季節(jié)性凍融對(duì)寧武公海湖細(xì)菌群落多樣性的影響

柴寶峰，李曉琪，劉晉仙

（山西大學(xué) 黃土高原研究所，黃土高原生態(tài)恢復(fù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

季節(jié)性凍融是溫帶大陸氣候和溫帶季風(fēng)氣候區(qū)重要的氣候特征。世界上大約有一半的湖泊，尤其是在中高緯度地區(qū)的湖泊都存在季節(jié)性凍融現(xiàn)象［1］。湖冰物候受區(qū)域以及全球氣候變化影響，而高海拔的山地是氣候變化的敏感區(qū)［2］。近年來(lái)，由于全球氣溫升高，湖泊覆冰時(shí)間減少，導(dǎo)致湖泊的季節(jié)性動(dòng)態(tài)發(fā)生變化［1］，進(jìn)而改變湖泊的生態(tài)功能［3］。湖冰在蓄積熱量、控制湖泊水體溫度、維持湖泊生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。冰層對(duì)湖泊的影響包括降低水溫、降低光合有效輻射、改變湖泊水體混合狀態(tài)、減少水體和大氣交換、減少陸源徑流輸入等，并且可以通過(guò)改變這些能量和物質(zhì)輸入的時(shí)間和空間特征影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)。溫度變化直接影響凍融過(guò)程的發(fā)生，并使湖泊水動(dòng)力發(fā)生變化［4］，從而對(duì)微生物的分布和多樣性造成影響，進(jìn)而影響到更高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，最終對(duì)整個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響［5］。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通常是山地湖泊中影響微生物生長(zhǎng)的限制因素，在冰雪覆蓋期間發(fā)生的營(yíng)養(yǎng)狀況的改變可能會(huì)篩選出寡營(yíng)養(yǎng)型微生物類(lèi)群；光有效輻射的降低會(huì)影響光合自養(yǎng)微生物的豐度和活性，從而改變冰期的初級(jí)生產(chǎn)力。盡管湖冰物候的改變會(huì)導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生一系列變化，但季節(jié)性凍融如何影響山地湖泊生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌群落的多樣性目前尚不清楚。已有的研究也僅通過(guò)對(duì)比湖冰產(chǎn)生前后的湖泊條件來(lái)間接推斷微生物群落的變化［6］，有研究表明湖泊中的微生物在不同季節(jié)間的變化存在級(jí)聯(lián)效應(yīng)，如冬季湖泊中藻類(lèi)的組成和多樣性直接決定春季是否會(huì)出現(xiàn)水華［7］，因此進(jìn)一步深入了解冬季湖泊狀況，對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)具有重要意義。

細(xì)菌是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員，不僅是多種元素循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者，也是水生食物網(wǎng)的主要組分。細(xì)菌群落數(shù)量龐大，種類(lèi)繁多，在微食物網(wǎng)中占據(jù)重要地位。已有研究表明，湖泊深度［8］、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度［9］、降水量［10］、水體溫度［11］等都會(huì)影響細(xì)菌群落的多樣性及其空間分布。凍融過(guò)程對(duì)細(xì)菌群落影響的研究多集中在土壤［12］、海洋和極地［13］，這些研究結(jié)果表明凍融顯著改變了細(xì)菌群落的組成和結(jié)構(gòu)［14］。在許多淡水和沿海系統(tǒng)中，微生物群落的季節(jié)差異與有機(jī)物和養(yǎng)分輸入的差異有關(guān)，而在內(nèi)陸淡水山地湖泊中細(xì)菌群落在凍融過(guò)程中是否和其他生境中的變化具有一致性，目前還未有報(bào)道。因此對(duì)凍融過(guò)程中細(xì)菌群落在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中適應(yīng)性的全面了解，對(duì)于未來(lái)更好地管理和維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能具有深遠(yuǎn)的意義。本研究通過(guò)分析冰封期和消融期山西寧武公海湖中的細(xì)菌群落，旨在探討以下問(wèn)題：（1）季節(jié)性凍融如何影響細(xì)菌群落的組成和多樣性？（2）季節(jié)性凍融如何影響細(xì)菌群落中不同物種間的互作關(guān)系？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

公海湖（38°91′N(xiāo)，112°23′E），位于山西省寧武縣西南的管涔山，海拔1 854 m，面積0.36 km2，最大水深約8 m，湖床平坦，為降水補(bǔ)給的小型封閉淡水湖［15］。該區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)多風(fēng)雪，夏季涼爽，降水充沛，年平均氣溫6.2℃，年均降水量470 mm～770 mm。公海湖于每年11月初開(kāi)始結(jié)冰進(jìn)入冰封期，一直持續(xù)到翌年3月底，在這段時(shí)間內(nèi)湖面被冰層完全覆蓋，湖水波動(dòng)較小，處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著天氣轉(zhuǎn)暖，冰層逐漸消融，直至4月底完全融化（圖1）。在冰封期，湖水和外界無(wú)直接接觸，處于隔絕狀態(tài)，水體在冰蓋下和大氣之間的物質(zhì)能量交換被阻隔。

圖1 山西省寧武縣公海湖全景圖（A）2019年4月消融期；（B）2018年12月冰封期Fig.1 Gonghai Lake located in Ningwu，Shanxi.（A）Ice free in April 2019；（B）Ice covered in December 2018

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集、理化性質(zhì)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)所用樣品分別采集于2018年12月和2019年4月。在公海湖中央從表面到湖底每隔2 m設(shè)立一個(gè)采樣點(diǎn)，共5個(gè)采樣點(diǎn)（分別是0 m、2 m、4 m、6 m、8 m），每個(gè)采樣點(diǎn)取3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)間隔1 m左右。在每個(gè)采樣點(diǎn)利用采水器收集水樣3 L裝于無(wú)菌塑料桶中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，后用0.2 μm聚碳酸酯濾膜過(guò)濾2.5 L，然后把濾膜放置到無(wú)菌離心管中，于-20℃保存用于后續(xù)微生物基因組的提取，剩余的0.5 L用于理化性質(zhì)分析。

水體溫度（T）、pH、電導(dǎo)率（EC）、溶解氧（DO）、鹽度（SAL）、氨態(tài)氮（）和硝態(tài)氮（）含量用便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀（Aquread AP-2000，UK）原位測(cè)定；總碳（TC）、總有機(jī)碳（TOC）和無(wú)機(jī)碳（IC）含量用TOC分析儀（Shimadzu，TOC-VCPH，Japan）測(cè)定；亞硝態(tài)氮（）、硫酸鹽（）和磷酸鹽（）含量用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（Cleverchem Anna，DeChem-Tech，Germany）測(cè)定。

1.2.2 樣品DNA提取及高通量測(cè)序

用快速提取試劑盒（MP Biomedicals，Solon，OH，USA）提取水體樣本基因組，測(cè)定濃度和純度后于-20℃保存。細(xì)菌PCR擴(kuò)增使用引物338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG） 和 806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）擴(kuò)增 V3-V4高變區(qū)，擴(kuò)增體系及條件參照Liu等人的方法［16］進(jìn)行。通過(guò)Illumina Miseq高通量測(cè)序平臺(tái)（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序。獲得序列后，將原始序列在FLASH中進(jìn)行合并，并使用QIIME去除嵌合體，按照97%的相似性進(jìn)行操作分類(lèi)單元（operational taxonomic units，OTU）聚類(lèi)，細(xì)菌序列使用SILVA庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，置信閾值為70%。最后對(duì)所得OTU按最小樣本序列數(shù)抽平后進(jìn)行后續(xù)分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)使用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，不符合的使用wilcoxon秩和檢驗(yàn)。水體理化參數(shù)的季節(jié)間差異使用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)的季節(jié)間差異和細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的組間差異用wilcoxon秩和檢驗(yàn)分析；利用Spearman相關(guān)性分析不同季節(jié)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群和環(huán)境因子的相關(guān)性（SPSS 20.0）；基于Bray-Curtis距離的PCoA用于分析細(xì)菌群落的空間分布格局（R軟件Ape程序包），用ANOSIM分析檢驗(yàn)群落結(jié)構(gòu)的差異性（R軟件Vegan程序包），在Canoco 5軟件中通過(guò)前選擇篩選出對(duì)群落結(jié)構(gòu)有顯著影響的環(huán)境因子，然后通過(guò)冗余分析（RDA）分析細(xì)菌群落和水體理化參數(shù)的關(guān)系。為了揭示細(xì)菌群落間的相互作用，在屬水平采用隨機(jī)矩陣原理（random matrix theory，RMT）構(gòu)建不同時(shí)期微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)［17］。網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)參數(shù)及相關(guān)過(guò)程均在Molecular Ecological Network Analyses Pipeline（MENA）（http：//ieg4.rccc.ou.edu/mena）網(wǎng)站上完成［18］。為確保在同等條件下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，采用0.83的閾值來(lái)構(gòu)建冰封和消融期的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，最后利用Cytoscape 3.6.1軟件將結(jié)果可視化。所有統(tǒng)計(jì)分析的顯著性水平均為95%（P＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 水體理化因子

水體理化參數(shù)在季節(jié)性凍融過(guò)程中發(fā)生了顯著改變。湖面覆冰消融后的4月水體T、DO、、、TC、TOC和IC濃度顯著增高（P＜ 0.05）；而EC和濃度則在12月的冰封期較高（P＜0.05）；濃度在2個(gè)時(shí)期間沒(méi)有顯著的變化（表1）。

表1 公海湖在消融期和冰封期的水體理化參數(shù)Table 1 Physicochemical parameters in ice-free and ice-cov‐ered periods of Gonghai Lake

2.2 細(xì)菌群落組成

在冰封期和消融期的細(xì)菌群落隸屬于53個(gè)門(mén)，126個(gè)綱，338個(gè)目，575個(gè)科，1 039個(gè)屬，2 066個(gè)種，5 090個(gè)OTU。相對(duì)豐度＞1%的分類(lèi)群定義為優(yōu)勢(shì)類(lèi)群，相對(duì)豐度＜1%的合并為其他（others）。其中6個(gè)門(mén)為優(yōu)勢(shì)門(mén)，包括放線菌門(mén)（Actinobacteria）、變形菌門(mén)（Proteobacteria）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、藍(lán)藻門(mén)（Cyanobacteria）、疣微菌門(mén)（Verrucomicrobia）和Patescibacteria（圖2A）。共有27個(gè)優(yōu)勢(shì)屬，其中HgcI_clade是豐度最高的屬，其相對(duì)豐度在冰封期和消融期分別占12.15%和16.82%（圖2B）。

圖2 消融期和冰封期優(yōu)勢(shì)細(xì)菌組成。（A）優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)；（B）優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬Fig.2 Composition of dominant bacterial taxas during ice free and ice covered periods.（A）Phylum level；（B）Genus level.

對(duì)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)豐度的組間差異性分析的結(jié)果顯示，放線菌門(mén)的相對(duì)豐度在消融期顯著高于冰封期，而擬桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)的相對(duì)豐度在冰封期較高，其余3個(gè)優(yōu)勢(shì)門(mén)的相對(duì)豐度在季節(jié)性消融過(guò)程中均沒(méi)有發(fā)生顯著變化（圖3A）。在屬水平上，27個(gè)優(yōu)勢(shì)屬中有23個(gè)優(yōu)勢(shì)屬的相對(duì)豐度在湖面覆冰消融過(guò)程中發(fā)生了顯著變化。Fluviicola、LD29、Candidatus_Aquirestis、norank_o__PeM15、GKS98_freshwater_group、norank_f__NS11-12_marine_group、MWH-UniP1_aquatic_group、定慧桿菌（Dinghuibacter）、Terrimicrobium和噬冷菌屬（Algoriphagus）這10個(gè)屬的相對(duì)豐度在冰封期顯著高于消融期；其余13個(gè)屬的相對(duì)豐度則在消融期顯著高于冰封期（圖3B）。優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)豐度在湖冰凍融過(guò)程中的變化與水體理化參數(shù)有顯著的相關(guān)性，不論是在門(mén)水平還是屬水平不同類(lèi)群相對(duì)豐度的變化主要受T、pH、DO、EC、氮和碳（TC、TOC）等理化因子變化的影響（圖4）。

圖3 消融期和冰封期細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)（A）門(mén)水平；（B）屬水平Fig.3 Changes in relative abundance of dominant bacterial taxas during the ice free and ice covered period（A）Phylum level；（B）Genus level

圖4 水體理化參數(shù)和細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群相對(duì)豐度的相關(guān)性熱圖（A）門(mén)水平（B）屬水平Fig.4 Heat map of the correlation between the physical and chemical parameters of the water and the relative abundance of dominant bacterial taxas（A）Phylum level（B）Genus level

2.3 細(xì)菌群落的多樣性

細(xì)菌群落的α多樣性在季節(jié)性凍融過(guò)程中發(fā)生了一定的變化。在消融期細(xì)菌群落的OTUs和Simpson指數(shù)顯著高于冰封期（P＜0.05），而Shannon指數(shù)在兩個(gè)時(shí)期間沒(méi)有顯著差異（圖5）。OTU數(shù)目與多種理化因子（除了和）存在顯著的相關(guān)性，Simpson指數(shù)主要與TC和TOC顯著相關(guān)（表2）。

圖5 消融期和冰封期細(xì)菌群落的α多樣性Fig.5 Alpha-diversity of bacterial communities during the ice-free and ice-covered periods

表2 細(xì)菌群落α多樣性與水體理化參數(shù)的Spearman相關(guān)性分析Table 2 Spearman Correlation analysis of α-diversity of bacterial community and physicochemical parameters in Gonghai Lake

細(xì)菌群落β多樣性在冰封期和消融期間變化顯著。基于Bray-Curtis距離的PCoA分析結(jié)果顯示，兩個(gè)時(shí)期細(xì)菌群落明顯分離（ANOSIM，R=0.986，P＜ 0.01），在冰封期不同采樣點(diǎn)的群落更聚集（圖6A）。RDA結(jié)果顯示，細(xì)菌群落β多樣性在2個(gè)時(shí)期的差異主要受水體T、DO、和TOC的顯著影響（F=12.5，P＜ 0.01，圖6B）。

圖6 消融期和冰封期（A）在OTU水平基于Bray-Curtis距離的細(xì)菌群落PCoA排序圖；（B）細(xì)菌群落與水體理化參數(shù)的RDA分析Fig.6 （A）PCoA ordination of bacterial community distribution pattern based on Bray-Curtis distance at OTU level；（B）RDA analysis of bacterial community and physical and chemical parameters of water in ice-free and ice-covered periods

2.4 不同時(shí)期細(xì)菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

細(xì)菌群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖（圖7）在冰封期共有93個(gè)節(jié)點(diǎn)，155條邊，平均度為3.333，平均聚集系數(shù)為0.298，平均路徑距離為3.671；在消融期節(jié)點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)和模塊數(shù)均高于冰封期，共有188個(gè)節(jié)點(diǎn)和677條邊，平均度為7.202，平均聚集系數(shù)為0.277，平均路徑距離為4.049。冰封期正相關(guān)邊數(shù)占82.581%，負(fù)相關(guān)邊數(shù)占17.419%；消融期正相關(guān)邊數(shù)占66.027%，負(fù)相關(guān)邊數(shù)3占3.973%（表3）。兩個(gè)時(shí)期不同屬間主要為正相關(guān)關(guān)系，但由冰封期過(guò)渡到消融期正相關(guān)邊數(shù)占比有所降低，負(fù)相關(guān)邊數(shù)占比提升了將近16%。在冰封期多數(shù)節(jié)點(diǎn)隸屬于變形菌門(mén)（37個(gè)），其次是擬桿菌門(mén)（16個(gè)）和放線菌門(mén)（14個(gè)）；消融期多數(shù)節(jié)點(diǎn)隸屬于變形菌門(mén)（77個(gè)），其次是擬桿菌門(mén)（28個(gè)）和放線菌門(mén)（23個(gè)）（圖7）。

表3 消融期和冰封期細(xì)菌群落網(wǎng)絡(luò)圖屬性Table 3 Network properties of bacterial community in ice-free and ice-covered periods

圖7 （A）消融期和（B）冰封期細(xì)菌群落共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Co-occurrence network of bacterial community in（A）ice-free period and（B）ice-covered periods

從冰封期到消融期，細(xì)菌群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在消融期共有3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分別是norank_f_Rhodocyclaceae、Sphingorhabdus和 氫 噬胞菌屬（Hydrogenophaga），這三個(gè)細(xì)菌屬均隸屬于變形菌門(mén)，其中Sphingorhabdus和氫噬胞菌屬為模塊中心點(diǎn)，norank_f_Rhodocyclaceae為連接節(jié)點(diǎn)（圖8）。

圖8 消融期和冰封期細(xì)菌類(lèi)群拓?fù)渥饔肍ig.8 Topological roles of bacterial taxas in ice-free and ice-covered periods

3 討論

3.1 季節(jié)性凍融對(duì)細(xì)菌群落的影響

微生物豐度和組成的變化往往是對(duì)氣候變化和養(yǎng)分有效性的響應(yīng)［19］。本研究表明，多數(shù)細(xì)菌的相對(duì)豐度在湖冰凍融過(guò)程中發(fā)生了顯著變化，而這與水體的理化參數(shù)變化顯著相關(guān)。季節(jié)性凍融主要由于溫度變化所致。溫度可以改變微生物的豐度和代謝活性，對(duì)細(xì)菌群落有選擇作用，同時(shí)對(duì)微生物的季節(jié)動(dòng)態(tài)演替也有很好的預(yù)測(cè)作用［20］。與多數(shù)研究結(jié)果一致，本研究中放線菌門(mén)、變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)為主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)，在淡水中廣泛分布。放線菌門(mén)的相對(duì)豐度在消融期顯著高于冰封期，而擬桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)的變化趨勢(shì)則相反，在冰封期它們的相對(duì)豐度明顯升高（圖3）。放線菌多數(shù)是好氧菌，多分布在有機(jī)物豐富的地區(qū)，屬于放線菌門(mén)的hgcI_clade屬的豐度在消融期顯著高于冰封期，其豐度變化和TOC濃度顯著正相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)hgcI_clade對(duì)含碳化合物的利用能力較強(qiáng)［21］，因此有機(jī)物豐富且DO充足的消融期更適合放線菌的生長(zhǎng)。擬桿菌自身對(duì)低溫嚴(yán)寒有很好的適應(yīng)性［22］，所以能夠在冰封期更好的生存，這與在土壤中觀察到的現(xiàn)象一致［23］。疣微菌門(mén)廣泛分布在各個(gè)生境中，在前期的研究中被證明更偏愛(ài)生活在寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中［24］，它們和呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4A），在冰封期的相對(duì)豐度顯著高于消融期，歸屬于疣微菌門(mén)的屬LD29被發(fā)現(xiàn)在冰封期的相對(duì)豐度顯著高于消融期（圖3B），冰封期冰蓋減少了外部對(duì)水體的物質(zhì)輸送，湖泊中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較消融期匱乏（表1），這一時(shí)期可能更適合寡營(yíng)養(yǎng)生活史的疣微菌門(mén)。

消融期細(xì)菌群落的OTUs和Simpson指數(shù)顯著高于冰封期，Shannon指數(shù)也高于冰封期，但未達(dá)顯著水平（圖5）。和已有的研究結(jié)果一致，冰封期細(xì)菌生物量通常較低［25］，這可能是由于低溫、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)再礦化減少和陸地有機(jī)物輸入受限等因素所致［26-28］。季節(jié)性凍融導(dǎo)致的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化主要受T、DO、和TOC的影響（圖6）。許多研究已經(jīng)證實(shí)了水溫是影響水體中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素［29］，而冰封期和消融期的溫度差異顯著（表1）。水溫對(duì)細(xì)菌活性有直接影響，也可通過(guò)調(diào)節(jié)水體中各種生化反應(yīng)、水體中的動(dòng)植物等間接影響其結(jié)構(gòu)和組成。冰封期由于冰層阻隔，冰下水體和外界發(fā)生物質(zhì)交換減少，與消融期相比水體中DO、和TOC含量明顯較少。溶解氧是冬季冰下微生物群落多樣性的限制因子［3］，在消融期水體中的溶解氧濃度升高，直接導(dǎo)致需氧細(xì)菌類(lèi)群大量增殖。水體中的和TOC可以通過(guò)上行效應(yīng)對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響［30］，同時(shí)也可以通過(guò)影響原生動(dòng)物等對(duì)細(xì)菌有捕食作用的生物而對(duì)其造成間接影響［31］。

3.2 季節(jié)性凍融對(duì)細(xì)菌類(lèi)群相互作用的影響

為了進(jìn)一步研究?jī)鋈谧饔脤?duì)山地湖泊細(xì)菌間相互作用的影響，構(gòu)建了細(xì)菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖。整體拓?fù)涮卣鞅砻?，網(wǎng)絡(luò)連通性曲線能較好地?cái)M合冪率模型，R2分別為0.773和0.756，表明網(wǎng)絡(luò)中只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)有大量連接。消融期節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)顯著高于冰封期，說(shuō)明消融期細(xì)菌類(lèi)群間的相互作用更復(fù)雜（表3、圖7）。微生物能對(duì)外界環(huán)境變化作出迅速反應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度越短，外界干擾越容易在更短的時(shí)間內(nèi)波及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)［32-33］。在冰封期共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑短于消融期（3），說(shuō)明在冰封期細(xì)菌群落受外部干擾的敏感性增加，而在消融期隨著湖冰的融化，湖泊環(huán)境條件的改善（與外界物質(zhì)交換不受限，溶解氧含量增加等），細(xì)菌群落對(duì)外部干擾的抵抗能力會(huì)增強(qiáng)。已有的研究表明，越復(fù)雜的生物網(wǎng)絡(luò)往往對(duì)外界干擾的抵抗力更強(qiáng)，對(duì)信息和資源的傳遞也更加高效［34］。

共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以代表生態(tài)系統(tǒng)中各種生物間的相互作用，如捕食、競(jìng)爭(zhēng)和互惠共生，各種群通過(guò)相互作用連接在一起，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線代表著微生物間的相互作用或者生態(tài)位共享。正相關(guān)關(guān)系被認(rèn)為是不同物種間的合作和生態(tài)位重疊，而負(fù)相關(guān)關(guān)系是生態(tài)位分離、競(jìng)爭(zhēng)等的結(jié)果［35］。雖然兩個(gè)時(shí)期都是以正相關(guān)邊數(shù)居多，但由冰封期過(guò)渡到消融期，正相關(guān)邊數(shù)占比有所降低，負(fù)相關(guān)邊數(shù)占比提升了將近16%（表3）。這表明雖然各個(gè)類(lèi)群在冰封期和消融期都是以協(xié)同合作為主，但隨著湖面冰層消失，細(xì)菌間競(jìng)爭(zhēng)作用逐漸增強(qiáng)，這可能是由于養(yǎng)分的增多導(dǎo)致了細(xì)菌生物量的增加，從而加劇了彼此間的競(jìng)爭(zhēng)作用［18］。也有研究指出，微生物間往往會(huì)形成共同協(xié)作的模式來(lái)共同抵御環(huán)境脅迫［36］，這也為上述現(xiàn)象提供了合理的解釋。微生物群落組成的變化往往可以通過(guò)微生物網(wǎng)絡(luò)的模塊變化來(lái)體現(xiàn)［37］，消融期更多的模塊數(shù)代表了更高的功能多樣性（圖7，表3）。冰封期節(jié)點(diǎn)最多的細(xì)菌屬于變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和放線菌門(mén)，消融期節(jié)點(diǎn)最多的細(xì)菌門(mén)和冰封期一致，而這些細(xì)菌類(lèi)群在兩個(gè)時(shí)期均為優(yōu)勢(shì)門(mén)，這表明在群落中相對(duì)豐度較高的物種具有較高的交互潛力。不同的節(jié)點(diǎn)可能在網(wǎng)絡(luò)圖中扮演不同的角色，根據(jù)Z-P圖可以識(shí)別微生物網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵物種。從冰封期到消融期，網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增多。消融期共有3個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（圖8），由此可知，冰封作用導(dǎo)致了微生物網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵物種的減少，使得細(xì)菌類(lèi)群之間的相互作用發(fā)生了改變。

4 結(jié)論

本研究旨在探究細(xì)菌群落的組成和結(jié)構(gòu)在冰封期和無(wú)冰期如何變化。凍融期間細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的相對(duì)豐度受到凍融作用的影響發(fā)生了明顯的改變，冰蓋的形成抑制了一些細(xì)菌類(lèi)群的生長(zhǎng)，同時(shí)也促進(jìn)了一些類(lèi)群的生長(zhǎng)，各細(xì)菌類(lèi)群的相對(duì)豐度變化趨勢(shì)不一。消融期細(xì)菌群落的α多樣性顯著高于冰封期，且兩個(gè)時(shí)期的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也具有顯著差異。季節(jié)性凍融顯著改變了細(xì)菌各類(lèi)群之間的相互作用，冰消融后細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性增加，物種之間的競(jìng)爭(zhēng)潛力提高，整個(gè)群落的抗干擾力增強(qiáng)。