基于高通測序方法的遼河流域水生植物微生物群落吸附試驗

張 磊

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水生植物對河流水質(zhì)具有一定程度的凈化作用，尤其是對重金屬和氮磷污染物具有較為明顯的吸附作用[1]。細菌微生物主要吸附在植物的表面，和水生植物松散或緊密結(jié)合在一起形成具有共生的細菌微生物[2]。水生植物作為生態(tài)系統(tǒng)機構(gòu)的生產(chǎn)初級者，對水生態(tài)系統(tǒng)的機構(gòu)和功能影響較為明顯[3]。水生植物可對污染物進行吸附的同時，通過光合作用為水生生物棲息和產(chǎn)卵提供條件。沉水和浮葉植物通過漂浮葉面為微生物群落提供吸附空間，微生物與生物膜之間存在緊密聯(lián)系，相互影響[4]。近些年來，高通測序方法被廣泛應用于河流水生植物微生物群落吸附分析[5-11]，但在遼河流域還未得到相關(guān)應用，遼河為遼寧省第一大河，是遼寧母親河，其河流生態(tài)一直是社會關(guān)注的熱點問題，為加大對遼河流域的生態(tài)保護和修復，遼寧省制定了許多遼河生態(tài)保護的措施，遼河流域的生態(tài)功能得到不同程度的改善和修復[12]。但生態(tài)治理措施中于水生植物微生物群落對污染物吸附分析的研究還較少，多個研究成果均表明[13-15]水生植物生物群落吸附作用有助于流域水生態(tài)功能結(jié)構(gòu)的改善。本文采用高通測序方法對遼河流域5種典型水生植物不同季節(jié)的微生物群落進行吸附試驗分析，分析其對水質(zhì)吸附的影響。研究成果對于遼河流域水生態(tài)保護和修復規(guī)劃具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.2 現(xiàn)場采樣測定情況

以遼河流域5種水生植物為研究對象，水體樣本和水生植物均來自于大凌河流域。各樣本采集的時間分別為2019年3月(春季)、2019年8月(夏季)、2019年11月(秋季)以及2019年12月(冬季)。 夏季和秋季現(xiàn)場采樣和測定如圖1所示。

圖1 夏季和秋季現(xiàn)場采樣和測定場景

1.3 水質(zhì)的測定

對遼河流域個水質(zhì)監(jiān)測站的水質(zhì)進行了試驗測定，水質(zhì)測定情況見表1，結(jié)合不同季節(jié)的水質(zhì)測定數(shù)據(jù)，對采樣區(qū)域不同水生植物的污染物吸附率進行了分析，數(shù)據(jù)主要室內(nèi)試驗測定得到，試驗結(jié)果見表2。

表1 水質(zhì)監(jiān)測站水質(zhì)測定結(jié)果

表2 各季節(jié)不同類型水生植物污染物削減量結(jié)果

1.4 生物群落的測定

采樣高通測序方法對不同水生植物的生物群落進行測定，以各樣本長度為橫坐標，以其對應不同長度的數(shù)值為縱坐標進行測序分布分析，將不同測序劃分為多個菌群多樣性指數(shù)，測序閾值在13%可表示為微生物物種，微生物的屬以5%OTU來表示，微生物的綱以15%OTU來表示，以不同類型序列為代表，采用RDP訓練數(shù)據(jù)庫為樣本數(shù)據(jù)系列進行注釋，得到不同OTU原始分類數(shù)據(jù)系列，由于原始數(shù)據(jù)系列含有的OTU數(shù)據(jù)系列較少，序列的置信水平較低，對樣品中測定的不同微生物的數(shù)目和豐度進行統(tǒng)計，隨著高通測序數(shù)據(jù)樣本序列的增加，對樣本曲線進行稀釋，當稀釋后曲線逐步平穩(wěn)后，可表示為測序樣本序列已經(jīng)足夠。對高通測序進行校正，分析其微生物的覆蓋指數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 遼河流域不同水生植物的生物群落高通測序分析結(jié)果

2 不同水生植物附著微生物多樣性及密度試驗結(jié)果

2.1 微生物多樣性指數(shù)分析結(jié)果

采用高通測序方法，對遼河流域色球藻科、大螺旋藻、環(huán)狀扇形藻、北方橋彎藻以及短棘盤星藻5種水生植物在不同季節(jié)的多樣性指數(shù)進行分析，結(jié)果見表4。

表4 遼河流域種典型水生植物不同季節(jié)多樣性指數(shù)分析結(jié)果

遼河流域各個季節(jié)色球藻科多樣性指數(shù)均高于其他類型水生植物，為遼河流域多樣指數(shù)最高的水生植物，各典型水生植物夏季的覆蓋指數(shù)最大，進

入冬季后覆蓋度指數(shù)最小，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化特征。從水生植物適宜性評價的Shannon指數(shù)和Simpon指數(shù)可看出，在遼河流域夏季和秋季水生植物的豐富度和覆蓋度指數(shù)均高于其他兩個季節(jié)，具有較高的適宜性，各藻類生物吸附特征要高于水生植物浮葉表層。

2.2 微生物數(shù)量測定結(jié)果

對遼河流域5種典型水生植物微生物吸附密度行測定分析，結(jié)果見表5。

表5 遼河流域5種典型水生植物單位密度下生物群落數(shù)量測定結(jié)果

色球藻科作為遼河流域覆蓋度較高的水生植物其微生物吸附的數(shù)量也較大，其次為大螺旋藻，短棘盤星藻由于覆蓋指數(shù)較低，其微生物吸附的數(shù)量和密度均較低。受水生植物季節(jié)生長變化，其不同季節(jié)微生物吸附的數(shù)量和密度也存在明顯的季節(jié)性變化，夏季水生植物吸附密度最高，而進入秋季和冬季后微生物吸附數(shù)量遞減較為明顯。浮葉類植物表層微生物吸附數(shù)量較低，但進入秋季后短棘盤星作為遼河流域典型浮葉植物其微生物吸附數(shù)量要高于其他類型水生植物。

3 微生物吸附群落結(jié)構(gòu)分析

3.1 微生物群落豐富度分析

對不同季節(jié)遼河流域5種典型水生植物的微生物群落豐富度進行了對比分析，分析結(jié)果見表6。

通過采樣測定分析，變形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂桿菌、桿菌、疣微菌為遼河流域各典型水生植物主要吸附的菌類植物，其豐富度之和占總菌類微生物的比例高達90%以上，不同水生植物微生物菌落呈現(xiàn)較為明顯的季節(jié)變化特征，其中變形菌為夏季和秋季第一優(yōu)勢菌種微生物，而冬季和春季其優(yōu)勢度有所下降，桿菌的優(yōu)勢隨著冬季氣溫的降低而有所提高。

3.2 微生物群落優(yōu)屬度分析結(jié)果

對遼河流域各典型水生植物的微生物吸附群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)屬度進行分析，結(jié)果見表7。

從各典型水生植物的菌類微生物的優(yōu)勢度分析結(jié)果可看出，夏季和秋季各類微生物優(yōu)屬度均好于其他季節(jié)，受到水生植物生長以及分泌物關(guān)聯(lián)影響，冬季和春季各菌類微生物呈現(xiàn)一定的專一宿主變化。受到光合作用影響沉水藻類植物的菌類微生物優(yōu)屬度有所增加。季節(jié)溫度對其菌類微生物群落結(jié)構(gòu)的影響要高于其植物類型的變化影響。水生植物初期菌類發(fā)育隨機度較大，通過對周圍水體養(yǎng)分快速吸收來加速生長，其吸附群落結(jié)構(gòu)變化相對較為穩(wěn)定。水溫的遞減使得各類水生植物微生物吸收養(yǎng)分有所減少，也加速了菌類微生物的衰亡速率。也表明水生植物微生物吸附受水溫環(huán)境影響較大。

3.3 附著微生物群落與水環(huán)境相關(guān)性度分析結(jié)果

結(jié)合環(huán)境因子相關(guān)分析方法對遼河流域各季節(jié)5種典型水生植物吸附的微生物數(shù)量與水環(huán)境因子進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表8。

從可看出，各類型微生物菌類數(shù)量在春季與TP、TN、pH均為負相關(guān)，與COD呈現(xiàn)正相關(guān)，且與TN相關(guān)系數(shù)最高。各菌類水量在夏季豐富度指數(shù)均較高，且與各類水環(huán)境因子均為正相關(guān)。夏季由于水溫較高其微生物菌類吸附的數(shù)量相對較大，其與水環(huán)境因子的相關(guān)系數(shù)要高于其他季節(jié)。秋季各類型微生物菌類與TN、TP負相關(guān)性較為明顯，冬季由于水溫較低，其微生物菌類吸附數(shù)量較少，使得其水環(huán)境因子的相關(guān)性較低。

表8 遼河流域各季節(jié)水生植物附著微生物群落與水環(huán)境相關(guān)性分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)變形菌門對有機碳和重金屬降解有顯著效果，主要吸附在藻類水生植物根系上，建議可增加夏季和秋季遼河流域藻類水生植物數(shù)量，提高變形菌類微生物的吸附密度。

(2)桿菌對水體中有機物的降解具有一定的效果，其主要吸附于浮葉類植物，因此建議在秋季可適當增加短棘盤星的數(shù)量，從而提高桿菌類微生物的吸附密度，降低遼河流域水體有機物的濃度。

(3)微生物菌類對水體中有機碳、重金屬以及有機物有生物降解作用，但其生態(tài)功能還需要進一步討論，尤其是在夏季其和TN、TP呈現(xiàn)正相關(guān)性，因此其對于水生植物生態(tài)適宜數(shù)量還需進一步探討。