藍(lán)藻生消對(duì)巢湖沉積物phoD堿性磷酸酶基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響*

孫婷婷，黃 濤**，劉雨昕，孫慶業(yè)

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601)

水體富營養(yǎng)化及其引起的藻華嚴(yán)重危害了淡水資源與人類健康[1-2]. 研究表明，磷是湖泊富營養(yǎng)化乃至藻類生長的主要限制性營養(yǎng)物質(zhì)之一[3]. 在外部污染排放得到控制的情況下，內(nèi)源磷通過再循環(huán)向水體釋放營養(yǎng)鹽從而維持藻類的生長[4]. 一項(xiàng)長期調(diào)查結(jié)果表明，湖泊水體磷的釋放及其濃度限制占湖泊富營養(yǎng)化成因的80%[5]. 沉積物向上覆水釋放磷是富營養(yǎng)化湖泊磷循環(huán)的關(guān)鍵過程[6]，目前的研究表明內(nèi)源磷的釋放機(jī)制主要為沉積物鐵結(jié)合磷的還原釋放以及有機(jī)質(zhì)的礦化[7-8]. 在高藻量的富營養(yǎng)化湖泊中，酶解以及有機(jī)質(zhì)礦化等代謝過程非常快速，進(jìn)而可能促進(jìn)水體的富營養(yǎng)化程度[9].

堿性磷酸酶可以有效驅(qū)動(dòng)磷酸酯類酶解成生物可利用磷，由其介導(dǎo)的有機(jī)磷礦化是維持和加速湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵[10]. 堿性磷酸酶主要由水生細(xì)菌、浮游植物和浮游動(dòng)物在應(yīng)對(duì)“磷饑餓”困境時(shí)所分泌，典型代表就是藻細(xì)胞在水體面臨磷限制時(shí)分泌酶來提高周圍磷的可利用程度，從而延續(xù)自身的生長[11-12]. 細(xì)菌是堿性磷酸酶的主要來源之一，其編碼堿性磷酸酶的基因主要有phoA、phoX和phoD；其中，水環(huán)境中phoD比phoA和phoX更為豐富[13]，可以作為一種監(jiān)測(cè)水生生態(tài)系統(tǒng)中編碼堿性磷酸酶細(xì)菌的多樣性和分布的方法. 目前關(guān)于湖泊細(xì)菌堿性磷酸酶的研究更多關(guān)注環(huán)境條件對(duì)于其胞外活性的影響[14-15]，需對(duì)微生物礦化有機(jī)磷的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力-堿性磷酸酶編碼基因進(jìn)一步研究.

已有大量土壤和海洋生態(tài)系統(tǒng)中編碼堿性磷酸酶基因的研究，主要包括施肥、土壤酸堿度以及鹽度等對(duì)phoD基因群落多樣性與分布的影響研究[16-19]. 淡水水生生態(tài)系統(tǒng)中已有關(guān)于持久性有機(jī)污染物對(duì)沉積物phoD基因群落的影響[20]、懸浮顆粒物中phoD堿性磷酸酶基因多樣性[21]、phoD基因群落在不同季節(jié)間的變化[22]、太湖不同區(qū)域水體[23]和沉積物[24]phoX堿性磷酸酶基因豐度和多樣性比較以及微囊藻水華分解過程中phoX堿性磷酸酶基因動(dòng)態(tài)變化[25]的研究報(bào)道；但目前對(duì)淡水水生生態(tài)系統(tǒng)中編碼堿性磷酸酶基因的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及海洋和土壤生態(tài)系統(tǒng). 藍(lán)藻的生長與消亡會(huì)顯著影響沉積物-水界面環(huán)境變化以及水體磷平衡，從而誘發(fā)堿性磷酸酶的釋放并參與介導(dǎo)有機(jī)質(zhì)礦化分解、釋放營養(yǎng)鹽，加速藍(lán)藻的持續(xù)暴發(fā). 目前還缺乏對(duì)富營養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻完整生命周期內(nèi)phoD基因細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)變化的研究，這有礙于更好地了解藍(lán)藻的生長與消亡過程中沉積物有機(jī)磷礦化過程的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制.

富營養(yǎng)湖泊中有機(jī)磷的礦化分解為藍(lán)藻提供營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)而支撐藍(lán)藻持續(xù)的生長與暴發(fā). 具有編碼堿性磷酸酶基因的細(xì)菌類群是沉積物有機(jī)磷礦化的重要驅(qū)動(dòng)力. 本研究以中國典型富營養(yǎng)化淺水湖泊巢湖為研究對(duì)象，分析了藍(lán)藻生長與消亡引起的環(huán)境因子、沉積物堿性磷酸酶活性以及具有phoD的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，并在此基礎(chǔ)上研究了環(huán)境因子與沉積物堿性磷酸酶活性、phoD基因細(xì)菌群落之間的聯(lián)系.

圖1 巢湖沉積物采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites of sediments in Lake Chaohu

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

作為中國第五大淡水湖的巢湖(31°25′～31°43′N，117°16′～117°51′E)擁有近780 km2的湖泊面積[26]，平均水深約3 m，整體水位變幅大[27]. 巢湖位于安徽省中部，隨著流域內(nèi)特別是合肥市人口的增加，城鎮(zhèn)化與工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，導(dǎo)致大量生活污水、工業(yè)廢水排入湖中，使湖水中營養(yǎng)物質(zhì)濃度驟升從而演變成富營養(yǎng)湖泊[28]. 巢湖富營養(yǎng)化程度以及藍(lán)藻水華呈現(xiàn)區(qū)域差異，主要表現(xiàn)為西湖區(qū)污染程度高于東湖區(qū)，這是由于湖泊外源污染負(fù)荷主要來源于西北部[29].

1.2 樣品采集與預(yù)處理

在2020年11月(藍(lán)藻衰亡期)、2021年1月(藍(lán)藻潛伏期)、2021年4月(藍(lán)藻生長初期)以及2021年7月(藍(lán)藻暴發(fā)期)分別對(duì)巢湖的9個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)進(jìn)行了上覆水與表層沉積物(0～2 cm)的樣品采集. 并在采樣的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水樣的水溫(WT)、溶解氧(DO)以及pH. 上覆水樣品由有機(jī)玻璃采水器采集并用預(yù)先清洗過的聚乙烯瓶收集，采樣時(shí)先測(cè)量樣點(diǎn)水深，再據(jù)此采集沉積物以上約20 cm處水樣；沉積物樣品由Peterson取樣器抓取并使用塑料刀片刮取表層0～2 cm收集到密封袋中. 所有樣品立即儲(chǔ)存在便攜式保溫箱中，當(dāng)天運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室. 一部分新鮮沉積物樣品用于堿性磷酸酶的提??；用于DNA提取的沉積物樣品在-20℃冷凍；剩余樣品冷凍干燥后剔除貝殼及動(dòng)植物殘?bào)w，用瑪瑙研缽充分研磨混勻過200目(74 μm)篩，編號(hào)放置干燥器中待分析. 水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后在1～2 d內(nèi)完成分析.

1.3 樣品分析

1.3.1 理化性質(zhì)分析 巢湖水樣pH、DO、WT、燒失量(LOI)、葉綠素a(Chl.a)以及上覆水溶解態(tài)無機(jī)磷(DIP)已在Sun等[30]報(bào)道. 利用分光光度法將對(duì)硝基苯磷酸二鈉(PNPP)經(jīng)培養(yǎng)產(chǎn)生的對(duì)硝基苯酚(PNP)指征沉積物堿性磷酸酶活性[31]. 沉積物各形態(tài)磷通過改進(jìn)的SMT方法[32]提取，包括總磷(TP)、無機(jī)磷(IP)和有機(jī)磷(OP)，其中OP=TP-IP.

1.3.2 沉積物中DNA的提取 沉積物中DNA的提取參考Zhou[33]的SDS高鹽法，將0.5 g沉積物與600 μL DNA提取緩沖液混合，經(jīng)細(xì)胞破碎儀破碎細(xì)胞后放入恒溫振蕩箱培育30 min(37℃、200轉(zhuǎn)/min)，加入20% SDS后水浴孵育30 min(65℃)，向上清液加入等量的苯酚-氯仿-異戊醇，離心后上水相與PEG-NaCl充分混合后并在4℃下沉淀2 h后離心得DNA樣品，將DNA樣品與100 μL Tris-EDTA緩沖液混合，-20℃保存.

1.3.3 具有phoD基因細(xì)菌的高通量測(cè)序 以沉積物中提取的DNA為模板，利用引物ALPS-730F(5′-CAGTGGGACGACCACGAGGT-3′)和ALPS-1101R(5′-GAGGCCGATCGGCATGTCG-3′)[21,34]擴(kuò)增phoD基因. 具體PCR反應(yīng)條件為：95℃ 3 min；95℃變性30 s，54℃退火30 s，72℃延伸45 s共35個(gè)循環(huán)；72℃延伸10 min至溫度降至10℃停止. PCR產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后，高通量測(cè)序在QIIME(版本1.9.1)(Majorbio Bio Pharm Technology Co.，Ltd, Shanghai, China)上進(jìn)行. 將序列相似度大于97%的歸屬為操作分類單元(OTUs). 在nt_v20200604數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，采用RDP Classifier (http://rdp.cme.msu.edu/)分析基因序列所對(duì)應(yīng)的菌種類別[35].

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析 采用Origin 2018軟件對(duì)上覆水與沉積物中的理化指標(biāo)含量作圖. 利用SPSS 19.0軟件對(duì)理化指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析以及單因素方差分析(One-way ANOVA). 使用QIIME 1.9.1軟件 (Majorbio Bio Pharm Technology Co., Ltd, Shanghai, China)對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行群落多樣性、冗余分析(RDA)以及多級(jí)物種差異判別(LEfSe)等分析，其中Ace指數(shù)用來估算群落中OTU數(shù)目，Shannon指數(shù)用來估算樣本中微生物多樣性.

2 結(jié)果

2.1 藍(lán)藻生消過程中水體和沉積物中理化指標(biāo)變化

巢湖沉積物與上覆水各環(huán)境理化指標(biāo)隨著藍(lán)藻的生長與消亡發(fā)生顯著變化(圖2). 其中，水體Chl.a濃度變化趨勢(shì)主要為暴發(fā)期>生長初期>衰亡期>潛伏期；空間上，S1～S5點(diǎn)位Chl.a濃度顯著高于S6～S9. 整個(gè)藍(lán)藻生長與衰亡期，水體pH值呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)；藍(lán)藻生長初期與暴發(fā)期水體DO濃度呈持續(xù)下降趨勢(shì)，水體pH值和DO濃度空間變化趨勢(shì)不顯著. 巢湖沉積物L(fēng)OI變化范圍為2.76%～19.68%，表現(xiàn)為暴發(fā)期>潛伏期>生長初期>衰亡期；而在空間上主要表現(xiàn)為藍(lán)藻暴發(fā)期在S1～S4點(diǎn)位高于S5～S9，其余生長階段空間變化趨勢(shì)不明顯. 藍(lán)藻生長初期上覆水體DIP濃度以及沉積物IP含量均顯著降低而OP含量上升，暴發(fā)期DIP濃度以及沉積物IP含量回升，沉積物OP在S1～S3點(diǎn)位上升而在S4～S9點(diǎn)位下降. 空間趨勢(shì)為S1～S3點(diǎn)位沉積物IP含量高于S4～S9，S6～S9點(diǎn)位沉積物OP含量高于S1～S5；生長初期S1～S5點(diǎn)位上覆水DIP濃度顯著高于S6～S9，其余藍(lán)藻生消階段空間變化趨勢(shì)不明顯.

圖2 藍(lán)藻生消過程中巢湖水體和沉積物理化指標(biāo)變化Fig.2 Variations of physicochemical indexes in overlying water and sediment during the growth and decline of cyanobacteria in Lake Chaohu

2.2 藍(lán)藻生消過程沉積物堿性磷酸酶活性變化

巢湖藍(lán)藻生長與消亡階段沉積物堿性磷酸酶的活性變化顯著(圖3)，藍(lán)藻生長初期沉積物的APA((65.05±18.11) mg/(kg·h))顯著高于潛伏期((31.81±15.51) mg/(kg·h)). 隨著藍(lán)藻進(jìn)一步生長與暴發(fā)，APA在暴發(fā)期升至(70.71±14.38) mg/(kg·h))，并在藍(lán)藻衰亡期達(dá)到最大值((73.62±13.99) mg/(kg·h)). 從空間上看，藍(lán)藻潛伏期、生長初期以及暴發(fā)期S4～S9點(diǎn)位沉積物APA高于S1～S3，衰亡期APA空間異質(zhì)性較強(qiáng).

圖3 巢湖藍(lán)藻生消過程中沉積物APA的變化(圖中橫坐標(biāo)上的N、J、A、J依次代表衰亡期、潛伏期、生長初期、暴發(fā)期)Fig.3 Variations of APA in sediment during the growth and decline of cyanobacteria in Lake Chaohu(The N, J, A, J on the horizontal coordinate in the graph represent the decline period, benthic period, initial growth period and outbreak period in turn)

2.3 藍(lán)藻生消過程沉積物phoD基因細(xì)菌群落豐富度與物種多樣性

從沉積物樣品中共獲得了1385473條phoD堿性磷酸酶基因序列. 基于Ace指數(shù)(指示物種豐富度)以及Shannon指數(shù)(指示物種多樣性)的組間差異檢驗(yàn)來評(píng)估比較藍(lán)藻不同生命階段中具有phoD細(xì)菌群落的α多樣性. 藍(lán)藻生消過程中phoD堿性磷酸酶基因的豐富度和物種多樣性發(fā)生了顯著的變化(圖4). 總體上，藍(lán)藻潛伏期的Ace豐富度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)與生長初期、暴發(fā)期差異顯著. 其中Ace與Shannon指數(shù)分別在生長初期與暴發(fā)期達(dá)到最大值.

圖4 藍(lán)藻生消過程沉積物phoD基因細(xì)菌群落Ace與Shannon多樣性指數(shù)變化(*表示P≤0.05，**表示 P≤0.01) Fig.4 Variations of Ace and Shannon diversity index of phoD-harboring bacterial community in sediment during the growth and decline of cyanobacteria(P≤0.05 is marked as*; P≤0.01 is marked as**)

2.4 藍(lán)藻生消過程沉積物phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成

測(cè)序結(jié)果在門和屬水平上的分類結(jié)果如圖5所示. 所有樣品中，具有phoD細(xì)菌的群落在門水平上的優(yōu)勢(shì)菌門為放線菌門(Actinobacteria)，占總序列的48%～94%；其次還有變形菌門(Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)以及芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)(圖5A). 在藍(lán)藻生消過程中，所有樣品中具有phoD基因的細(xì)菌群落組成在門水平上的分布具有一定的時(shí)空差異性，其中除了S9點(diǎn)位Actinobacteria在潛伏期有一個(gè)顯著降低的趨勢(shì)外，其余點(diǎn)位細(xì)菌群落分布相似且相對(duì)豐度變化差異不顯著. 在屬分類水平上，20個(gè)最豐富屬的相對(duì)豐度如圖5B所示. 其中Pseudonocardia、Friedmanniella、Actinoplanes以及Amycolatotopsis占phoD基因細(xì)菌群落比例較大. 且藍(lán)藻生長與消亡期間，phoD基因細(xì)菌群落在屬水平上的相對(duì)豐度變化顯著. 相比于藍(lán)藻潛伏期，Pseudonocardia相對(duì)豐度在生長初期與暴發(fā)期顯著下降而后在衰亡期顯著升高. 其中，生長初期各點(diǎn)位Pseudonocardia豐度均顯著下降，而在生長初期至暴發(fā)期除S1、S2以及S3點(diǎn)位相對(duì)豐度升高外，其余點(diǎn)位均下降. 藍(lán)藻生消過程中，F(xiàn)riedmanniella主要呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì). 除S3和S7點(diǎn)位外，其余點(diǎn)位Friedmanniella在潛伏期與衰亡期相對(duì)豐度極低，而在生長初期和暴發(fā)期顯著升高. 相對(duì)豐度較低的菌屬如Actinoplanes、Amycolatopsis和Bradyrhizobium等均在藍(lán)藻不同生命周期階段呈現(xiàn)顯著的變化趨勢(shì)，對(duì)于大多數(shù)點(diǎn)位，生長初期與暴發(fā)期Actinoplanes、Amycolatopsis和Bradyrhizobium的相對(duì)豐度顯著高于潛伏期與衰亡期.

圖5 藍(lán)藻生消過程沉積物phoD基因細(xì)菌群落在門水平上(A)與屬水平上(B)的相對(duì)豐度(圖中橫坐標(biāo)上的N、J、A、J依次代表衰亡期、潛伏期、生長初期、暴發(fā)期)Fig.5 The relative abundance of phylum (A) and genus (B) of phoD-harboring bacterial community in sediment during the growth and decline of cyanobacteria(The N, J, A, J on the horizontal coordinate in the graph represent the decline period, benthic period, initial growth period and outbreak period in turn)

2.5 藍(lán)藻生消過程沉積物堿性磷酸酶活性和phoD基因細(xì)菌群落與理化指標(biāo)的關(guān)系

沉積物堿性磷酸酶活性與上覆水WT、pH以及沉積物OP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與上覆水DO、DIP含量以及沉積物中IP含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖6).

圖6 藍(lán)藻生消過程中堿性磷酸酶活性與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Fig.6 Pearson’s correlation coefficient of alkaline phosphatase activity and environmental factors during the growth and decline of cyanobacteria

基于測(cè)序得到的OTUs，在OTU水平上利用RDA分析了環(huán)境因子[30]與phoD基因細(xì)菌群落變化的內(nèi)在聯(lián)系，并利用蒙特卡羅排列檢驗(yàn)顯著性. RDA結(jié)果表明，RDA1與RDA2分別解釋了phoD基因細(xì)菌群落變化的41.92%和22.03%(圖7A). 其中，APA、DO、Chl.a、水溫、TP以及IP是對(duì)沉積物中phoD基因細(xì)菌群落影響最顯著的環(huán)境變量. 將屬水平phoD基因細(xì)菌與環(huán)境因子進(jìn)行RDA分析，結(jié)果表明RDA1與RDA2共解釋屬水平細(xì)菌豐度變化的51.61%. LEfSe分析表明藍(lán)藻潛伏期、生長初期、暴發(fā)期以及衰亡期的主要功能菌屬分別為Pseudonocardia、Friedmanniella、Gemmatirosa以及Rubrobacter.

圖7 巢湖藍(lán)藻生消過程中沉積物phoD基因細(xì)菌群落(屬水平)(A)(CH_1_1～CH_1_9: 潛伏期樣點(diǎn)1～9；CH_4_1～CH_4_9: 生長初期樣點(diǎn)1～9；CH_7_1～CH_7_9: 暴發(fā)期樣點(diǎn)1～9；CH_11_1～CH_11_9: 衰亡期樣點(diǎn)1～9)以及phoD基因細(xì)菌(B)與環(huán)境因子(數(shù)據(jù)引自Sun等[30])的RDA分析(-C: 沉積物；-J: 間隙水)以及LEfSe分析(C)Fig.7 The RDA of phoD-harboring bacterial community (genus) (A) (CH_1_1-CH_1_9: sample sites 1-9 in benthic period；CH_4_1-CH_4_9: sample sites 1-9 in initial growth period；CH_7_1-CH_7_9: sample sites 1-9 in outbreak period；CH_11_1-CH_11_9: sample sites 1-9 in decline period)and phoD-harboring bacterias (B) with environmental factors (data from Sun et al. [30]) (-C: sediment；-J: pore water) and LEfSe analysis (C) in sediment during the growth and decline of cyanobacteria

3 討論

3.1 藍(lán)藻生消對(duì)沉積物-水界面理化因子和堿性磷酸酶活性的影響

以往對(duì)巢湖藍(lán)藻水華情況的調(diào)查研究表明，巢湖水體藍(lán)藻在3月開始復(fù)蘇而在11月開始衰亡下沉，每年5月底-10月初是藍(lán)藻水華的高發(fā)期[36-37]. 水溫與營養(yǎng)物質(zhì)是誘發(fā)藍(lán)藻暴發(fā)的2個(gè)重要因素，本研究中隨著水溫上升，Chl.a濃度持續(xù)升高，直至11月初Chl.a濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖2)，各季節(jié)Chl.a濃度均符合所對(duì)應(yīng)的藍(lán)藻生消階段. 巢湖西部湖區(qū)富營養(yǎng)化程度高于東部湖區(qū)[37]，S1～S5點(diǎn)位水體Chl.a濃度顯著高于S6～S9；S1～S3點(diǎn)位靠近合肥市區(qū)，主要污染源為工業(yè)廢水和生活污水，IP含量較高[38]，而S6～S9點(diǎn)位污染源主要是農(nóng)業(yè)面源污染，OP含量較高[39]. 藍(lán)藻生長與消亡伴隨著沉積物-上覆水界面各形態(tài)磷含量顯著變化[30]. 藍(lán)藻的生長消耗水體和沉積物中大量的磷酸鹽[40-41]，導(dǎo)致生長初期上覆水體DIP含量顯著降低和沉積物中IP的釋放，藍(lán)藻沉降又導(dǎo)致沉積物中LOI和OP含量上升(圖2). 而在暴發(fā)期，上覆水體DIP濃度上升以及沉積物中IP含量上升，OP在S4～S9點(diǎn)位含量下降(圖2)而在S1～S3點(diǎn)位上升，指示暴發(fā)期巢湖S4～S9點(diǎn)位大量藻體碎屑的沉降導(dǎo)致磷沉積趨勢(shì)大于釋放趨勢(shì)，且有機(jī)磷礦化明顯，從而顯著提高了水體中的可利用磷濃度，這與Bao等[42]研究結(jié)果一致，藻源有機(jī)質(zhì)的礦化是支撐藍(lán)藻進(jìn)一步暴發(fā)的重要驅(qū)動(dòng)力. 而S1～S3點(diǎn)位主要以硫酸鹽還原生成硫化物所介導(dǎo)的化學(xué)鐵還原造成的鐵磷釋放所主導(dǎo)[30]；西部湖區(qū)水體Chl.a濃度高，暴發(fā)期藍(lán)藻沉降導(dǎo)致S1～S4點(diǎn)位的LOI高于S5～S9. 巢湖藍(lán)藻的生長與消亡顯著改變了上覆水體中pH值與DO濃度(圖2)，藍(lán)藻光合作用吸收水體溶解性CO2，致使pH值顯著上升；而藻類衰亡時(shí)呼吸作用大于光合作用，釋放的CO2以及有機(jī)酸是藍(lán)藻衰亡期pH降低的主要原因. 上覆水DO濃度隨藍(lán)藻的生長與暴發(fā)而降低，主要由于藍(lán)藻生長形成水華阻斷復(fù)氧以及死亡分解消耗水體和沉積物中的O2.

3.2 巢湖藍(lán)藻生消對(duì)沉積物phoD基因細(xì)菌群落的影響

盡管已有關(guān)于土壤中多種環(huán)境條件下phoD基因細(xì)菌群落的變化[48-49]，但淡水湖泊沉積物中其隨藍(lán)藻的生長與消亡的動(dòng)態(tài)變化仍不清楚. 隨著水華的持續(xù)以及水溫的升高，巢湖沉積物微生物群落的多樣性顯著提高[50]. 本研究中，藍(lán)藻的生長與暴發(fā)顯著提高了phoD基因細(xì)菌群落的α多樣性，這一結(jié)果可能與升高的堿性磷酸酶活性有關(guān). Zhang等[51]研究發(fā)現(xiàn)雨季南淝河沉積物細(xì)菌α多樣性顯著高于旱季. 本研究中藍(lán)藻生長與暴發(fā)期處于雨季，降水伴隨著附著細(xì)菌的外來顆粒物沉降在沉積物上，導(dǎo)致沉積物微生物多樣性增加. 同時(shí)，研究表明細(xì)菌多樣性與藻類密度呈比例增加[52]. 綜上，藍(lán)藻生長與暴發(fā)期間α多樣性升高主要是由于春、夏季降水量與藻密度的增加.

藍(lán)藻生長與暴發(fā)期沉積物phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化(圖5). 整體而言，Actinobacteria是門水平上最豐富的細(xì)菌類群，這與土壤以及湖泊沉積物中的結(jié)果一致[21,53]. 雖然藍(lán)藻生消對(duì)Actinobacteria門的相對(duì)豐度影響不顯著(圖5)，但對(duì)該門某些屬如Pseudonocardia、Friedmanniella、Actinoplanes以及Amycolatotopsis的相對(duì)豐度有顯著影響. Bao等[54]對(duì)巢湖沉積物中特定功能的微生物群落研究表明，在藻華的不同階段，N、S、Fe、P相關(guān)微生物分布呈顯著變化，主要?dú)w因于水溫、DO、N、P等環(huán)境因子的聯(lián)合作用. 本研究RDA分析表明APA、DO、Chl.a、水溫、TP以及IP等對(duì)沉積物中phoD基因細(xì)菌群落的變化有正向貢獻(xiàn)(圖7a). 研究表明水溫會(huì)影響浮游生物的數(shù)量及其群落結(jié)構(gòu)[55]，且水溫升高會(huì)導(dǎo)致微生物活性增加[56]. 本研究中，與水溫較低的藍(lán)藻衰亡期與潛伏期相比，生長初期與暴發(fā)期phoD基因細(xì)菌各菌屬相對(duì)豐度發(fā)生顯著變化. DO是細(xì)菌尤其是需氧菌生長重要的環(huán)境因子之一，其濃度變化會(huì)顯著影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[21,57]. 本文RDA結(jié)果表明，指示藻類生物量的Chl.a同樣是影響phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因素，也有研究表明Chl.a是調(diào)節(jié)太湖細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[58]以及懸浮顆粒物phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[21]的主要環(huán)境因子. 本研究沉積物TP含量與IP含量對(duì)phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響顯著，主要是因?yàn)樗?xì)菌以及浮游動(dòng)植物分泌堿性磷酸酶會(huì)受到環(huán)境中磷含量的影響[11-12]. 值得注意的是，APA是對(duì)于phoD基因細(xì)菌群落變化解釋量最大的環(huán)境因子(圖7A). 有研究表明，潛在的APA可能是由phoD基因細(xì)菌群落直接調(diào)控的[50]. 綜上，藍(lán)藻生消過程中APA、DO、Chl.a、水溫、TP以及IP的變化影響了phoD基因細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu).

Pseudonocardia為好氧菌屬，受到DO濃度的顯著影響[59]. 本研究中Pseudonocardia相對(duì)豐度在生長初期與暴發(fā)期顯著降低(圖5B)，指示藍(lán)藻生長與死亡致使生長初期與暴發(fā)期DO濃度顯著降低從而限制了Pseudonocardia的生長. 大多數(shù)點(diǎn)位藍(lán)藻生長期與暴發(fā)期Friedmanniella以及Actinoplanes相對(duì)豐度顯著高于潛伏期與衰亡期，這些細(xì)菌主要受到 Chl.a濃度的影響(圖7B)，指示藍(lán)藻的生長與暴發(fā)促使了Friedmanniella以及Actinoplanes豐度升高. LEfSe分析表明，藍(lán)藻生長初期主要功能菌屬為Friedmanniella(圖7C). 其中Friedmanniella在藍(lán)藻生長初期與暴發(fā)期豐度較高且與 Chl.a濃度呈顯著正相關(guān)而與上覆水DIP濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(圖7B)，即生長初期藍(lán)藻的生長顯著誘發(fā)了Friedmanniella的活性繼而釋放堿性磷酸酶來緩解磷限制.

4 結(jié)論

巢湖藍(lán)藻生消過程中沉積物APA呈顯著動(dòng)態(tài)變化. 藍(lán)藻生長導(dǎo)致了水體DIP濃度顯著下降以及pH的上升，并誘發(fā)堿性磷酸酶的活性. 微生物群落分析表明藍(lán)藻生長過程中phoD基因細(xì)菌群落α多樣性顯著升高. 藍(lán)藻衰亡期與潛伏期沉積物phoD基因優(yōu)勢(shì)菌屬為Pseudonocardia，生長初期與暴發(fā)期Pseudonocardia豐度顯著降低而Friedmanniella、Actinoplane和Bradyrhizobium豐度升高且優(yōu)勢(shì)菌屬由Pseudonocardia和Friedmanniella構(gòu)成. 藍(lán)藻生消期間各phoD基因細(xì)菌菌屬豐度變化顯著，呈現(xiàn)了較高的時(shí)空異質(zhì)性. RDA結(jié)果表明phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化主要受APA、DO、Chl.a、水溫、TP以及IP的驅(qū)動(dòng)，即藍(lán)藻生消顯著影響了理化因子的濃度進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了phoD基因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化. 本研究加深了對(duì)富營養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻生消過程環(huán)境因子與APA和具有其編碼基因的細(xì)菌群落的內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí).