藍(lán)藻暴發(fā)對(duì)湖泊病毒群落及其宿主的影響研究

中圖分類號(hào)：Q938 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095-3305（2025）05-0004-03

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的快速發(fā)展，大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入湖泊，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，藍(lán)藻水華暴發(fā)現(xiàn)象越來(lái)越頻繁，且危害不斷加劇[1]。藍(lán)藻產(chǎn)生的有害藻毒素不僅威脅人類健康，還給水生生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性和穩(wěn)定性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題引發(fā)了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

在水生生態(tài)系統(tǒng)中，病毒是數(shù)量最多且功能最豐富的生物實(shí)體[2]。作為微生物的重要\"捕食者”，病毒在通過(guò)感染調(diào)節(jié)宿主群落結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過(guò)輔助代謝基因（AMGs）參與宿主代謝重編程，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)[3]。在藍(lán)藻水華發(fā)生與消退的過(guò)程中，病毒可能通過(guò)感染藍(lán)藻等微生物，影響水華動(dòng)態(tài)與宿主群落結(jié)構(gòu)。因此，深入研究水體病毒與藍(lán)藻的動(dòng)態(tài)分布及其相互作用，具有重要的生態(tài)學(xué)和實(shí)踐意義。近年來(lái)，宏基因組學(xué)的發(fā)展為研究未培養(yǎng)微生物提供了強(qiáng)有力的工具，基于宏基因組學(xué)的病毒研究更加全面、準(zhǔn)確，不僅發(fā)現(xiàn)了許多新型功能基因與活性物質(zhì)，還逐步揭示了病毒群落的多樣性及其與宿主的復(fù)雜關(guān)系，為理解水生生態(tài)系統(tǒng)中的病毒功能提供了新的視角。

太湖是我國(guó)第三大淡水湖，能夠調(diào)節(jié)周邊生態(tài)環(huán)境。近年來(lái)，太湖藍(lán)藻水華的頻繁暴發(fā)導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡被破壞，曾引發(fā)數(shù)十萬(wàn)人陷入缺水危機(jī)。研究太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)過(guò)程中的病毒群落，利用宏基因組學(xué)技術(shù)，分析了病毒群落在不同水華暴發(fā)階段的結(jié)構(gòu)特征、潛在宿主及其輔助代謝基因（AMGs）。研究旨在揭示病毒、藍(lán)藻與環(huán)境因子之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，探討病毒對(duì)宿主群落組成與多樣性的影響。

1材料和方法

1.1 樣品來(lái)源

樣品采集于太湖藍(lán)藻水華整個(gè)暴發(fā)周期，于太湖北部區(qū)域每周或每月進(jìn)行采樣，共獲取16個(gè)樣品。隨后，通過(guò)構(gòu)建宏基因組文庫(kù)對(duì)樣本DNA進(jìn)行Illumina高通量測(cè)序。根據(jù)藍(lán)藻水華面積的變化，將樣品采集時(shí)間劃分為3個(gè)階段：4—5月為水華早期，6—12月為水華中期，翌年1一2月為水華后期。

1.2病毒識(shí)別與注釋

研究利用TrimGalore對(duì)下機(jī)原始序列進(jìn)行質(zhì)控，生成高質(zhì)量序列，并通過(guò)metaSPAdes對(duì)高質(zhì)量序列進(jìn)行拼接[4]。采用VIBRANT、VirSorter2、DeepVirFinder、PPR-Meta進(jìn)行病毒識(shí)別，獲取病毒序列。利用CD-HIT軟件獲得病毒操作分類單元（Viral Operational TaxonomicUnits，vOTUs）。針對(duì)這些序列，使用PhaGCN2進(jìn)行分類學(xué)注釋，并對(duì)結(jié)果取并集，得到最終的病毒注釋結(jié)果。

1.3病毒宿主預(yù)測(cè)

針對(duì)病毒宿主預(yù)測(cè)，先使用MetaWRAP對(duì)拼接序列進(jìn)行分箱（binning），生成組裝基因組，隨后利用GTDB-Tk對(duì)基因組進(jìn)行分類學(xué)注釋，并采用基于基因組相似性、基于tRNA匹配、基于CRISPR間隔子匹配3種方法預(yù)測(cè)病毒宿主。利用CoverM計(jì)算TPM（TranscriptsPerKilobaseperMillionmapped reads）值以評(píng)估豐度。

2結(jié)果與分析

2.1病毒群落組成及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

在太湖的16個(gè)宏基因組數(shù)據(jù)集中，識(shí)別出206430個(gè)潛在病毒序列，經(jīng)過(guò)聚類分析最終得到5613vOTU。其中，496個(gè)vOTUs具有宿主信息，包括14個(gè)門、17個(gè)綱、66個(gè)科。在病毒的綱水平上，有尾噬菌體（Caudoviricetes）占比 78.27% ，其次是纖維噬菌體（Faserviricetes）和 ∝ 1病毒超群綱（Alsuviricetes）（圖1），分別占比 6.83% 和4.23%_o 纖維噬菌體的相對(duì)豐度在各個(gè)時(shí)期相對(duì)穩(wěn)定；而Chrymotiviricetes則是在藍(lán)藻暴發(fā)后期占據(jù)較高的相對(duì)豐度。在科水平上，P2噬菌體（Peduoviridae，28.75% ）、自轉(zhuǎn)錄噬菌體科（Autographiviridae， 10.72% ）和梅先季諾夫噬菌體科（Mesyanzhinovviridae， 9.08% ）為優(yōu)勢(shì)科。P2噬菌體在藍(lán)藻暴發(fā)前、中期為優(yōu)勢(shì)科，但在暴發(fā)后期，科長(zhǎng)線形病毒科（Closteroviridae）成為新的優(yōu)勢(shì)科。

通過(guò)PCoA分析，進(jìn)一步探討了不同樣本間群落組成的總體差異?；诓《救郝涞姆治觯▓D2結(jié)果顯示，藍(lán)藻水華暴發(fā)的前期與后期樣本各自緊密地聚集起來(lái)，而中期樣本則較為分散，但相鄰樣本的采樣時(shí)間接近，表明樣本間病毒群落結(jié)構(gòu)存在時(shí)間的差異，相似采樣時(shí)間點(diǎn)的樣本具有較高的病毒群落相似性。尤其是在太湖春夏季（4一9月）采集的樣本病毒群落結(jié)構(gòu)較為相近，而秋冬季（10月至翌年2月）采集的樣本病毒群落結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)出聚集趨勢(shì)。不同季節(jié)光照和營(yíng)養(yǎng)鹽等環(huán)境因子的差異，可能影響水體中病毒豐度變化，導(dǎo)致春夏季與秋冬季病毒群落結(jié)構(gòu)存在差異[5]。

2.2病毒宿主群落組成及其多樣性特征

在水華暴發(fā)期間，病毒潛在宿主的群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)改變。宿主預(yù)測(cè)結(jié)果表明（圖3），這些病毒的宿主包括12個(gè)門、12個(gè)綱、44個(gè)科、50個(gè)屬。其中，藍(lán)藻門（Cyanobacteriota）與變形菌門（Pseudomonadota）是主要的病毒潛在宿主，其次為擬桿菌門（Bacteroidota）。藍(lán)藻門和變形菌門兩者的豐度隨著時(shí)間的推移，發(fā)生了不同程度的交替演變。

在藍(lán)藻暴發(fā)早期，藍(lán)藻門和變形菌門的相對(duì)豐度相當(dāng)，在中期它們交替占據(jù)優(yōu)勢(shì)；在藍(lán)藻暴發(fā)后期，藍(lán)藻門演變?yōu)閮?yōu)勢(shì)門。整體而言，藍(lán)藻門的相對(duì)豐度最高 （64.88% ），其次是變形菌門 （27.72% ）。在病毒潛在宿主的科水平上，主要宿主包括小囊藻科（Microcystaceae，63.27% ）、伯克霍爾德科（Burkholderiaceae_A， 12.53% Burkholderiaceae_B， 6.30% ）圓桿菌科（Cyclobacteriaceae，3.45% ）。

在屬水平上，微囊藻屬（Microcystis， 63.27% ）、JALHMQ01（ 12.53% ）和紅長(zhǎng)命菌（Rubrivivax， 6.30% ）為主要宿主。其中，Microcystaceae/Microcystis屬于藍(lán)藻門，Burkholderiaceae/Rubrivivax屬于變形菌門，Cyclobacteriaceae屬于輪藻門。隨著水華暴發(fā)時(shí)間的推進(jìn)，Microcystaceae在病毒潛在宿主的相對(duì)豐度占比中呈增加趨勢(shì)，而Cyclobacteriaceae則呈下降趨勢(shì)。Burkholde-riaceae_A、BurkholderiaceaeB在水華暴發(fā)前中期占據(jù)較大比例，但后期比例明顯下降。

在藍(lán)藻暴發(fā)后期，出現(xiàn)了新的宿主優(yōu)勢(shì)科一一柄桿菌科（Caulobacteraceae），該科屬于變形菌門（Proteobacteria）。由此可見(jiàn)，病毒的潛在宿主群落會(huì)隨著水華的發(fā)生、加劇和衰退發(fā)生變化。根據(jù)某學(xué)者的研究，微囊藻水華的適應(yīng)范圍是水溫 20°C 以上，水體TP濃度0.1＼～0.8mg/L ，TN濃度 2.5～3.5mg/L 大部分樣品的TP、TN值均達(dá)到或接近該下限值，說(shuō)明這些樣品采集點(diǎn)在溫度適宜時(shí)，適合微囊藻成為優(yōu)勢(shì)種。

Microcystaceae屬于藍(lán)藻門的一種，已有研究表明該藻類會(huì)產(chǎn)生微囊藻毒素、虎耳草毒素等，這些毒素會(huì)影響水生生物和水體環(huán)境，并可通過(guò)水生食物鏈遷移，最終影響人類健康。磷和氨的富集可能促進(jìn)Microcystaceae的生長(zhǎng)，在太湖水華暴發(fā)后期，總磷和氨氮含量明顯增加，因此Microcystaceae占據(jù)了主要生態(tài)位[。在藍(lán)藻水華暴發(fā)前期，平均注釋到38個(gè)綱的宿主，在中期，平均注釋到34個(gè)，而后期平均只注釋到31個(gè)。這可能受到營(yíng)養(yǎng)條件和外界環(huán)境因子的影響，水華暴發(fā)的前中期宿主群落更為多樣化。

根據(jù)物種注釋結(jié)果發(fā)現(xiàn)了幾類專門感染藻類的病毒科，如Phycodnaviridae、Vilmaviridae和Bacilladnaviridae。感染原生生物的病毒可能有助于抑制光合真核生物群落的生長(zhǎng)，并為藍(lán)藻的增殖提供條件，從而引發(fā)藍(lán)藻水華現(xiàn)象。此外，還有一類專門以藍(lán)藻為宿主的病毒噬藻體，這些噬菌體大多屬于有尾噬菌體。病毒優(yōu)勢(shì)科P2噬菌體屬于噬藻體，且P2噬菌體的季節(jié)性動(dòng)態(tài)變化與病毒潛在宿主藍(lán)藻的豐度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。當(dāng)P2噬菌體的相對(duì)豐度上升時(shí)，則藍(lán)藻的相對(duì)豐度下降，表明了噬藻體對(duì)藍(lán)藻的生長(zhǎng)可能具有一定的抑制作用。

2.3病毒群落變化的驅(qū)動(dòng)因子

為探究環(huán)境因子對(duì)病毒群落的影響，研究利用水溫、pH值、溶解氧、BOD、總氮、氨氮、總磷、COD等8種環(huán)境因子進(jìn)行了典范對(duì)應(yīng)分析（圖3）。除pH值外，其余7種環(huán)境因子均顯著影響病毒群落。其中，總磷（ R²= 0.85）和總氮（ R²=0.81? 與病毒群落的相關(guān)性最強(qiáng)，其次是氨氮（ R²=0.72，Plt;0.001） 和COD（ R²=0.72，Plt;0.01） 。有學(xué)者研究也指出，總磷、總氮、氨氮和COD均與高豐度的細(xì)菌群落有較強(qiáng)的相關(guān)性。COD的增長(zhǎng)會(huì)刺激水中細(xì)菌與藻類的生長(zhǎng)，進(jìn)而促進(jìn)病毒的繁殖。同時(shí)，病毒的裂解作用通常是細(xì)菌和浮游植物死亡的重要機(jī)制，宿主裂解和病毒降解后，微生物裂解物和病毒顆粒會(huì)導(dǎo)致水體顆粒物聚集，從而提升水體COD水平[7]

通過(guò)Mantel檢驗(yàn)對(duì)病毒群落和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)病毒群落與細(xì)菌群落（ R²=0.805 ，Plt;0.000 1? 顯著相關(guān)，表明病毒群落受到細(xì)菌群落的顯著影響。在環(huán)境因子中，總氮和總磷被認(rèn)為是藍(lán)藻水華暴發(fā)的關(guān)鍵因素。高氮磷條件為藍(lán)藻生長(zhǎng)提供了充足的營(yíng)養(yǎng)鹽，使藍(lán)藻能夠在水體中快速繁殖。因此，環(huán)境因子通過(guò)影響病毒的潛在宿主藍(lán)藻，進(jìn)一步作用于病毒群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化。綜上，環(huán)境因子和細(xì)菌群落共同影響太湖病毒群落的動(dòng)態(tài)變化特征。

3結(jié)束語(yǔ)

基于宏基因組測(cè)序技術(shù)對(duì)中國(guó)太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)全過(guò)程的病毒群落多樣性、潛在宿主及其環(huán)境因子的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析。經(jīng)過(guò)病毒物種注釋發(fā)現(xiàn)，有尾噬菌體占病毒總豐度的 78.27% ，為主要優(yōu)勢(shì)類群，其次為霍夫奈病毒門和黃病毒門。病毒的 ∝ 多樣性在藍(lán)藻水華暴發(fā)的中期達(dá)到最高，前期次之，后期最低，呈現(xiàn)顯著的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。藍(lán)藻門和變形菌門等是病毒潛在宿主的主要類群，發(fā)現(xiàn)大量的噬藻體，其是專門感染藍(lán)藻的病毒，能在一定程度上削弱藍(lán)藻水華的暴發(fā)。環(huán)境因子和細(xì)菌群落共同影響太湖病毒群落的動(dòng)態(tài)變化特征，其中總磷和總氮是影響病毒群落結(jié)構(gòu)演變的關(guān)鍵因素。此外，氨氮、化學(xué)需氧量和水溫對(duì)病毒群落組成也具有顯著的影響。病毒群落與細(xì)菌群落間存在顯著的相關(guān)性。總之，研究從病毒群落的多樣性、生態(tài)功能及其與環(huán)境因子的關(guān)系等方面，全面揭示了太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)過(guò)程中的病毒生態(tài)學(xué)特征，為深入理解病毒在淡水生態(tài)系統(tǒng)中的作用機(jī)制提供了科學(xué)依據(jù)。

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