不同類型基質(zhì)對(duì)附著細(xì)菌定殖演替和群落結(jié)構(gòu)的影響

摘要：探討不同類型基質(zhì)對(duì)附著細(xì)菌定殖演替規(guī)律和群落結(jié)構(gòu)特征的影響，為利用周叢生物技術(shù)開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)提供參考。通過(guò)原位實(shí)驗(yàn)，探究5種基質(zhì)表面附著細(xì)菌的定殖演替規(guī)律和群落結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteriota）、擬桿菌門（Bacteroidota）、厚壁菌門（Firmicutes）和藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）是各基質(zhì)表面附著細(xì)菌的主要組成類群，變形菌門在各基質(zhì)表面都是最先定殖，藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門一般在8 d后才會(huì)逐漸成為優(yōu)勢(shì)類群，厚壁菌門一般在16 d后才成為優(yōu)勢(shì)類群；PCoA結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)前中期（4～16 d）各基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)（第20 天）各基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)趨同，雖有差異但不顯著，基質(zhì)材料物化特性對(duì)附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響主要在細(xì)菌早期發(fā)育或定殖階段；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析和FAPROTAX功能預(yù)測(cè)結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)類基質(zhì)（竹子和木頭）表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性、傳輸性能和效率更高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系更加密切；其細(xì)菌群落功能中的化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型功能占比最高，消化分解水中有機(jī)物的能力更強(qiáng)。后期開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)時(shí)，應(yīng)考慮多種類型基質(zhì)相結(jié)合的模式。

關(guān)鍵詞：附著細(xì)菌；附著基質(zhì)；定殖演替；共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)；群落結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：X172" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號(hào)：1674-3075（2025）01-0122-11

附著細(xì)菌是指生長(zhǎng)在生物或非生物表面并與其形成復(fù)雜共生關(guān)系的一類細(xì)菌（馬杰等，2016）。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中，附著細(xì)菌是主要的分解者，數(shù)量眾多且種類豐富，在對(duì)有機(jī)物的降解、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用（Bohn et al，2007；Zhao et al，2013）。已有研究表明附著細(xì)菌生物膜單位體積的生產(chǎn)力是浮游細(xì)菌的4～5倍（Theil-Nielsen amp; Sondergaard，1999），對(duì)水體水質(zhì)改善至關(guān)重要。在水生態(tài)修復(fù)過(guò)程中，細(xì)菌的豐度、群落結(jié)構(gòu)及多樣性等變化已作為評(píng)判生態(tài)修復(fù)效果的重要指標(biāo)（Ciurli et al，2009；李琳琳 等，2013）。

附著基質(zhì)是細(xì)菌附著和生長(zhǎng)的載體，是生物膜形成的前提條件（Mhedbi-Hajri et al，2011）。作為附著基質(zhì)的材料主要包括天然機(jī)質(zhì)類（竹子、木材、大型水生植物等）（Khatoon et al，2007；Richard et al，2009）、合成有機(jī)類（纖維刷、玻璃纖維條、聚丙烯、聚氯乙烯等）（J?bgen et al，2004；Shen et al，2016）和無(wú)機(jī)非金屬類（瓷磚、沸石、玻璃、石塊等）（Voisin et al，2016）?；|(zhì)材料的類型、表面特性（靜電相互作用、范德華力、親疏水性以及形貌特征）等都是影響附著細(xì)菌定殖演替和群落結(jié)構(gòu)的重要因素（Soni et al，2008；Lee et al，2010；呂丹丹，2014）。目前，關(guān)于基質(zhì)材料的類型、表面特性對(duì)細(xì)菌附著影響的研究主要是針對(duì)純種菌株，例如，Gottenbos等（2000）測(cè)定P.aeruginosa AK1的Zeta電位為-7 mV，并發(fā)現(xiàn)其在正電荷（+12 mV）生物移植材料表面的初始附著率比在負(fù)電荷（-18 mV）共聚物表面的初始附著率大2倍；Terada等（2012）發(fā)現(xiàn)Escherichia coli在帶正電表面的細(xì)胞黏附密度比帶負(fù)電表面高23倍；此外還有研究對(duì)比了9株Staphylococcus epidermidis菌的初始黏附力，發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌在疏水性強(qiáng)的聚丙烯材料表面的初始黏附水平更高（Cerca et al，2005）；Whitehead等（2006）研究發(fā)現(xiàn)球狀的S.aureus在粗糙度為43.6 nm表面上的黏附量超過(guò)在粗糙度為8.7 nm表面的黏附量。但是關(guān)于不同基質(zhì)類型下附著細(xì)菌群落水平的變化規(guī)律及群落功能尚鮮有研究。此外，眾多研究已經(jīng)表明，混合菌群中微生物的協(xié)同作用能夠有效提升菌群的穩(wěn)定性和耐受性，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)污染物的降解能力（Duc et al，2021；Ke et al，2021；Zhao et al，2021；Li et al，2022）。因此研究附著細(xì)菌群落水平下的變化規(guī)律更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

附著細(xì)菌作為生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解者已成為水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)的重要組成部分，選取合適的附著基質(zhì)來(lái)強(qiáng)化附著細(xì)菌之間的協(xié)同作用，強(qiáng)化其生態(tài)修復(fù)功能成為未來(lái)研究的重點(diǎn)方向?；诖?，本研究綜合考慮基質(zhì)的材料類型、表面特性、物化特征等因素，選取5種基質(zhì)開(kāi)展原位實(shí)驗(yàn)，旨在：比較不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌的定殖演替規(guī)律；探索不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征；了解不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的差異，為后期開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)工程時(shí)選擇合適基質(zhì)材料提供參考。

1" "材料與方法

1.1" "實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2024年3月4—24日在水利部水生態(tài)與生物資源研究實(shí)驗(yàn)基地的人工湖內(nèi)開(kāi)展細(xì)菌附著實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)期間人工湖水體水質(zhì)狀況見(jiàn)表1）。選取空心磚、鵝卵石、火山巖、木頭（松木塊）和竹子作為附著基質(zhì)材料（其中空心磚、木頭為100 cm×50 cm×50 cm的長(zhǎng)方體；竹子為底面直徑5 cm，高15 cm的圓柱體；鵝卵石、火山巖為不規(guī)則橢圓球體）。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前將5種基質(zhì)分別消毒處理去除表面原有細(xì)菌。2024年3月4日將5種基質(zhì)懸掛于人工湖內(nèi)，懸掛水深為1 m，每種基質(zhì)設(shè)置15個(gè)平行。第4天開(kāi)始實(shí)驗(yàn)的第1次采樣，此后，每隔4 d（即在第4、8、12、16和20 天）進(jìn)行采樣，每次每種基質(zhì)隨機(jī)選取3個(gè)平行進(jìn)行附著細(xì)菌樣品采集（多次刷取，直至刷洗液清澈為止），采集后不再放入水中，直至第20天基質(zhì)材料全部取出。水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與附著細(xì)菌樣品采集同步開(kāi)展。

1.2" "指標(biāo)測(cè)定

各基質(zhì)每個(gè)平行分別刷取100 cm2面積的微生物樣品，各自定容至50 mL，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，然后在3000 r/min下離心30 min，去除上清液，沉淀物存放至-80 ℃超低溫冰箱中，用于后續(xù)進(jìn)行附著細(xì)菌的16S rRNA基因分析。用Omega Water DNA Kit（Omega，USA）試劑盒提取DNA，然后用微量分光光度計(jì)（NanoDrop ND-1000 UV/Vis spectral photometer）檢驗(yàn)DNA提取的純度。測(cè)序引物選用16S rRNA基因的V3～V4區(qū)通用引物（F：5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'；R：5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）對(duì)總DNA進(jìn)行擴(kuò)增（Gaporaso et al，2011）。采用Illumina Hiseq 6000（利用雙末端測(cè)序）測(cè)序平臺(tái)（北京百邁客生物科技有限公司）進(jìn)行高通量測(cè)序。

采用YSI水質(zhì)分析儀（美國(guó)，YSI ProQuatro便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水溫（WT）、pH、溶解氧（DO）、鹽度（Sal）等指標(biāo)等參數(shù)，采集表層水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、正磷酸鹽（PO43--P）、葉綠素a（Chl-a）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn），水體化學(xué)指標(biāo)的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）。

1.3" "數(shù)據(jù)分析

附著細(xì)菌測(cè)得的序列通過(guò)生態(tài)學(xué)定量研究工具QIIME（1.9.1）的分析流程進(jìn)行分析，基于SILVA數(shù)據(jù)庫(kù)（V138）進(jìn)行物種比對(duì)注釋后，得到各處理組的附著細(xì)菌種類組成和豐度分布，其中相對(duì)豐度大于5%的為優(yōu)勢(shì)類群。采用WPS excel繪制熱度圖，分析不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)隨時(shí)間的變化?；贠TU水平（Bray-Curtis距離）的主坐標(biāo)分析（PCoA），采用R軟件（v4.0.3）中的vegan包進(jìn)行比較不同基質(zhì)材料附著細(xì)菌群落組成差異，并使用相似性分析（ANOSIM）檢測(cè)不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落組成差異的顯著性；采用vegan和picante包計(jì)算附著細(xì)菌群落的alpha多樣性指數(shù)，數(shù)據(jù)間的顯著性差異采用單因素方差分析，用SPSS19.0軟件完成。在進(jìn)行方差分析前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性和正態(tài)分布檢驗(yàn)。若方差齊性，選擇LSD檢驗(yàn)，反之使用Tamhane's檢驗(yàn)（Plt;0.05），并用origin 9.0作圖。在OTU水平上構(gòu)建不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落的共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)模式，為了提高網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和可靠性，首先選取相對(duì)豐度大于1%的OTUs，進(jìn)一步選擇Spearman相關(guān)系數(shù)大于0.7同時(shí)顯著性Plt;0.05的OTUs用于細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使用Gephi（v0.9.2）交互式軟件對(duì)不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化。共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣鲄?shù)平均度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接邊數(shù)的平均值）、平均路徑長(zhǎng)度（每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑的平均值）、模塊化（代表網(wǎng)絡(luò)可以被劃分為模塊的程度，選取范圍為0～1，模塊化指數(shù)越高，表示網(wǎng)絡(luò)可以劃分的模塊越多，反映網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性越低，當(dāng)模塊化大于0.4時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)具有模塊化結(jié)構(gòu)）等指標(biāo)使用igraph包進(jìn)行計(jì)算。FAPROTAX功能預(yù)測(cè)方法是基于原核微生物分類的功能注釋數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)細(xì)菌群落進(jìn)行功能預(yù)測(cè)（Louca et al，2016），版本為FAPROTAX 1.2.4。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "不同基質(zhì)對(duì)附著細(xì)菌定殖速率的影響

通過(guò)熱圖分析不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌定殖速率的差異（圖1）。木頭基質(zhì)表面4 d后成為優(yōu)勢(shì)類群的有變形菌門（Proteobacteria）（28.83%）、擬桿菌門（Bacteroidota）（13.55%），藍(lán)細(xì)菌門（Cyanobacteria）（16.60%）、厚壁菌門（Firmicutes）（10.45%）在8 d后成為優(yōu)勢(shì)類群，疣微菌門（Verrucomicrobiota）（5.76%）在20 d后成為優(yōu)勢(shì)類群。竹子基質(zhì)表面4 d后率先成為優(yōu)勢(shì)類群的只有變形菌門（38.85%），放線菌門（Actinobacteriota）（5.11%）、原壁菌門（6.73%）在第16天后成為優(yōu)勢(shì)類群，竹子表面定殖的細(xì)菌種類較少。4 d后在火山巖基質(zhì)表面原壁菌門（22.71%）、變形菌門（20.32%）、擬桿菌門（17.77%）、放線菌門（6.53%）和酸桿菌門（Acidobacteriota）（6.33%）是主要優(yōu)勢(shì)類群，此后藍(lán)細(xì)菌門（8.08%）、疣微菌門（5.44%）和（unclassified_Bacteria）也成為優(yōu)勢(shì)類群，但是相對(duì)豐度較低。在鵝卵石和空心磚基質(zhì)材料表面也發(fā)現(xiàn)了類似火山巖基質(zhì)表面附著細(xì)菌的定殖規(guī)律。

2.2" "不同基質(zhì)對(duì)附著細(xì)菌群落演替的影響

不同基質(zhì)處理組中附著細(xì)菌群落主要由變形菌門、放線菌門、擬桿菌門、厚壁菌門和藍(lán)細(xì)菌門組成（圖2）。其中竹子基質(zhì)表面Proteobacteria在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的平均相對(duì)豐度最高（51.58%），其次是鵝卵石（42.84%），火山巖最低（31.82%）；放線菌門和藍(lán)細(xì)菌門在空心磚表面的平均相對(duì)豐度最高（10.39%和13.99%），在竹子基質(zhì)表面最低（5.06%和5.33%）；擬桿菌門在鵝卵石基質(zhì)表面的平均相對(duì)豐度最高（14.46%），在竹子基質(zhì)表面最低（10.77%）；厚壁菌門在火山巖基質(zhì)表面的平均相對(duì)豐度最高（9.94%），在鵝卵石基質(zhì)表面最低（2.99%）（圖3）。

空心磚基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落的演替過(guò)程隨時(shí)間依次為：4 d是變形菌門、放線菌門和厚壁菌門、12 d是疣微菌門、藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門、16 d后（unclassified_Bacteria。其中，Actinobacteriota的相對(duì)豐度隨時(shí)間逐漸下降，12 d后趨于穩(wěn)定。擬桿菌門和藍(lán)細(xì)菌門的相對(duì)豐度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)（圖4a）。結(jié)合圖1分析可知道，20 d后基本形成了以Proteobacteria和Cyanobacteria為主的穩(wěn)定群落。

4 d后，鵝卵石基質(zhì)表面變形菌門優(yōu)先成為優(yōu)勢(shì)類群（圖4b）。第8 天擬桿菌門和藍(lán)細(xì)菌門成為優(yōu)勢(shì)類群；16 d后未分類細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)類群。其中，變形菌門相對(duì)豐度逐漸增加，擬桿菌門的相對(duì)豐度呈現(xiàn)明顯的先升后降的趨勢(shì)，藍(lán)細(xì)菌門的相對(duì)豐度在第8天時(shí)達(dá)到最高，之后逐漸下降。從火山巖基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落演替過(guò)程可以看出（圖4c），第4天成為優(yōu)勢(shì)類群的有厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌門，第8天時(shí)未分類細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)類群，放線菌門在第16天時(shí)成為優(yōu)勢(shì)類群，藍(lán)細(xì)菌門在第20天時(shí)成為僅次于變形菌門的優(yōu)勢(shì)類群。其中，變形菌門的相對(duì)豐度隨時(shí)間持續(xù)增加，厚壁菌門的相對(duì)豐度逐漸下降，到第20天時(shí)基本消失。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)基本形成以變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門為主的穩(wěn)定群落。竹子基質(zhì)表面變形菌門的相對(duì)豐度隨時(shí)間呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其他細(xì)菌類群相對(duì)豐度變化不大（圖4d）。木頭基質(zhì)表面第4天成為優(yōu)勢(shì)類群的有變形菌門和擬桿菌門，藍(lán)細(xì)菌門和厚壁菌門在第8天時(shí)成為優(yōu)勢(shì)類群，20 d后形成了變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門為主的穩(wěn)定群落（圖4e）。

綜合比較5種基質(zhì)表面附著細(xì)菌的演替規(guī)律發(fā)現(xiàn)，空心磚基質(zhì)和火山巖基質(zhì)表面在實(shí)驗(yàn)初期（4 d）時(shí)，附著細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類群的相對(duì)豐度大于10%的種類要高于其他基質(zhì)材料；在各個(gè)處理組中變形菌門最先定殖，藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門一般在8 d后才會(huì)逐漸成為優(yōu)勢(shì)類群。和藍(lán)細(xì)菌門一般在16 d后才成為優(yōu)勢(shì)類群，但相對(duì)豐度較低。

2.3" "不同基質(zhì)附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化

運(yùn)用PCoA分別對(duì)不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落β多樣性進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，第4、8、12和16天時(shí)各類型基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組間差異顯著（ANOSIM，Plt;0.05）（圖5a～d），第20天時(shí)各基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異不顯著，群落結(jié)構(gòu)較為相似（圖5e）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后（第20天），空心磚表面附著細(xì)菌群落的alpha多樣性指數(shù)（Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)）和OTU數(shù)量顯著大于其他基質(zhì)（Plt;0.05）（圖6）。

2.4" "不同基質(zhì)附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的差異

在OTU水平上構(gòu)建不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌的共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)如圖7，其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)見(jiàn)表2。由圖7和表2可知，不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異。竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的邊數(shù)量最大（1 236條），表明竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌OTUs之間具有更復(fù)雜的互聯(lián)關(guān)系和更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)比5種基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的模塊化指標(biāo)（表2），鵝卵石和火山巖的模塊化指標(biāo)大于0.4，說(shuō)明其具有較高的模塊化結(jié)構(gòu)，其模塊內(nèi)的連接更為復(fù)雜，具有更多樣的生態(tài)位和復(fù)雜的功能；竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的模塊化指標(biāo)最?。?.121），說(shuō)明其表面共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)模塊間連接最為復(fù)雜。此外，竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)模式的平均聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)密度和節(jié)點(diǎn)的平均度均高于其他基質(zhì)，平均路徑長(zhǎng)度、介數(shù)中心性和網(wǎng)絡(luò)直徑要小于其他基質(zhì)，這表明在環(huán)境干擾下竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、傳輸性能和效率更高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系更加密切。

2.5" "不同基質(zhì)附著細(xì)菌群落FAPROTAX功能預(yù)測(cè)

基于FAPROTAX數(shù)據(jù)庫(kù)功能注釋，不同基質(zhì)附著細(xì)菌群落功能如圖8。結(jié)果表明，化能異養(yǎng)型（chemoheterotrophy）（15.87%～30.41%）和好氧化能異養(yǎng)型（aerobic chemoheterotrophy）（13.74%～22.51%）細(xì)菌功能占比較高。其中，竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落功能化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型最高，共占52.91%，其次是木頭（41.42%）；火山巖和空心磚基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落功能含氧光合自養(yǎng)型（oxygenic photoautotrophy）占比較高，分別占11.89%和9.58%；固氮作用型（nitrogen fixation）細(xì)菌功能在火山巖基質(zhì)中占比最高（6.79%）；發(fā)酵功能型（fermentation）在有機(jī)質(zhì)型材料竹子和木頭基質(zhì)中占比較高。

3" "討論

基質(zhì)材料表面特征對(duì)生物膜形成具有重要的影響。本研究中，對(duì)比 5 種基質(zhì)表面附著細(xì)菌定殖規(guī)律：實(shí)驗(yàn)初期（4 d），空心磚和火山巖基質(zhì)的相對(duì)豐度大于10%的附著細(xì)菌種類多于其他基質(zhì)；變形菌門最先定殖，藍(lán)細(xì)菌門和擬桿菌門 通常 8 d后成優(yōu)勢(shì)類群，厚壁菌門一般 16 d后成優(yōu)勢(shì)類群但豐度低（圖1～4）。通常，微生物最先選擇基質(zhì)上最利于生存和繁殖的區(qū)域附著，基質(zhì)的粗糙表面可以為微生物提供相對(duì)靜止的流體動(dòng)力環(huán)境。Kawase（1989）和Córdoba（1990）等研究表明，微生物可附著微孔的存在及其尺寸的大小對(duì)早期生物膜的形成起到非常重要的作用。此外，基質(zhì)比表面積越大，對(duì)微生物的附著越有利，較大的比表面積是保持較高濃度微生物的重要條件（李思敏等，2018）。空心磚基質(zhì)和火山巖基質(zhì)特有的表面特性更利于細(xì)菌早期的附著。

生物膜是細(xì)胞與材料表面相互作用的結(jié)果，材料表面的物理化學(xué)特征會(huì)影響細(xì)胞在材料表面的黏附行為以及后續(xù)的成膜過(guò)程（熊富忠等，2018）。本研究PCoA分析結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)前中期（4～16 d）各基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異顯著（圖5a～d），可能是因?yàn)椴煌|(zhì)材料表面的靜電相互作用、范德華力、親疏水性以及形貌特征（粗糙程度和形貌模式等）等特性的不同引起的。Soni等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)細(xì)菌細(xì)胞表面都是帶負(fù)電荷的，在靜電引力作用下細(xì)菌一般會(huì)快速黏附到帶正電的材料表面。Lee等（2010）研究結(jié)果顯示，不同膜材料表面水接觸角越大（即疏水性越大）越有利于細(xì)菌的附著；此外，細(xì)菌細(xì)胞表面的親疏水性也會(huì)影響其附著特性，材料表面的疏水性基團(tuán)和細(xì)胞表面的疏水性基團(tuán)之間的相互作用可能會(huì)加強(qiáng)彼此的黏附（Desrousseaux et al，2013；呂丹丹，2014）。另有研究表明，材料表面的粗糙度和形貌模式對(duì)細(xì)菌附著和生物膜的形成也有重要影響，粗糙度和形貌模式的改變會(huì)影響材料表面的親疏水性，最終引起流場(chǎng)中細(xì)胞所承受的水力剪切力的改變，從而影響細(xì)菌細(xì)胞的黏附（Truong et al，2009；Anselme et al，2010）。本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)（第20天）各基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)趨同，雖有差異但不顯著（圖5e），這可能是由于隨著附著細(xì)菌的逐步發(fā)育成熟，生物膜厚度不斷增加（Pinto et al，2019；Wright et al，2020），后期定殖的細(xì)菌不再直接和基質(zhì)表面接觸，基質(zhì)本身物化特征對(duì)附著細(xì)菌群落組成的影響逐漸減小（Dudek et al，2020）。已有眾多學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律，即隨著附著時(shí)間的延長(zhǎng)新的附著生物會(huì)直接定殖到已形成的附著生物膜上，形成次級(jí)附著生物膜（Oberbeckmann et al，2020；Yang et al，2020）。所以，只有早期的定殖細(xì)菌才有可能直接和基質(zhì)表面相互作用，受基質(zhì)本身的物化特性影響較大。alpha多樣性分析結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后空心磚基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落的Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和OTU數(shù)量要顯著高于其他基質(zhì)材料（Plt;0.05）（圖6）。方芳等（2004）研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)表面的粗糙部分，如空洞、裂縫等可以對(duì)微生物起到直接的庇護(hù)作用，減少水力剪切對(duì)微生物的沖刷，微生物更易吸附于孔徑大小合適的表面微孔中?？招拇u基質(zhì)表面更多的微孔和更大的比表面積可能是導(dǎo)致其附著細(xì)菌種類和多樣性更高的主要原因。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)描述了物種間的相互作用、群落的基本結(jié)構(gòu)以及生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)特性揭示了生態(tài)系統(tǒng)的組織規(guī)律及其面對(duì)干擾時(shí)發(fā)生進(jìn)化的機(jī)理和補(bǔ)償機(jī)制（Woodward et al，2010；Karimi et al，2017）。本研究中不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異，其中竹子基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性、穩(wěn)定性、傳輸性能和效率更高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系更加密切，其次是木頭基質(zhì)（圖7和表2）。有研究表明，木頭、竹子等有機(jī)質(zhì)材料的生物降解可能會(huì)為附著生物的生長(zhǎng)提供必需的氮源和磷源（Scholz amp; Boon，1993；Burkholder，1996）。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，竹竿、樹枝、麻枝或蔗渣捆等死亡的有機(jī)質(zhì)材料比PVC管上附著的周叢生物的密度更大，這與基質(zhì)浸出的營(yíng)養(yǎng)物或有毒物的差別有關(guān)（Azim et al，2002）。王丹丹等（2023）研究發(fā)現(xiàn)，相較于水體細(xì)菌群落，具有更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量?jī)?chǔ)備的沉積物中的細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和復(fù)雜性更高。相對(duì)充盈的營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)源可能是竹子和木頭基質(zhì)表面附著細(xì)菌共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定、復(fù)雜的原因。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，火山巖表面附著細(xì)菌群落的共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)具有最高的模塊化結(jié)構(gòu)，這表明其模塊內(nèi)的連接更為復(fù)雜，具有更多樣的生態(tài)位和復(fù)雜的功能（圖7c，表2）。有研究表明，在生物膜形成過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)會(huì)被吸附到基質(zhì)表面（方芳等，2004），火山巖基質(zhì)復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)會(huì)促使其形成不同的表面微生境環(huán)境，水體中的微生物在借助水力動(dòng)力學(xué)及各種擴(kuò)散力向基質(zhì)表面遷移過(guò)程中會(huì)形成適應(yīng)于不同微生境條件的群落結(jié)構(gòu)，這可能是引發(fā)火山巖基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)高度模塊化的原因。FAPROTAX是目前廣泛運(yùn)用于原核微生物生態(tài)功能預(yù)測(cè)的分析流程，覆蓋了超過(guò)4600個(gè)不同原核物種，對(duì)于環(huán)境樣本的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程有較好的預(yù)測(cè)效果（Louca et al，2016）。本研究中不同基質(zhì)表面附著細(xì)菌群落功能注釋結(jié)果顯示，竹子表面附著細(xì)菌化能異養(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)型功能占比最高，其次是木頭（圖8），說(shuō)明其消化分解水中有機(jī)物的能力較強(qiáng)（王飛鵬等，2022）。已有研究表明火山巖是一種高效的脫氮功能填料（張海波，2019；王夢(mèng)瑤等，2020），與本研究中固氮作用型細(xì)菌功能在火山巖基質(zhì)中占比最高（6.79%）結(jié)果吻合。此外，木頭、竹子等有機(jī)質(zhì)材料自身的生物降解可能是導(dǎo)致其發(fā)酵功能占比較高的原因。

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Effects of Different Substrates on Colonization Succession

and Community Structure of Adherent Bacteria

Abstract：Adherent bacteria function as decomposers in ecosystems and have become an important component in the ecological restoration of water bodies. Selecting appropriate attachment substrates to enhance synergistic effects among different adherent bacteria and strengthen their ecological restoration function is a key research direction. In this study， five substrates （hollow bricks， pebbles， volcanic rock， bamboo and wood） were selected for comparison. Using in situ experiments conducted in the field， we studied the effects of each substrate on colonization succession and the community structure of adherent bacteria. Our aim was to provide insight and information for selecting substrates that function effectively for water pollution treatment using periphyton biotechnology. The experiment was conducted in an artificial lake from March 4 to March 24， 2024. The five substrates， 15 of each type， were suspended at a depth of 1m and on days 4， 8， 12， 16 and 20， three of each substrate type was randomly removed for examination of adherent bacteria， and water samples were concurrently collected. Proteobacteria， Actinobacteria， Bacteroidetes， Firmicutes and Cyanobacteria were the primary bacterial groups attached to the surface of all substrate types. Substrate surfaces were first colonized by Proteobacteria， Cyanobacteria and Bacteroidetes became dominant after 8 days， and Firmicutes generally dominated after 16 days. Principal Coordinates Analysis （PCoA） showed that the bacterial community structures were significantly different among the five substrates at the middle stage （4-16 d）， but tended to converge to similar structures by the end of the experiment （20 d）. This result indicates that differences in the physicochemical properties of the different substrates primarily affected early-stage bacteria development and colonization， but had little obvious effect on the bacterial community after maturation. However， analysis of network structure and Functional Annotation of Procaryotic Taxa （FAPROTAX） predictions showed that the co-occurrence network of the bacterial community on the surface of the organic substrates （bamboo and wood） exhibited higher complexity， stability， transmission performance， and efficiency， and the relationships among network nodes were closer. Furthermore， among the functional traits of the bacterial communities on organic substrates， the proportions of chemoheterotrophic and aerobic chemoheterotrophic functions were higher， suggesting a stronger capacity for digesting and decomposing organic matter in water. We suggest combining different substrates for aquatic ecological restoration in the future.

Key words：adherent bacteria; attached substrate; colonization succession; co-occurrence network; community structure