors in the sediment of Nanfei River, the key physiochemical parameters including pH, CEC, TOC, DOC, and various forms of nitrogen were determined in the surface sediment samples along Nanfei River with different land uses such as urban, suburb, industrial park and rural areas. Specially, sediment bacterial community structure characteristics were analyzed by using MiSeq high-throughput sequencing technology. The relationships between sediment bacterial community structure and aforementioned physiochemical parameters were examined by redundancy analysis (RDA). The results showed that the major bacterial phylum is Proteobacteria in the surface sediments, followed by Chloroflexi, Bacteroidetes, Firmicutes. At the level of class, the major bacterial class are Anaerolineae, Gammaproteobacteria, Clostridia, Deltaproteobacteria besides the unclassified. Epsilonproteobacteria were detected mainly in sediment samples from downstream of the Nanfei River, suggesting that they were not ubiquitous in the sediment ecosystem of the Nanfei River. Most of the genus is unclassified, withandbeing predominant species. Different types of land uses along the Nanfei River led to different pollution sources and discharging load will result in different physicochemical properties of surface sediment, which in turn reshape the bacterial community structure of the sediment. The bacterial diversity in the sediments from urban and industrial areas of the middle reaches is generally higher than that in the upper and lower reaches. RDA analysis indicated that the sediment CEC, TOC, DOC, TP, nitrogen in weak acid extractable form (WAEF-N) and nitrogen in ion exchangeable form (IEF-N) were the key factors driving the differences in the structural characteristics of bacterial communities in the sediment of Nanfei River. The influence of TP was significant on Proteobacteria, Bacteroidetes and Firmicutes, and WAEF-N had a greater influence on Chloroflexi.

Nanfei River；surface sediments；bacterial communities；MiSeq high-throughput sequencing；redundancy analysis (RDA)

X522

A

1000-6923(2018)09-3552-10

楊長明(1973-),男,安徽巢湖人,研究員,博士,主要從事污染底泥和土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與修復(fù)技術(shù)研究.發(fā)表論文60余篇.

2018-01-18

國家水污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2017ZX07603-003);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608002)

* 責(zé)任作者, 研究員, cmyang@#edu.cn