冬季衡水湖沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)特征及影響因素

曹洋，孫鶴銘，劉利*，敖蒙蒙，王儉，魏健

1.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水生態(tài)環(huán)境研究所

沉積物是湖泊水體內(nèi)部主要的污染物來源和微生物聚集地[1]，尤其是處于次好氧-厭氧狀態(tài)的表層沉積物是多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要場(chǎng)所[2]，是參與湖泊水體物質(zhì)循環(huán)的重要一環(huán)。已有研究表明，微生物群落特征的變化會(huì)影響沉積物中氮、磷營(yíng)養(yǎng)物的化學(xué)循環(huán)及微生物的降解功能[3]，由微生物介導(dǎo)的有機(jī)物降解和轉(zhuǎn)化是湖泊污染物周轉(zhuǎn)過程的重要環(huán)節(jié)[4-5]。同時(shí)，微生物的群落結(jié)構(gòu)也會(huì)受到營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平、水期變化、植物種類等多種環(huán)境因素影響[6-8]。湖泊不同湖區(qū)往往生境特征不同，對(duì)沉積物中微生物菌屬和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響，從而影響沉積物中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物的化學(xué)循環(huán)過程，進(jìn)而對(duì)水體水質(zhì)產(chǎn)生影響。因此，開展水體沉積物中微生物群落分布特征及其與環(huán)境因子相關(guān)性的研究，對(duì)針對(duì)性開展湖泊污染治理和生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

衡水湖是華北平原上第一個(gè)國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定對(duì)維持周邊乃至京津地區(qū)氣候環(huán)境穩(wěn)定性具有重要意義[9-10]。近年來，衡水湖外源污染（工業(yè)廢水、農(nóng)村生活污水和畜禽養(yǎng)殖等）已得到有效控制，然而衡水湖水體富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)仍不容樂觀，內(nèi)源污染已成為衡水湖治理與保護(hù)亟待解決的主要問題。目前，針對(duì)衡水湖內(nèi)源污染的研究主要集中在營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)分布、持久性有機(jī)物污染特征及重金屬污染特征等方面[10-11]，而針對(duì)沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)特征的研究尚未開展，尤其是冬季低溫環(huán)境下沉積物微生物群落空間分布特征及其與環(huán)境因子響應(yīng)關(guān)系的研究仍為空白。

筆者以冬季衡水湖不同湖區(qū)表層沉積物為研究對(duì)象，采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討衡水湖生境特征差異引起的微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其多樣性的變化，分析沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性及其環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，以期為衡水湖的治理與保護(hù)提供理論支持，同時(shí)也為類似湖泊的水環(huán)境保護(hù)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及樣品采集

衡水湖（115°27′50″E～115°42′51″E，37°31′40″N～37°41′56″N）湖泊面積為 75 km2，東西長(zhǎng) 22.28 km，南北長(zhǎng)18.81 km，平均水深為3～4 m。所在區(qū)域?qū)儆谂瘻貛Т箨懠撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13 ℃，年降水量為518.9 mm[9-10]。

衡水湖湖北區(qū)種植有大量的蘆葦、蓮和紫萍等水生植物，植被覆蓋度約為60%；湖心區(qū)歷史上曾設(shè)立過漁場(chǎng)，目前水生植物生物量較少，植被覆蓋度約為30%；湖南區(qū)歷史上實(shí)施過挖掘工程，目前植被覆蓋度約為15%。充分考慮衡水湖生境特征和周邊環(huán)境因素，在湖區(qū)布設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)，其中湖北區(qū)3個(gè)（S1～S3），湖心區(qū) 3 個(gè)（S4、S5、S8），湖南區(qū) 2 個(gè)（S6、S7）。采樣點(diǎn)位置及信息見圖1。

圖1 沉積物采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 Map of sediments sampling sites

冬季湖泊水體和沉積物中污染物受外部因素影響較小，能較準(zhǔn)確反映湖泊內(nèi)源污染的真實(shí)狀況[12]。于2020年12月在8個(gè)采樣點(diǎn)采集表層沉積物(0～10 cm)樣品及上覆水水樣。上覆水水樣盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）等指標(biāo)。沉積物樣品采集后放入聚乙烯自封袋并盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，低溫儲(chǔ)存，冷凍干燥處理后用于測(cè)定TN、TP、有機(jī)碳（TOC）濃度及pH。另取一部分新鮮沉積物樣品用于測(cè)定氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、亞硝態(tài)氮（NO2--N）濃度。

1.2 水樣與沉積物樣品指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》4版[13]測(cè)定上覆水COD與NH3-N、TN、TP濃度。沉積物樣品剔除沙石、動(dòng)植物碎片等，使用冷凍干燥機(jī)預(yù)處理后進(jìn)行研磨，過100目尼龍篩后裝入聚乙烯塑料自封袋，放入冰箱，備用。采用燒失量法[9]測(cè)定沉積物中TOC濃度；運(yùn)用連續(xù)提取法(SMT法)提取沉積物樣品中TP，采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定沉積物中TP濃度；采用過硫酸鹽氧化法[10]測(cè)定沉積物中TN濃度，采用氯化鉀溶液提取-分光光度法測(cè)定沉積物中NH4+-N、NO3--N和NO2--N濃度。酸堿度采用pH計(jì)測(cè)定。

1.3 微生物高通量測(cè)序

用于微生物分析的樣品送到上海美吉生物科技股份有限公司進(jìn)行微生物組總DNA提取，完成基因組DNA抽提后，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA。對(duì)提取的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物信息見表1。PCR采用 TransGen AP221-02：TransStart Fastpfu DNA Polymerase，20 μL 反 應(yīng) 體系，PCR儀為ABI GeneAmp? 9700型。全部樣本按照正式試驗(yàn)條件進(jìn)行PCR擴(kuò)增，每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN公司）切膠回收PCR產(chǎn)物，Tris_HCl洗脫，2%瓊脂糖電泳檢測(cè)。

表1 PCR擴(kuò)增引物信息Table 1 PCR amplification primer information

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用QIIME軟件過濾、拼接和去除嵌合體，將運(yùn)算分類單位（operational taxonomic units，OTU）在97%的相似水平劃分，對(duì)OTU代表序列通過比對(duì)16S bacteria數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類學(xué)分析，根據(jù)最小樣品的序列數(shù)抽平后，運(yùn)用QIIME程序計(jì)算α多樣性指數(shù)。其中，Shannon、Simpson指數(shù)用于評(píng)估物種多樣性，Chao指數(shù)用來表征物種豐富度[12]，Coverage指數(shù)、Heip指數(shù)分別用來表征菌群覆蓋率及均勻度[14-16]。利用R語(yǔ)言工具作圖，得出不同分類水平下微生物群落結(jié)構(gòu)柱形圖?；?7%相似性的樣本OTU數(shù)據(jù)和環(huán)境因子數(shù)據(jù)，運(yùn)用R語(yǔ)言vegan包進(jìn)行RDA（redundancy analysis）分析得出冗余分析圖。使用R語(yǔ)言vegan包繪制樣本間距離熱圖，通過計(jì)算環(huán)境因子與所選菌屬之間的Spearman相關(guān)性系數(shù)，并基于R語(yǔ)言的pheatmap包繪制相關(guān)性熱圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 衡水湖上覆水及沉積物理化性質(zhì)

冬季衡水湖表層沉積物理化指標(biāo)如表2所示。由表2可知，衡水湖表層沉積物中TN平均濃度為1.987 mg/g，屬中度污染水平；TP平均濃度為1.411 mg/g，屬重度污染[17]；TOC平均濃度為50.941 mg/g，屬有機(jī)污染水平[10,17]。整體而言，湖泊沉積物有機(jī)污染和磷污染問題較為嚴(yán)重，存在極大的磷釋放風(fēng)險(xiǎn)，沉積物中高有機(jī)質(zhì)濃度對(duì)氮鹽的釋放也有一定促進(jìn)作用。沉積物中TN、TP和TOC平均濃度均表現(xiàn)為湖心區(qū)＞湖南區(qū)＞湖北區(qū)，表明湖心區(qū)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽污染狀況最嚴(yán)重，這可能與湖心區(qū)有過水產(chǎn)養(yǎng)殖有關(guān)。各采樣點(diǎn)表層沉積物中NH4+-N濃度為0.123～0.472 mg/g，NO3--N濃度為 0.011～0.164 mg/g，NO2--N濃度較低，均值為6.17 × 10-4mg/g。結(jié)果表明，沉積物中氮鹽存在形式以NH4+-N為主，其中S8點(diǎn)位TN、TP、TOC、NH4+-N和NO3--N濃度較高，這與張嘉雯等[10]對(duì)衡水湖沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)分布的研究結(jié)果一致。

表2 衡水湖冬季不同湖區(qū)表層沉積物理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of physicochemical indexes of surface sediments in different areas of Hengshui Lake in winter

由衡水湖不同湖區(qū)采樣點(diǎn)上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度（圖2）可知，湖北區(qū)采樣點(diǎn)上覆水TN濃度顯著高于其余湖區(qū)采樣點(diǎn)，而其沉積物中TN濃度低于其余湖區(qū)采樣點(diǎn)。該現(xiàn)象與在白洋淀[7]的研究結(jié)果相似，可能是由于冬季湖北區(qū)大量衰亡的水生植物腐解，造成的厭氧環(huán)境加劇了沉積物中弱結(jié)合態(tài)氮的釋放，從而導(dǎo)致上覆水TN濃度與其他湖區(qū)相比較高。湖心區(qū)上覆水及沉積物中TP和NH4+-N濃度均較高，這可能是由于湖心區(qū)歷史上漁業(yè)養(yǎng)殖導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽積累較多，內(nèi)源負(fù)荷較高致使污染物二次釋放到上覆水體中。

圖2 衡水湖不同湖區(qū)采樣點(diǎn)上覆水及沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度Fig.2 Nutrient concentrations of overlying water and sediments at different sampling points in Hengshui Lake

2.2 沉積物微生物群落多樣性分析

2.2.1 微生物α多樣性分析

通過高通量測(cè)序，在97%的相似性度下將其聚類為用于物種分類的OTU，8個(gè)表層沉積物樣品共得到 5 043個(gè)OTUs，分屬61門、178綱、384目、556科、827屬和1 668種。

計(jì)算不同采樣點(diǎn)沉積物中微生物群落的α多樣性指數(shù)，結(jié)果如圖3所示。Shannon指數(shù)與物種多樣性成正比，Simpson指數(shù)則與物種多樣性成反比。由圖3可知，各湖區(qū)Shannon指數(shù)平均值排序?yàn)楹眳^(qū)（6.50）＞湖心區(qū)（6.20）＞湖南區(qū)（5.90），Simpson 指數(shù)平均值排序?yàn)楹蠀^(qū)（0.016）＞湖心區(qū)（0.009）＞湖北區(qū)（0.007）。湖北區(qū)、湖心區(qū)Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)存在極顯著差異（P＜0.01）。各湖區(qū)沉積物的Heip指數(shù)平均值排序?yàn)楹眳^(qū)（0.21）＞湖心區(qū)（0.18）＞湖南區(qū)（0.14）。Chao 指數(shù)平均值排序?yàn)楹眳^(qū)（3 961）＞湖心區(qū)（3 662）＞湖南區(qū)（3 561），衡水湖各采樣點(diǎn)沉積物Chao指數(shù)均高于白洋淀沉積物(1 354.96±645.82)[18]、華南地區(qū)的紅樹林沉積物(2 243±96)[19]。以上結(jié)果說明衡水湖表層沉積物中微生物群落多樣性及豐富度較高。另外，各湖區(qū)Coverage指數(shù)均達(dá)到97%以上，表明衡水湖表層沉積物物種覆蓋率較高。

圖3 不同湖區(qū)各采樣點(diǎn)沉積物中微生物群落α多樣性指數(shù)Fig.3 Alpha diversity indexes of microbial communities of sediments at each sampling site in different lake areas

綜上，衡水湖表層沉積物中微生物群落多樣性較高，水體環(huán)境適宜微生物生存繁殖。水體沉積物中微生物群落多樣性的結(jié)果為湖北區(qū)＞湖心區(qū)＞湖南區(qū)，湖北區(qū)與湖心區(qū)沉積物的微生物群落結(jié)構(gòu)存在極顯著差異。有研究表明，沉積物中細(xì)菌群落多樣性隨營(yíng)養(yǎng)鹽水平升高而下降，衡水湖湖北區(qū)水生植物覆蓋度最高，水體自凈能力也高，營(yíng)養(yǎng)鹽污染狀況相對(duì)湖心區(qū)和湖南區(qū)較輕[7]。

2.2.2 微生物β多樣性分析

在群落生態(tài)學(xué)中，β多樣性指數(shù)聚焦于不同生境間多樣性的比較[20]，可反映不同湖區(qū)間沉積物樣品微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。以O(shè)TU水平做出樣本相關(guān)距離熱圖，距離系數(shù)越大顏色越深，則表明2個(gè)采樣點(diǎn)間存在的物種差異性越大。由不同采樣點(diǎn)樣本相關(guān)距離熱圖（圖4）可以看出，各湖區(qū)顏色分化較明顯，說明衡水湖各湖區(qū)沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)存在較明顯的差異。同處湖北區(qū)的S1和S2采樣點(diǎn)距離系數(shù)最小，為0.207，說明大趙閘和南李莊村的微生物群落具有較高的相似度；S1和S8的距離系數(shù)最大，為0.455，說明大趙閘和小湖心的微生物群落差異性較大。研究表明，微生物群落結(jié)構(gòu)特征的差異是微生物與水體環(huán)境長(zhǎng)期相互響應(yīng)的結(jié)果，在富營(yíng)養(yǎng)化和接近富營(yíng)養(yǎng)化的湖區(qū)水體中微生物群落多樣性隨著營(yíng)養(yǎng)鹽水平的升高而降低[21]，湖心區(qū)采樣點(diǎn)沉積物中TN、TP、TOC、NH4+-N及NO3--N濃度遠(yuǎn)高于湖北區(qū)采樣點(diǎn)，因此沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽污染水平對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)差異造成一定影響。除此之外，湖心區(qū)植物覆蓋度低于湖北區(qū)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)更多來源于歷史的餌料投喂。因此，湖北區(qū)與湖心區(qū)沉積物的微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯，與不同區(qū)域環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度及有機(jī)物組分差異有關(guān)。

圖4 不同采樣點(diǎn)樣本相關(guān)距離熱圖Fig.4 Heatmaps of sample correlation distances at different sampling points

2.3 沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)組成

2.3.1 門水平微生物群落結(jié)構(gòu)

在門水平上，將相對(duì)豐度≥1%的微生物繪制成柱形圖，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，沉積物中微生物群落在門水平上較為豐富，相對(duì)豐度較高的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門依次是變形菌門（Proteobacteria，28.8%～39.4%）、綠彎菌門（Chloroflexi，11.4%～23.5%）、脫硫菌門（Desulfobacterota，8.0%～12.2%）、擬桿菌門（Bacteroidetes，5.0%～7.8%）、酸桿菌門（Acidobacteria，4.2%～8.9%）、放線菌門（Actinobacteria，4.3%～6.6%）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae，1.1%～2.9%），這7類優(yōu)勢(shì)類群在沉積物中的相對(duì)豐度均為60%以上。在很多湖泊沉積物的研究中，亦發(fā)現(xiàn)Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi和 Bacteroidetes為優(yōu)勢(shì)菌種類[22-23]。衡水湖與其他研究區(qū)域[24-27]水體沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)組成相似，但與其他研究區(qū)域水體沉積物的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門存在差異。湖泊表層沉積物中常見優(yōu)勢(shì)菌門有 Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Acidobacteria、Nitrospirae 和厚壁菌門（Firmicutes），除Firmicutes外，其他5個(gè)常見優(yōu)勢(shì)菌門均是衡水湖沉積物中的優(yōu)勢(shì)菌門。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)irmicutes在黃河、鄱陽(yáng)湖、太湖等水體沉積物微生物群落中均為優(yōu)勢(shì)菌門，但在我國(guó)遼河四平段流域、雙臺(tái)子河、遼河入?？诘缺辈亢恿鞒练e物微生物群落中相對(duì)豐度較低[20]，這與衡水湖表層沉積物中Firmicutes相對(duì)豐度也較低的研究結(jié)果相一致。

圖5 不同湖區(qū)采樣點(diǎn)沉積物門水平微生物群落結(jié)構(gòu)Fig.5 Microbial community structure at phylum levels of sampling sites in different lake areas

微生物相對(duì)豐度在湖北區(qū)和湖心區(qū)存在顯著性差異（P＜0.05）的細(xì)菌門為 Chloroflexi、Desulfobacterota、Actinobacteria、Acidobacteria 和Nitrospirae， 這 些細(xì)菌門中相對(duì)豐度排序?yàn)楹眳^(qū)＞湖心區(qū)的是Desulfobacterota、Acidobacteria 和Nitrospirae，說明這些細(xì)菌門更適宜在水生植物豐富的環(huán)境下生長(zhǎng)。相對(duì)豐度排序?yàn)楹膮^(qū)＞湖北區(qū)的細(xì)菌門是Chloroflexi和Actinobacteria，其中湖心區(qū)沉積物樣品中Chloroflexi的相對(duì)豐度顯著高于其他湖區(qū)。Chloroflexi為光能自養(yǎng)菌，與沉積物碳循環(huán)有關(guān)，具有發(fā)酵、固定CO2和乙酸化作用[28]，能在各種環(huán)境條件下較好生存，在有機(jī)污染物降解方面也發(fā)揮著重要作用[29]。湖心區(qū)歷史上為養(yǎng)殖漁場(chǎng)，沉積物中有機(jī)質(zhì)濃度明顯高于其他湖區(qū)，可為Chloroflexi的生長(zhǎng)繁殖提供有利條件。

湖南區(qū)和湖心區(qū)存在顯著性差異（P＜0.05）的細(xì)菌門有 Chloroflexi、Desulfobacterota、Nitrospirae和Patescibacteria。其中，相對(duì)豐度排序?yàn)楹蠀^(qū)＞湖心區(qū)的是Desulfobacterota和Nitrospirae，說明這2個(gè)細(xì)菌門對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較敏感，更適宜在富營(yíng)養(yǎng)化程度小的環(huán)境下生存；相對(duì)豐度排序?yàn)楹膮^(qū)＞湖南區(qū)的細(xì)菌門是Chloroflexi和Patescibacteria，說明這2個(gè)細(xì)菌門適宜在營(yíng)養(yǎng)鹽豐富的環(huán)境下生存，其生長(zhǎng)繁殖與湖心區(qū)沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽污染嚴(yán)重有關(guān)。

2.3.2 屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)

不同湖區(qū)采樣點(diǎn)沉積物屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可知，在屬水平上，衡水湖各采樣點(diǎn)物種相對(duì)豐度小于1%的菌屬占比較大，這類菌屬總豐度在36%以上，說明衡水湖表層沉積物的微生物豐富度較高，與其α多樣性分析的結(jié)果一致。各湖區(qū)采樣點(diǎn)沉積物優(yōu)勢(shì)分類群結(jié)構(gòu)相似，不同湖區(qū)細(xì)菌群落差異主要體現(xiàn)在共有類群相對(duì)豐度的變化上。衡水湖表層沉積物的優(yōu)勢(shì)菌屬是硫桿菌屬（Thiobacillus，相對(duì)豐度10.1%～17.9%）、厭氧繩菌科（Anaerolineaceae）下的某屬（相對(duì)豐度2.1%～11.3%）、類固醇桿菌科（Steroidobacteraceae）下的某屬（相對(duì)豐度2.0%～6.5%）、Sva0081（相對(duì)豐度1.6%～2.5%）、P9X2b3D02（相對(duì)豐度0.9%～2.7%）和 SBR1031（相對(duì)豐度1.3%～3.0%）。

圖6 不同湖區(qū)采樣點(diǎn)沉積物屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)Fig.6 Microbial community structure at genus levels of sampling sites in different lake areas

湖心區(qū)沉積物中Anaerolineaceae下的某屬相對(duì)豐度是湖北區(qū)沉積物的2.27倍，是湖南區(qū)的4倍，但湖心區(qū)沉積物中P9X2b3D02的相對(duì)豐度是湖北區(qū)沉積物的0.67倍，是湖南區(qū)沉積物的0.74倍。與湖南區(qū)和湖北區(qū)沉積物相比，湖心區(qū)沉積物中相對(duì)豐度明顯增大的菌屬為Anaerolineaceae下的某屬、SBR1031和Denitratisoma等。與湖心區(qū)和湖北區(qū)沉積物相比，湖南區(qū)沉積物中相對(duì)豐度明顯增大的菌屬為Thiobacillus、Sva0081和Steroidobacteraceae下的某屬等。Thiobacillus不僅可以有效去除水體中的硝態(tài)氮[30]，還對(duì)硫的轉(zhuǎn)化和降解有著顯著作用，有助于提升水體自凈能力。Sva0081是Desulfobacteraceae下的菌屬，該科下菌屬均為硫酸鹽還原菌（sulfatereducing bacteria，SRB），SRB 為厭氧細(xì)菌，可將SO42-還原成H2S，對(duì)湖泊中硫和重金屬的化學(xué)循環(huán)有積極作用[31]。Sva0081在湖南區(qū)沉積物中的相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于其他湖區(qū)，這與湖南區(qū)沉積物高NH4+-N濃度有關(guān)，陰星望等[25]的研究也發(fā)現(xiàn)，該菌屬相對(duì)豐度與NH4+-N濃度成正比，這與本研究結(jié)果一致。

Anaerolineaceae下 的 某 屬 、P9X2b3D02和SBR1031相對(duì)豐度在湖北區(qū)和湖心區(qū)沉積物之間存在顯著性差異（P＜0.05），P9X2b3D02 相對(duì)豐度排序?yàn)楹眳^(qū)＞湖心區(qū)，說明該菌屬更適宜在水生植物豐富的環(huán)境下生長(zhǎng)繁衍。Anaerolineaceae下的某屬和SBR1031相對(duì)豐度為湖心區(qū)＞湖北區(qū)，Anaerolineaceae下的某屬是Chloroflexi下的厭氧細(xì)菌且在該門中占主導(dǎo)，具有發(fā)酵作用，可利用糖類和蛋白質(zhì)進(jìn)行代謝生長(zhǎng)[32]，其在湖心區(qū)相對(duì)豐度最高。湖心區(qū)豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增強(qiáng)了底泥微生物的物質(zhì)循環(huán)，該過程消耗大量氧氣，有利于厭氧菌的繁殖生存。

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)性

2.4.1 冗余分析

在屬水平上構(gòu)建沉積物中微生物群落與沉積物理化性質(zhì)的冗余分析圖，結(jié)果如圖7所示。圖7中箭頭長(zhǎng)短代表環(huán)境因子與微生物菌屬的相關(guān)程度，箭頭越長(zhǎng)，相關(guān)性越大，反之相關(guān)性越小[33]。由圖7可知，沉積物TOC濃度對(duì)湖心區(qū)微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大，這與湖心區(qū)沉積物有機(jī)污染嚴(yán)重的狀態(tài)相關(guān)。RDA1和RDA2共同解釋了總體變化的80.41%，其中沉積物中TN、TP、TOC、NH4+-N、NO3--N和NO2--N濃度與第一主軸和第二主軸呈正相關(guān)，對(duì)湖心區(qū)沉積物細(xì)菌群落影響較大；沉積物pH與第一主軸呈正相關(guān)，與第二主軸呈負(fù)相關(guān)，對(duì)湖南區(qū)沉積物的細(xì)菌群落影響較大。

圖7 不同湖區(qū)采樣點(diǎn)沉積物中微生物菌屬與沉積物理化指標(biāo)冗余分析Fig.7 Redundancy analysis diagram of microbial genera and sediment properties of sediments at sampling sites in different lake areas

2.4.2 相關(guān)性分析

冗余分析只能從總體上反映環(huán)境因子與微生物菌屬的關(guān)系，為了明確衡水湖冬季沉積物中微生物菌屬與環(huán)境因子的相關(guān)性，將屬水平優(yōu)勢(shì)菌屬（分類水平豐度前30%）與環(huán)境因子進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 微生物菌屬與上覆水、沉積物理化指標(biāo)相關(guān)性分析熱圖Fig.8 Heatmap of correlation analysis between microbial genera and physical-chemical indexes of overlying water and sediments

SBR1031作為綠彎菌門下的菌屬[34]，其相對(duì)豐度與氮鹽的濃度顯著相關(guān)[35]。衡水湖沉積物中豐富的NH4+-N為SBR1031提供了充足的氮源，因而沉積物中SBR1031的相對(duì)豐度與NH4+-N濃度呈顯著正相關(guān)（P≤0.05），這與高志偉等[35]的研究結(jié)果一致。Thiobacillus相對(duì)豐度與TOC濃度呈正相關(guān)，Denitratisoma相對(duì)豐度與TOC濃度呈極顯著正相關(guān)（P≤0.001），該研究結(jié)果與白洋淀沉積物的研究結(jié)果[7]一致。Thiobacillus在濕地生態(tài)系統(tǒng)的C、N、S等元素循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[36]，本研究結(jié)果進(jìn)一步表明了Thiobacillus與碳的利用有密切關(guān)系。Sutterellaceae下的某屬、P9X2b3D02、Aminicenantales下的某屬及螺旋體屬（Spirochaeta）等8個(gè)優(yōu)勢(shì)菌屬的相對(duì)豐度與TOC濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P≤0.05）。綜上可知，沉積物TOC濃度對(duì)沉積物中多種菌屬產(chǎn)生顯著影響，這可能與衡水湖表層沉積物有機(jī)污染嚴(yán)重有關(guān)。已有研究發(fā)現(xiàn)，衡水湖沉積物中有機(jī)質(zhì)可能主要來自陸生高等植物，蘆葦、蒲草等植物凋謝后的殘?bào)w可能是衡水湖沉積物中有機(jī)質(zhì)的主要來源[10]。據(jù)此分析，衡水湖冬季沉積物碳源污染與該季節(jié)水生植物大量腐爛形成的生物沉積有關(guān)，碳源污染致使衡水湖沉積物內(nèi)源污染嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)植物殘?bào)w清除和底泥疏浚是控制衡水湖內(nèi)源污染的重點(diǎn)。

有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷濃度和pH等均會(huì)對(duì)沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響[25]，不同區(qū)域不同水體的關(guān)鍵影響因素不同。已有研究表明，pH是鄱陽(yáng)湖河口微生物群落的關(guān)鍵影響因素[26]，TP是洪澤湖西北部濕地沉積物微生物群落的關(guān)鍵影響因素[36]。本研究中，沉積物TOC濃度是衡水湖水體沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素。

3 結(jié)論

（1）衡水湖表層沉積微生物群落多樣性較高，水體環(huán)境適宜微生物生存繁殖。沉積物微生物群落多樣性的結(jié)果為湖北區(qū)＞湖心區(qū)＞湖南區(qū)，湖北區(qū)與湖心區(qū)沉積物的微生物群落結(jié)構(gòu)存在極顯著差異（P＜0.01）。

（2）衡水湖各湖區(qū)沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)在門和屬水平上沒有明顯差異，但其在各湖區(qū)間相對(duì)豐度差異顯著。在門水平上，湖心區(qū)沉積物中Chloroflexi的豐度顯著高于其他2個(gè)湖區(qū)（P＜0.05），這與湖心區(qū)有機(jī)污染嚴(yán)重有關(guān)；在屬水平上，湖北區(qū)沉積物樣品中P9X2b3D02豐度顯著高于其他2個(gè)湖區(qū)（P＜0.05），說明該菌屬更適宜在水生植物豐富的環(huán)境下生長(zhǎng)繁衍。

（3）沉積物中TOC濃度是衡水湖水體沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素，TOC濃度與微生物菌屬的高相關(guān)性與沉積物有機(jī)污染嚴(yán)重有關(guān)，加強(qiáng)湖區(qū)植物殘?bào)w清除和底泥疏浚是控制衡水湖內(nèi)源污染的重點(diǎn)。