洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水體細(xì)菌空間分布特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制*

陳 威，馬沛明，張俊芳，楊 英，周連鳳，趙先富

(1：水利部中國(guó)科學(xué)院水工程生態(tài)研究所, 水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430079) (2：長(zhǎng)江流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)中心，武漢 430079)

作為水生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)化合物的重要分解者之一，水體細(xì)菌在地球物質(zhì)化學(xué)循環(huán)中起到非常重要的作用[1]。水體細(xì)菌在直接或間接地參與大部分物質(zhì)和能量的循環(huán)過(guò)程中，其豐度和群落結(jié)構(gòu)對(duì)其功能發(fā)揮起到?jīng)Q定性作用。目前，在水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作中，生物監(jiān)測(cè)對(duì)象主要為浮游動(dòng)植物、底棲動(dòng)物和著生藻類，針對(duì)微生物(細(xì)菌、真菌等)的運(yùn)用在國(guó)外有一些報(bào)道[2]，但是在國(guó)內(nèi)還較少[3]。水環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的內(nèi)容是監(jiān)測(cè)物種或群落對(duì)環(huán)境變化的真實(shí)響應(yīng)，并不包含空間結(jié)構(gòu)等隨機(jī)過(guò)程的影響。然而，水體細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化受多方面因素影響[4]，因此，研究水體細(xì)菌的空間分布規(guī)律及群落構(gòu)建驅(qū)動(dòng)機(jī)制，摸清環(huán)境和空間對(duì)其群落組成影響的相對(duì)貢獻(xiàn)，分離不同作用主導(dǎo)下的類群，準(zhǔn)確篩選環(huán)境指示性物種或類群，對(duì)廣泛地將水體細(xì)菌運(yùn)用于水生態(tài)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

生態(tài)學(xué)家們普遍認(rèn)為群落的分布機(jī)制受隨機(jī)性過(guò)程和確定性過(guò)程兩方面的共同影響，其影響的主次依據(jù)不同的生物類群或其所處的不同生態(tài)系統(tǒng)而定[5]。隨機(jī)性過(guò)程主要與空間因子相關(guān)，表征群落擴(kuò)散等作用方式；確定性過(guò)程主要與環(huán)境因子相關(guān)，如水體理化和生境特征指標(biāo)[6]，表征環(huán)境對(duì)特定物種的選擇作用。目前研究多關(guān)注細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)變化[7-8]或其環(huán)境影響因子[9-11]，如湖北梁子湖和后官湖浮游細(xì)菌研究表明，總氮、pH和總磷是其群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子[8]，忽視了空間因素對(duì)其分布格局和群落構(gòu)建機(jī)制的作用。然而研究表明，隨水流的擴(kuò)散作用是浮游生物類群群落構(gòu)建的重要影響因素[12]。

洞庭湖位于長(zhǎng)江中游，是我國(guó)第二大淡水湖，由于人類活動(dòng)的影響，已經(jīng)明顯被分為東、西、南3 個(gè)湖區(qū)[13]；鄱陽(yáng)湖位于長(zhǎng)江中下游，是我國(guó)第一大淡水湖泊，年內(nèi)水位落差巨大(變幅為 9.59～15.36 m)[14]，兩者均為過(guò)水型淺水湖泊。與靜水型湖泊相比，過(guò)水型湖泊受單向水體流動(dòng)影響，水體細(xì)菌的分布受水體擴(kuò)散影響較為明顯，一定程度上可以減小環(huán)境對(duì)物種的選擇作用。因此，同期聯(lián)合調(diào)查洞庭湖和鄱陽(yáng)湖，比較兩湖在水體細(xì)菌組成和生境空間差異，全面了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水體細(xì)菌空間分布特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)于更好地保護(hù)和修復(fù)湖泊生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義[10]。

本研究擬從兩湖水體細(xì)菌群落組成、理化指標(biāo)和調(diào)查樣點(diǎn)空間關(guān)系的基礎(chǔ)上，探索過(guò)水型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水體細(xì)菌的空間分布特征及其影響因素，揭示水體細(xì)菌群落構(gòu)建內(nèi)在機(jī)理，為了解兩湖水生態(tài)系統(tǒng)的生物群落構(gòu)建及其健康管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

有研究認(rèn)為過(guò)水型湖泊存在對(duì)流性強(qiáng)的特點(diǎn)，其富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)估應(yīng)與河流一致，在流速不均勻的大型湖泊，還應(yīng)分區(qū)域進(jìn)行研究[15]。根據(jù)洞庭湖和鄱陽(yáng)湖過(guò)水型湖泊的特定，按其水流方向，將采樣點(diǎn)各分為上游(DU或PU)、中游(DM或PM)、下游(DD或PD)3組，其中洞庭湖分為DU(D01～12)、DM(D13～20，D28～30)、DD(D21～27，D31～33)，鄱陽(yáng)湖分為PU(P06～08，P10～12)、PM(P09，P13～18)、PD(P01～05，P19～24)，如圖1所示。

圖1 洞庭湖(a)與鄱陽(yáng)湖(b)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling sites in Lake Dongting (a) and Lake Poyang (b)

1.2 細(xì)菌DNA的提取和16S rRNA高通量測(cè)序

兩湖水體微生物樣品全DNA的提取采用試劑盒(Axygen)的方法，通過(guò)1%凝膠電泳檢測(cè)提取效果，并使用Nanodrop(Nanodrop，美國(guó))測(cè)試其濃度，確保提取到足夠濃度的DNA。每個(gè)樣點(diǎn)分3個(gè)重復(fù)樣提取完后充分混合，后采用Hiseq 250平臺(tái)(深圳瑞奧康晨生物科技有限公司)進(jìn)行高通量測(cè)序。測(cè)序引物選用16S rRNA通用引物341F：5′-CCTAYGGGRBGCASCAG-3′和806R：5′-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3′，PCR擴(kuò)增區(qū)域?yàn)樗w細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4高變片段。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過(guò)濾等處理后得到有效OTUs(Operational taxonomic units)序列。將具有97%以上相似性的序列歸為一類，經(jīng)與Silva數(shù)據(jù)庫(kù)(V13.2)比對(duì)注釋后得到各位點(diǎn)的細(xì)菌種類組成和豐度分布。通過(guò)對(duì)洞庭湖和鄱陽(yáng)湖共57個(gè)樣點(diǎn)的水體細(xì)菌16s r RNA V3～V4區(qū)進(jìn)行高通量測(cè)序檢測(cè)分析，經(jīng)注釋后檢測(cè)出OTU 序列27134～70515條，歸一化后為27134條，作進(jìn)一步分析用。

本研究的環(huán)境數(shù)據(jù)可視化由R語(yǔ)言ggplot2包進(jìn)行，均值差異性檢驗(yàn)采用PERMANOVA方差檢驗(yàn)；物種組成和多元分析在線(https://www.bioincloud.tech)完成；方差分解分析(Variation partitioning analysis，VPA)由vegan包進(jìn)行：首先，通過(guò)前向選擇(forward selection，adespatial包)，篩選出對(duì)細(xì)菌群落影響顯著的環(huán)境因子；然后，基于鄰體矩陣主坐標(biāo)分析(principal coordinates of neighbor matrices，PCNM)計(jì)算采樣點(diǎn)之間的空間關(guān)系，同樣通過(guò)前向選擇篩選細(xì)菌群落潛在的空間影響因子；最后，通過(guò)vegan包的varpart函數(shù)對(duì)已篩選的環(huán)境因子和空間因子進(jìn)行方差分解分析；零模型分析通過(guò)picante包進(jìn)行：通過(guò)計(jì)算β最接近分類指數(shù)(βNTI)和Raup-Crick指數(shù)(RC)對(duì)水體細(xì)菌群落的群落構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行了分析。βNTI<-2的為同質(zhì)選擇，βNTI>2則為異質(zhì)選擇，|βNTI|≤2的部分均為隨機(jī)性過(guò)程，并依據(jù)RC的大小進(jìn)行分類：其中RC<0.95表示同質(zhì)擴(kuò)散，RC>0.95表示擴(kuò)散限制，|RC|≤0.95表示漂變。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩湖水質(zhì)特征

圖2 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖環(huán)境因子主成分分析Fig.2 PCA of environmental factors in Lake Dongting and Lake Poyang

圖3 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖環(huán)境因子Fig.3 Environmental factors in Lake Dongting and Lake Poyang

2.2 兩湖水體細(xì)菌群落組成

兩湖水體細(xì)菌一共檢測(cè)出20門(平均豐度低于0.1%的門歸為“其他”)，其中洞庭湖優(yōu)勢(shì)的門類有放線菌門(Acitinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)，D10～12位點(diǎn)變形菌門相對(duì)豐度較高，而D01、D18、D31～33位點(diǎn)擬桿菌門(Bacteroidetes) 相對(duì)豐度較高；鄱陽(yáng)湖優(yōu)勢(shì)的門類與洞庭湖相似，有放線菌門、藍(lán)細(xì)菌門和變形菌門，其中P05號(hào)與P04位點(diǎn)距離近，但是其群落組成差別較大，P05位點(diǎn)壁厚菌門(Firmicutes)相對(duì)豐度高于其他位點(diǎn)；在門水平上，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖組不同位點(diǎn)之間差異較小，但是兩湖之間水體細(xì)菌組成存在一定差異(圖4)。

圖4 洞庭湖(a)和鄱陽(yáng)湖(b)水體細(xì)菌門水平物種組成Fig.4 Bacteria community composition in Lake Dongting (a) and Lake Poyang (b)

通過(guò)比較各組水體細(xì)菌組成在門水平上的相對(duì)豐度，可知洞庭湖上游組(DU)中放線菌門相對(duì)豐度較其他兩組高，而藍(lán)細(xì)菌門相對(duì)豐度較低；鄱陽(yáng)湖各組之間，水體細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門相對(duì)豐度差異較小。水體細(xì)菌組成中，藍(lán)細(xì)菌門的種類一直被廣泛關(guān)注，主要是因?yàn)樗{(lán)細(xì)菌在富營(yíng)養(yǎng)化水體中極易形成水華，危害水生態(tài)健康[13]。從兩湖內(nèi)部樣點(diǎn)群落組成比較來(lái)看，洞庭湖各樣點(diǎn)的藍(lán)細(xì)菌門相對(duì)豐度分布不均勻，各樣點(diǎn)平均相對(duì)豐度為18.76%，分布范圍為0.93%～51.31%，最高值出現(xiàn)在D29位點(diǎn)。具體分組上，在下游組(DD)樣點(diǎn)中相對(duì)豐度較低，平均為12.25%，上游組(DU)次之，平均為17.28%，在中游組(DM)最高，平均為32.84%；在鄱陽(yáng)湖中，藍(lán)細(xì)菌門在各樣點(diǎn)的相對(duì)豐度分布較為均勻，離長(zhǎng)江入口(湖口)距離較近的下游組(PD)樣點(diǎn)平均豐度最低，為16.02%，中游組(PM)樣點(diǎn)最高，為24.29%，上游組(PU)樣點(diǎn)處于中間水平，為20.81%，全湖各樣點(diǎn)均值為19.63%(圖5)。

圖5 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖各組水體細(xì)菌門水平物種組成Fig.5 Bacteria community composition of different groups in Lake Dongting and Lake Poyang

2.3 兩湖水體細(xì)菌的空間分布格局及影響因素

圖6 洞庭湖(DU、DM和DD)和鄱陽(yáng)湖(PU、PM和PD)水體細(xì)菌群落組成的冗余分析Fig.6 Similarity analysis of bacterioplankton community composition in Lake Dongting (DU, DM and DD) and Lake Poyang (PU, PM and PD)

圖7 洞庭湖(a)和鄱陽(yáng)湖(b)水體細(xì)菌中藍(lán)細(xì)菌和其他類群與環(huán)境因子之間的相關(guān)性Fig.7 The relationship (Mantel rest) between cyanobacteria and other bacterioplankton with environmental factors in Lake Dongting (a) and Lake Poyang (b)

2.4 兩湖水體細(xì)菌的群落構(gòu)建機(jī)制

采用方差分解的方法對(duì)環(huán)境因子和空間因子進(jìn)行分析，解析兩者對(duì)兩湖水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)形成的貢獻(xiàn)差異，推斷不同湖泊水體細(xì)菌群落的構(gòu)建機(jī)制[14]。結(jié)果表明：洞庭湖水體細(xì)菌群落影響因素中純環(huán)境因子解釋度為2.0%，純空間因子為15.0%，兩者共同解釋度為27.0%；而鄱陽(yáng)湖水體細(xì)菌群落影響因素中純環(huán)境因子解釋度為19.0%，空間因子為13.0%，兩者共同解釋度為6.0%(圖8)。零模型分析結(jié)果表明，隨機(jī)性過(guò)程是洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水體細(xì)菌分布的主要作用方式，分別占58.5%和79.7%，主要由同質(zhì)擴(kuò)散和漂變組成，擴(kuò)散限制均為0；在兩湖中，確定性過(guò)程的作用占比低于隨機(jī)性過(guò)程，分別為41.5%和20.3%，由同質(zhì)選擇和異質(zhì)選擇組成，且占比差異較大，前者分別為36.8%和15.6%，而后者均低于5%，占比較小(圖8)。

圖8 洞庭湖和鄱陽(yáng)湖水體細(xì)菌群落構(gòu)建方差分解和零模型分析Fig.8 Analysis of variation partitioning and null model analysis for the assembly mechanisms of planktonic bacterial communities in Lake Dongting and Lake Poyang

3 討論

本研究以水體細(xì)菌作為研究對(duì)象，同期調(diào)查洞庭湖和鄱陽(yáng)湖，獲取兩湖不同區(qū)域水體細(xì)菌組成和環(huán)境因子及空間因子數(shù)據(jù)，運(yùn)用多元分析的方法探討水環(huán)境的空間異質(zhì)性、物種組成差異及影響因子，采用方差分解和零模型的方法分析水體細(xì)菌群落構(gòu)建的機(jī)制，加強(qiáng)了對(duì)過(guò)水型湖泊的生態(tài)過(guò)程的理解，同時(shí)也為湖泊生態(tài)健康的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)拓寬領(lǐng)域。

3.1 兩湖水環(huán)境異質(zhì)性

在本次調(diào)查期間，洞庭湖與鄱陽(yáng)湖在水環(huán)境條件上差異顯著，且鄱陽(yáng)湖內(nèi)部各樣點(diǎn)之間空間異質(zhì)性較洞庭湖更高。研究表明，高壩水庫(kù)中調(diào)水口的浮游植物豐度較其他位置低，且與其調(diào)水口流速和調(diào)水量呈顯著負(fù)相關(guān)[16]，李哲等的研究同樣表明，三峽水庫(kù)季節(jié)性的調(diào)蓄變化導(dǎo)致的生境條件變化是藻類生物多樣性改變的重要原因[17]。在本研究調(diào)查期間，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖受上游河流來(lái)水和長(zhǎng)江干流水位變化的雙重影響，通過(guò)水位波動(dòng)對(duì)湖泊水生境和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)產(chǎn)生一定影響[18]。通過(guò)比較兩湖水環(huán)境參數(shù)，洞庭湖水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較高、Chl.a濃度卻較低，可以推測(cè)其水體交換、流速等水動(dòng)力和擴(kuò)散條件較好，抑制了Chl.a的增長(zhǎng)。較好的擴(kuò)散條件使得TN、TP等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在各樣點(diǎn)之間分布更為均勻，因此，洞庭湖水環(huán)境異質(zhì)性較低，而鄱陽(yáng)湖水環(huán)境異質(zhì)性較高。

3.2 兩湖水體細(xì)菌群落組成的空間分布格局及影響因子

藍(lán)細(xì)菌已成為目前世界范圍內(nèi)湖泊生態(tài)環(huán)境的重要威脅對(duì)象，在條件適宜時(shí)，極易發(fā)生水華等危害水生態(tài)健康的事件[19-21]。目前，除較為常見的微囊藻水華外[22-24]，魚腥藻[25]、氣絲藻[26]等水華也逐漸在鄱陽(yáng)湖不同區(qū)域暴發(fā)。鄱陽(yáng)湖第二次科考結(jié)果顯示，部分湖區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的水華現(xiàn)象，藍(lán)藻(也稱藍(lán)細(xì)菌)已成為各受控湖汊和碟形湖的主要優(yōu)勢(shì)類群之一[27]。本次調(diào)查結(jié)果中，藍(lán)細(xì)菌門在兩湖各樣點(diǎn)均有一定程度的分布，并且呈現(xiàn)出相似的空間分布格局。在洞庭湖中，藍(lán)細(xì)菌門種類的分布不均勻，其中中游湖區(qū)相對(duì)豐度較高，達(dá)到32.84%，而下游湖區(qū)較低；在鄱陽(yáng)湖中，藍(lán)細(xì)菌門相對(duì)豐度總體分布相對(duì)均勻，但是中部湖區(qū)樣點(diǎn)仍最高。文獻(xiàn)記載，洞庭湖水華主要發(fā)生在東部和西部湖灣區(qū)等水流較緩、水體交換率低的區(qū)域，過(guò)水河道區(qū)域則零星分布[28]。兩湖中部湖區(qū)較上游和下游區(qū)域，湖面寬，流速緩，這也可能是藍(lán)藻相對(duì)豐度較高的原因。張民等關(guān)于太湖藍(lán)藻水華空間擴(kuò)張的研究結(jié)果顯示，水華由西北區(qū)梅梁灣區(qū)域逐漸擴(kuò)張至中部湖區(qū)，營(yíng)養(yǎng)鹽的空間分布和水文氣象是最主要的驅(qū)動(dòng)因子[29]。近年來(lái)隨著上游水利設(shè)施的建設(shè)和流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，氮、磷濃度逐漸上升，兩湖富營(yíng)養(yǎng)化日益嚴(yán)重[30]。因此，過(guò)水河道，尤其是中部湖區(qū)藍(lán)藻水華的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大。有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)藻類監(jiān)測(cè)和管理，減緩或避免進(jìn)一步擴(kuò)張。

3.3 兩湖水體細(xì)菌群落構(gòu)建機(jī)制

通過(guò)了解微生物群落變化的生態(tài)過(guò)程和影響因素，推斷群落穩(wěn)定性及其與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系，有利于了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)的變化過(guò)程及健康動(dòng)態(tài)[1]。因此，探究湖泊水體細(xì)菌群落的構(gòu)建機(jī)制是一項(xiàng)重要內(nèi)容。洞庭湖和鄱陽(yáng)湖屬于典型的過(guò)水型湖泊，其水量主要由上游河流匯集，經(jīng)湖區(qū)入長(zhǎng)江，水體的流動(dòng)對(duì)水體細(xì)菌的擴(kuò)散分布影響較大，但是近年來(lái)兩湖污染情況加劇，環(huán)境影響同樣不容忽視。環(huán)境因子和空間因子是影響物種分布的兩類關(guān)鍵因子，前者指示了環(huán)境條件的差異對(duì)群落中不同物種的選擇作用，是一種確定性過(guò)程；而空間因子主要通過(guò)擴(kuò)散等作用影響物種在空間上的分布，是一種隨機(jī)性過(guò)程。越來(lái)越多的研究表明，兩者同時(shí)對(duì)物種的分布產(chǎn)生重要影響，研究的焦點(diǎn)在于哪種過(guò)程占主導(dǎo)地位以及如何量化兩者貢獻(xiàn)的大小[32]。

本次調(diào)查方差分解結(jié)果顯示，洞庭湖以空間影響為主(42.0%)，但其中有27.0%與環(huán)境影響重疊，而鄱陽(yáng)湖則以環(huán)境影響為主(25.0%)，僅6.0%與空間影響重疊。值得注意的是，兩湖分別有55.0%和62.0%的變異不能被解釋。零模型分析結(jié)果顯示，隨機(jī)性過(guò)程(包括漂變和同質(zhì)擴(kuò)散)主導(dǎo)了兩湖水體細(xì)菌的空間分布(分別為58.5%和79.7%)。鄱陽(yáng)湖的環(huán)境空間異質(zhì)性較洞庭湖高(圖2)，若確定性過(guò)程主導(dǎo)，其物種組成相似度應(yīng)該較低，但其物種組成分析結(jié)果顯示較為聚集，即相似度較高(圖6)，說(shuō)明鄱陽(yáng)湖受到的隨機(jī)過(guò)程影響高于洞庭湖，這與零模型分析結(jié)果一致。在確定性過(guò)程影響方面，洞庭湖受確定性影響相對(duì)比例較鄱陽(yáng)湖大，且主要體現(xiàn)在同質(zhì)選擇作用上，同樣與洞庭湖環(huán)境的空間異質(zhì)性較低一致。零模型分析是基于群落中各物種的譜系關(guān)系和豐度信息，通過(guò)建立“隨機(jī)群落”的方式，比較“觀測(cè)群落”與“隨機(jī)群落”之間的譜系組成關(guān)系，判斷不同群落構(gòu)建過(guò)程的比例[33]，而方差分解則是基于典范分析或冗余分析通過(guò)排序得到[34]，依賴于實(shí)測(cè)的環(huán)境因子和位點(diǎn)空間關(guān)系，在實(shí)際操作過(guò)程中，會(huì)有一部分方差無(wú)法解釋，即殘差。因此，本次研究中，零模型分析結(jié)果更好地解釋了兩湖水體細(xì)菌的群落構(gòu)建機(jī)制。

綜上所述，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖等過(guò)水型湖泊中生物群落的構(gòu)建受到隨機(jī)過(guò)程的重要影響，所觀測(cè)群落特征與真實(shí)水生態(tài)健康狀況之間存在較大的不確定性。因此，在水生態(tài)監(jiān)測(cè)工作開展過(guò)程中，探究監(jiān)測(cè)對(duì)象群落構(gòu)建模式非常重要。