湖泊是区域生态环境演变过程中重要的组成环节^[1~4]. 而寒旱区湖泊, 往往经历显著的夏、冬理化指标及水文循环差异, 导致湖泊生态系统发生季节性改变^{[5, 6]}. 一方面, 在夏、冬季里, 湖面将分别呈现开放、冰封近封闭的不同状态, 导致湖泊接收大气降水等外源输入过程存在明显差异, 尤其是夏季表层水体(表水)中的溶解氧(DO)、氮(N)和磷(P)营养元素等理化指标受外部环境变化影响明显^[7~10]; 另一方面, 冬季漫长的冰封期及厚层湖冰的形成, 不仅导致湖泊水-气交换过程近于中断, 湖冰形成过程中的“冷冻浓缩”效应还会引起冰体净化、冰下水体富营养化, 在湖冰和冰下表水之间形成明显的理化性质差异^{[9, 10]}. 浮游细菌作为湖泊物质和能量迁移的重要参与者, 在湖泊水生态系统中扮演着极其重要的角色, 对水体理化性质的改变存在明显响应^{[11, 12]}. 目前, 关于冰封期或非冰封期湖泊水体中细菌群落结构及生态功能特征的研究成果已较为丰富^[13~16], 为湖泊微生态系统研究提供了大量基础资料^[4]. 不过, 多数研究成果过程或时间阶段较为单一, 将冰封期和非冰封期进行系统对比研究的成果比较少见. 因此, 在寒旱区湖泊开展夏季开放状态、冬季近封闭状态下表水中浮游细菌群落结构特征综合分析, 结合湖泊表水理化性质的差异对比, 如DO和电导率(EC)等, 将为深入分析寒旱区湖泊水体微生态系统演化差异提供基础支撑.

达里湖(达里诺尔湖)位于内蒙古赤峰市克什克腾旗境内, 是草原内陆封闭型湖泊, 即具有重要的生态经济价值, 也是区域环境调节过程中的重要组成节点(图 1). 达里湖每年拥有长达4~6个月的冰封期^[9], 这一特征为详细对比寒旱区湖泊夏-冬环境条件差异下浮游细菌群落结构变化特征及差异提供了理想条件.

图 1

Fig. 1

(a)取样点位置概况，(b)达里湖水深变化特征，修改自文献[19,20] 图 1 达里湖取样点位置概况及水深变化特征 Fig. 1 Sample locations and water depth in Dali Lake

因此, 本文以达里湖为研究对象, 基于2018年7月湖水和2019年1月湖冰和冰下表水等样品的采集, 利用16S rRNA高通量测序方法的分析结果^{[17, 18]}, 在分析表水理化性质差异的基础上, 对夏-冬季节湖泊表水中浮游细菌群落组成及优势细菌门类结构的变化特征进行了对比分析, 进而探讨了浮游细菌空间分布特征的影响因素, 以实现寒旱区湖泊水体浮游细菌群落组成及其对外部环境变化响应过程的具体分析.

根据达里湖地形地貌、水深和冰厚及现代水文特征, 共设15个取样点, 依次命名为DL-1~DL-15(图 1). 结合1月冰层达到最厚, 7月大气降水量最大等区域气候特征, 在2018年7月进行表水、2019年1月进行湖冰和冰下表水等样品的采集, 分别命名为夏水、冰体和冬水. 样品采集完成, 分取适量水样品(包括夏水、冬水和冰体融水), 进行常规理化指标测试; 再将剩余的样品, 先经5 μm无菌滤膜过滤去除颗粒杂质, 后经0.22 μm无菌滤膜过滤收集浮游细菌^[21], 过滤完成, 滤膜置于10 mL无菌管中, 放置在-20℃以下条件中保存. 最后, 利用成熟的2代测序方法, 在上海美吉生物医药科技公司使用MiSeq PE300测序仪(Illumina Inc. San Diego. CA.USA)完成序列测定.

样品pH值、EC、TDS、氧化还原电位(ORP)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、总氮(TN)、氨氮(NH₄⁺-N)、总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)和溶解性无机磷(DIP)等理化指标的测试方法参照文献[22], 分析工作均在内蒙古农业大学水资源保护与利用自治区重点实验室及达里湖观测站完成. 样品具体采集测试过程参考文献[17, 18], 最终获得冬季有效样品26个, 夏季有效样品15个.

在基因测试数据处理过程中, 首先对原始数据进行拼接、去杂质及非特异性片段, 然后基于有效数据进行OTU聚类和物种分类, 将具有不小于97%相似性的序列分配给相同的OTU. 选取每类中最长的序列为代表序列, 在QIIME中调用Blast方法对序列数据库进行比对, 获得每个OTU代表序列的分类学信息. 最终, 本次实验有效序列的平均长度为260.3 bp.

利用R语言工具包进行样品中OTU统计; 利用QIIME软件包计算样品的Shannon、Simpson、Heip、Coverage、Chao和Ace等α多样性指数; 利用R语言工具进行PCoA统计分析和作图, 开展样品物种群落组成柱状图(即Bar图)以及群落Heatmap图绘制; 采用abound-jaccard算法, 以优势细菌门类相对含量变化为依据, 对冰体、冬水和夏水中的浮游细菌进行了分类学统计; 利用Networkx软件包对样品进行了网络分析.

夏-冬季节不同外界条件下, 达里湖不仅所处外部环境存在明显差异, 表水的基本形态也出现变化. 特别是在冬季, 表水被分为冰和冰下水两部分, 这导致达里湖表水中典型理化指标的相对含量在冰和水间出现明显季节差异(图 2)^{[9, 17]}.

图 2

Fig. 2

图 2 达里湖夏-冬季表水中主要理化指标的变化 Fig. 2 Comparisons of physicochemical proxies in summer and winter surface water

整体上, 夏季表水中各理化指标的相对含量与冬季表水(包含冰体和冬水, 在此取相应取样点处冰体和冬水中各指标的平均值)间均存在明显的差异(表 1). 除去个别无有效数据的取样点外, 夏季表水中TN、TP、DTP和DIP等不同形态营养元素含量及EC和ORP等指标均明显高于冬季表水中的含量, 而DO和pH值则在冬季表水中略高. 这与DO和pH等理化指标的变化主要受到结冰过程影响、明显差异出现在冰体和冰下表水之间有关^[18]. 另一方面, 夏季表水中各指标取样点间的差异幅度明显比冬季表水中差异幅度小(图 2).

表 1 (Table 1)

表 1 达里湖夏-冬季表水中主要理化指标变化情况及变异率1)/% Table 1 Changes in physicochemical proxies in summer and winter surface water/% 理化指标 TN/mg·L-1 NH4+-N/mg·L-1 TP/mg·L-1 DIP/mg·L-1 DTP/mg·L-1 DO/mg·L-1 COD/mg·L-1 pH ORP/mV EC/mS·cm-1 冰体 最大值 2.7 1.0 0.4 0.7 0.8 7.4 125.8 9.8 -126.7 444.0 最小值 0.6 0.1 1.0 0.2 0.2 5.8 253.3 9.2 -149.5 178.9 平均值 1.9 0.3 0.7 0.6 0.6 6.7 174.2 9.6 -136.8 311.6 冬水 最大值 4.8 2.1 2.5 2.1 2.1 10.3 407.7 9.5 -114.3 984.0 最小值 1.9 0.3 2.1 1.0 1.0 7.3 120.2 9.3 -124.3 326.0 平均值 3.1 0.6 2.2 1.8 1.9 8.9 327.2 9.3 -120.6 861.6 夏水 最大值 4.6 — 2.0 1.8 2.0 7.4 284.5 9.4 -122.5 947.0 最小值 3.7 — 1.8 1.6 1.7 6.4 209.2 9.3 -128.3 931.0 平均值 4.0 — 2.0 1.7 1.8 6.9 257.7 9.4 -126.5 937.9 变异率 冬水和冰体 25.1 41.3 51.6 53.1 55.1 13.9 35.8 1.4 6.3 46.9 夏水和冬水 12.0 — 5.6 3.3 2.9 12.7 11.9 0.4 2.4 4.2 夏季和冬季 22.8 — 15 17.8 18.7 6.3 2.9 0.3 0.9 23.1 1)“变异率”根据各理化指标的相对含量的方差计算, 原始数据来自参考文献[17, 18]; “—”表示无数据

表 1 达里湖夏-冬季表水中主要理化指标变化情况及变异率1)/% Table 1 Changes in physicochemical proxies in summer and winter surface water/%

进一步, 对比冬水和冰体、夏水和冬水、夏季和冬季(采用相应冬水和冰体样品的平均值)中不同理化指标的变异率, 结果显示冬水和冰体间的差异率最为明显, 变化幅度远远超过夏水和冬水以及夏季和冬季间的变异幅度. 特别地, 在冬水和冰体间, P元素的变异率较大, 均超过了50%, 明显高于N元素的变异率, 如NH₄⁺-N和TN的变异率分别为41.3%和25.1%; 在夏水和冬水中, TN、DO和COD的差异率较大, 分别为12.0%、12.7%和11.9%, 其他指标的变异率均相对较低; 而在夏季和冬季间, 只有TN的变异率与其冬水和冰体间的变异率接近, pH值在夏水和冬水间的差异率与在夏季和冬季间的差异率接近(表 1).

显然, 夏季和冬季转换对表水中各理化指标的影响并没有结冰过程造成的影响程度显著. 虽然个别取样点理化指标存在一定程度的区域性差异, 但夏季表水中多数指标参数在不同取样点间的空间变化相对较小.

利用不同样品中TN和TP的相对含量变化, 以TSI(TN)=54.45+14.43 ln(TN)^[23]和TSI(TP)=14.42 ln(TP)+4.15^[24]计算了不同样品中的营养状态指数(trophic state index, TSI); 同时, 基于优势浮游细菌门类相对丰度变化, 分别计算了基于相对丰度比值(cyanobacteria/actinobacteria, C/A和actinobacteria/proteobacteria, A/P)的细菌富营养化指数(bacterial eutrophic index, BEI)^[25].

由于结冰过程的存在, 冰体中的TSI(TP)值(平均值约为98.3)明显低于相应冬水和夏水中的值(平均值分别约为115.4和113.5), 对应了不同样品间TP值的明显变异率(表 1). 相应地, 虽然冰体中TSI(TN)平均值(约62.8)同样低于冬水和夏水中的平均值(分别约70.3和74.4), 但在DL-8~DL-14等6个西南深水区样品中, 冰体中TSI(TN)值与冬水中值几乎一致, 均明显低于夏水中的TSI(TN)值(图 3). 整体上, 夏水中TSI指数的不同取样点间的空间差异最小, 冰体中的空间差异最为明显.

图 3

Fig. 3

图 3 夏-冬季表水中营养状态指数及细菌富营养化指数变化 Fig. 3 Changes in trophic state index and bacterial eutrophic index in summer and winter surface water

相对于TSI指标参数的变化, BEI指数显示出更加明显的空间差异. 夏季, BEI(C/A)和BEI(A/P)指数取样点间差异幅度均相对明显, 而冬季近于封闭的状态下, BEI(C/A)和BEI(A/P)指数的空间差异则相对变小. 整体上, 夏水BEI(C/A)指数的平均值最高(约0.42), 冬水BEI(A/P)指数的平均值最高(约1.46), 而冰体BEI(C/A)和BEI(A/P)指数的平均值都最小, 也显示夏水中浮游细菌群落结构的不均匀性最明显.

在对序列质量进行控制和筛选, 确保测序结果可以反映样品真实性的基础上(Coverage指数高于99%), 结合α多样性分析中反映群落多样性的Simpson和Shannon指数、反映均匀度的Heip指数、反映浮游细菌组成丰富度的Chao和Ace指数^{[26, 27]}, 以及PCoA分析对比了夏-冬表水中浮游细菌群落的结构差异.

首先, 根据Sobs指标(表示实际测试到的OTU数目)构建稀释曲线, 结果显示多数样品的稀释曲线在1万条测试序列数后逐渐平坦, OTU数目增加幅度趋于平稳, 显示测序数据可以反映各个样品内的物种信息情况^{[28, 29]}. 不过, 夏水样品的稀释曲线最为分散, 而冬水样品的稀释曲线最为集中. 根据原始测试OTU的抽平结果统计, 达里湖夏水中OTU个数最多, 而冬水中OTU个数最少. 这基本对应了稀释曲线所反映的样品间OTU数量变化情况[图 4(a)].

图 4

Fig. 4

(a)稀释曲线，(b)~(d)为细菌群落结构多样性指数 图 4 稀释曲线及浮游细菌群落结构α和β多样性指数变化 Fig. 4 Rarefaction curve basing on the Sobs proxy and α, β indexes of bacterioplankton community

其次, α多样性指标参数分析结果显示夏-冬水体状态差异引起了浮游细菌群落特征发生改变: 如Shannon指数和Heip指数的最小值、Simpson指数的最大值均出现在冰体中[图 4(b)]. 由于Shannon指数和Heip值越大、Simpson指数越小, 指示样品中细菌群落多样性越高、均匀度越好, 因此这显示冰体中浮游细菌群落多样性相对较低, 且均匀度不好. 此外, 冬水中Chao和Ace指数的值均最小, 说明冬水中浮游细菌群落的丰富度最低^[30]. 再者, 样品PCoA分析结果显示3类样品间的浮游细菌组成差异相对明显. 不过, 相对于其他两类样品, 冬水中不同取样点间的浮游细菌群落组成的差异性最小[图 4(c)和4(d)].

显然, 夏季开放条件下, 夏水中浮游细菌群落的多样性最高. 而在冬季冰封状态下, 由于湖冰形成, 导致冰体和冬水中浮游细菌群落特征出现明显差异. 不过, 湖泊内部结冰过程对细菌群落多样性的影响程度要比外源输入的影响更加显著.

在分析夏、冬表水中浮游细菌群落多样性指数差异的基础上, 以平均相对丰度超过1%作为样品中优势细菌门类的计算依据, 在门类水平上对不同类型样品中的浮游细菌群落结构进行了对比, 并对浮游细菌门类的构成特征及优势细菌门类相对丰度变化的样品组间差异进行了分析^{[31, 32]}.

首先, Proteobacteria (变形菌)、Actinobacteria (放线菌)、Cyanobacteria (蓝细菌)、Bacteroidetes (拟杆菌)、Verrucomicrobia (疣微菌)和Tenericutes (软壁菌)等构成相对丰度排在前15位且在冰体、冬水和夏水样品中均广泛存在的优势细菌门类(图 5). 当然, 由于夏-冬季外界环境的显著差异, 夏水中相对丰度较高的Deinococcus-Thermus(异常球菌-栖热菌门)等细菌门类在冬季样品中的丰度却较少; 而Gemmatimonadetes(芽单胞菌)在冬水中相对丰度却明显高于夏水和冰体中的相对丰度(图 5). 其次, 不同取样点上, 无论冬水还是夏水样品, Proteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria和Bacteroidetes等浮游细菌门类相对丰度的空间差异都相对较小, 而冰体中Proteobacteria等优势细菌门类相对丰度的空间的变化明显[图 5(a)和5(b)]. 显然, 夏季开放与冬季冰封状态下的外界环境条件差异会对表水中优势细菌门类相对丰度及其空间分布产生影响, 而结冰过程中“冰-水”状态改变对优势细菌门类结构特征的影响则更加显著, 样品聚类结果显示出“冰”与“水”存在明显不同[图 5(b)].

图 5

Fig. 5

(a)浮游细菌群落结构柱状图, (b)优势浮游细菌门类相对丰度的聚类分析, (c)优势浮游细菌门类泊平均相对丰度的组间差异; 图例表示(a)中的优势细菌门类; *表示0.01 < P≤0.05, **表示0.001 < P≤0.01, ***表示P≤0.001 图 5 夏-冬季表水样品中细菌群落结构变化及差异对比 Fig. 5 Vertical variation in bacterioplankton community structure in summer and winter surface water samples of Dali Lake

不同样品类型间差异性检验结果显示, 除个别优势细菌门类外, 如Verrucomicrobia和Deinococcus-Thermus等, 其他优势浮游细菌门类间均存在明显的组间差异[图 5(c)]. 就平均相对丰度排在前列的Proteobacteria和Actinobacteria而言, Proteobacteria相对丰度在冰体中的平均值最高, 为63.64%; Actinobacteria的相对丰度则在冬水中最高, 为39.10%. 此外, Deinococcus-Thermus、Tenericutes、Firmicutes、Acidobacteria、Planctomycetes和Chlorobi等浮游细菌门类的平均相对丰度在夏水中均占有一定程度的优势[图 5(c)].

整体上, 达里湖表水中优势浮游细菌门类构成及相对丰度变化均存在一定程度的季节差异. 相对丰度排在前3位的Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria等在不同样品间差异主要受冬季冰封状态下冰-水形态差异的影响; 而Tenericutes、Firmicutes和Gemmatimonadetes等相对丰度样品组间差异则主要受冬、夏季节差异的影响(图 5).

为进一步分析冰封-非冰封状态下表水浮游细菌群落结构特征变化差异, 以优势浮游细菌门类为依据, 在OTU水平上, 首先利用Networkx软件包, 对样品进行了共现性网络分析; 再采用abound-jaccard算法, 以相对丰度变化为依据, 对冰体、冬水和夏水中的主要浮游细菌门类中的OTU相对丰度进行了统计分析^[33].

如图 6(a)所示, 在样品丰度(序列数不少于30)空间共现性网络分析中, 冰体中共有84个OTUs, 冬水中为112个OTUs, 夏水中为114个OTUs. 在3类样品中都出现的OTU共计46个. 相对地, 冰体中单独存在的OTU共7个, 约占总数的8.3%; 冬水中单独存在的OTU共28个, 约占总数的25.0%; 夏水中单独存在的OTU共49个, 约占总数的43.0%. 而分型结果显示3种不同类型样品中的浮游细菌被分成两种类型: 分型Ⅰ主要分布于冬水和夏水样品中, 分型Ⅱ则主要分布于冰体样品中[图 6(b)]. 显然, 在OTU水平上, 样品被按照“水”和“冰”两种不同的形态进行分型, 对应了样品类型的聚类分析结果[图 5(b)].

图 6

Fig. 6

(a)不同样品中物种序列数≥30的OTU空间现性网络; (b)样品的分型情况; (c)不同分型中相对丰度前30位的OTU变化情况. (a)中如“7个OTUs(8.3%)”代表冰体物种序列数不少于30的OTU中有7个OTUs为冰体独有, 占总个数的8.3%, (c)中段划线框中为分型Ⅰ和分型Ⅱ中均存的OTU, 其中分型Ⅱ中OTU5201相对丰度为49.34% 图 6 达里湖表水浮游细菌OTU水平上的空间共现性网络和分型分析 Fig. 6 Spatial co-occurrence network and typing of planktonic bacteria at the OTU level in surface water of Dali Lake

进一步, 基于分型结果对两种类型样品中相对丰度排在前30位的OTU进行再分析[图 6(c)], 结果显示在两种类型样品中都存在的OTU有16个, 分别来自Proteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidetes和Tenericutes等5个浮游细菌门类, 共含有15个浮游细菌菌种. 其中分型Ⅰ中来自Actinobacteria的OTU4205的相对丰度最高, 约为8.6% (冬水和夏水中相对丰度分别为5.5%和2.8%, 冰体为0.4%); 分型Ⅱ中来自Proteobacteria的OTU5201的相对丰度最高, 为49.4%, 且在冰体中的相对丰度最大(冰体和冬水中相对丰度分别为44.4%和5.0%). 其次, 在分型Ⅰ中独有的14个OTU分别来自6个浮游细菌门类, 其中来自夏水Proteobacteria中的OTU4803相对丰度最高, 为2.57%; 而分型Ⅱ中独有的OTU则来自5个浮游细菌门类, 其中主要来自冰体Proteobacteria中的OTU7146相对丰度最高, 为12.7% (冰体和冬水中相对丰度分别为11.6%和1.1%). 整体上, 分型Ⅰ以冬水和夏水中各OTU的相对丰度为主, 排在前30位的OTU分别来自Proteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidetes、Tenericutes、Chlorobi、Acidobacteria、Gemmatimonadetes和Deinococcus-Thermus等9个优势浮游细菌门类; 而分型Ⅱ则以冰体中OTU的相对丰度为主, 排在前30位的OTU分别来自Proteobacteria、Actinobacteria、Cyanobacteria、Bacteroidetes、Tenericutes、Verrucomicrobia和Firmicutes等7个优势浮游细菌门类. 特别地, 来自Proteobacteria的OTU5201和OTU7146的相对丰度明显较高.

进一步, 在冬水和夏水样品为主的分型Ⅰ中, 相对丰度排在前30位的OTU中归属于Actinobacteria的约为24.3% (其中OTU4205和OTU3233的相对丰度较高, 分属于g_CL500-29_marine_group和g_norank_ f_Nitriliruptoraceae两个菌属), 归属于Proteobacteria的约为17.0% (其中OTU4613和OTU3206的相对丰度较高, 分属于g_Methylotenera和g_Pseudohongiella两个菌属, 图 6); 相对地, 以冰体样品为主的分型Ⅱ中前30位的OTU归属于Actinobacteria的相对丰度为11.7% (相对丰度较高的菌种与分型Ⅰ中一致), 归属于Proteobacteria的相对丰度为67.6% (其中OTU5201和OTU7146的相对丰度较高, 分属于g_Pseudomonas和s_Pseudomonas_azotoformans, 图 6).

显然不同优势细菌门类相对丰度在冬水和夏水间的差异比其在水与冰间的差异要小, 不过夏-冬季节转换导致的外部环境条件差异, 也引起达里湖表水中浮游细菌群落的结构特征出现变化. 如夏水中OTU4205、OTU3233、OTU4324、OTU3206和OTU4613等相对丰度均明显低于冬水; 而OTU4964、OTU3559、OTU4567、OTU4809、OTU519、OTU4928、OTU4926和OTU4810等相对丰度则均明显高于冬水(图 6). 显然, 即使同样来自Proteobacteria的OTU3206、OTU4613、OTU3559、OTU4567和OTU4809等相对丰度也伴随季节交替出现明显变化, 促使优势细菌门类的优势菌种发生了变化.

达里湖为高原内陆型湖泊, 除去4条河流输入外, 湖水的补给主要依靠地下水和大气降水^{[6, 8]}. 夏季开放状态下, 大气降水等外源输入相对集中, 河流汇入顺畅; 而在冬季近封闭状态下, 地下水输入成为外源补给主体, 河流输入受到结冰、来水量等因素的影响, 甚至出现断流现象^[6], 表水主要受到结冰过程的影响. 浮游细菌作为水生态系统的重要组成部分, 对水环境演变过程响应显著^{[4, 11, 34]}. 冬、夏季节差异以及结冰过程中的“冷冻浓缩”效应会导致湖泊表水中理化指标参数出现明显变化^{[10, 17, 18]}(图 2), 这对水体微生物群落组成结构产生影响, 进而改变浮游细菌群落的空间分布特征^[34~38].

首先, 通过Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria等3个主要优势细菌门类相对丰度与TSI指数进行空间相互关系的对比, 可以看出夏水中3个优势细菌门类的相对丰度与TSI指数的相互关系最弱, 而冰体中3个优势细菌门类的相对丰度与TSI指数的相互关系最明显. 具体来看, 冰体中TSI(TP)指数与3个优势细菌门类均存在较为明显的相关性, 其中与Proteobacteria相对丰度变化呈负相关系(相关系数R²=0.307 8, n=15, 图 7), 而与Actinobacteria和Cyanobacteria相对丰度变化呈正相关关系(相关系数分别为R²=0.280 6和R²=0.507 6, n=13, 图 7). 此外, Actinobacteria相对丰度变化与冬水中TSI(TN)和TSI(TP)指数均存在正相关关系(相关系数分别为R²=0.399 6和R²=0.293 8, n=13, 图 7). 显然, 冰体中不同取样点P元素含量变化引起的样品富营养化程度改变成为影响冰体中主要优势浮游细菌门类相对丰度变化的主要因素之一, 这与浅水湖泊中P元素的生态功能分析一致^{[18, 38]}; 而冰下水体即冬水富营养化的增加则可能对Actinobacteria相对丰度起到积极的促进作用^[39](图 5).

图 7

Fig. 7

圆点的大小代表相关指标的相对丰度或相对含量, 如24.2和97.8分别代表冰体中各取样点Proteobacteria相对丰度的最低值和最高值, 以此类似 图 7 夏-冬季表水中Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria的空间分布及其与TSI指标的相互关系 Fig. 7 Distribution of Proteobacteria, Actinobacteria, and Cyanobacteria and their relationships with changes in the TSI proxy in summer and winter surface water

其次, 结合浮游细菌门类优势菌属(本文选取相对丰度前50位的菌属作为分析对象, 基本包含相对丰度≥30的OTU)和理化指标参数间的双因素网络分析, 对浮游细菌群落结构的影响因素进行了讨论(图 8). 在夏季开放条件下, 湖泊表水中主要浮游细菌菌属与理化指标间相互关系的整体网络连通性较差. 不过, 反映表水接收外源输入(如风尘沉积和大气降水等)而引起理化性质改变的TDS、EC、ORP及pH值等指标参数与Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和Chlorobi等菌门中的部分优势菌属存在负相关关系, 如Paracoccus(含OTU3074)、norank_f_OPB56(含OTU4826)等(OTU相对丰度见图 6, 下同), 而DIP和DTP则与Actinobacteria、Proteobacteria和Bacteroidetes等菌门中优势菌属呈正相关关系, 如norank_f_Nitriliruptoraceae(含OTU3233和OTU2370)和Pseudohongiella(含OTU3206)等[图 8(c)]; 相对地, 在冬季冰封条件下, 各取样点(除个别河口区域的取样点, 如DL-1和DL-15等)表水主要受到结冰过程的影响, 而浅水区的取样点可能还会受到地下水输入的影响^[9], 这导致分析网络的连通性依然较差. 不过, 作为冰体和夏水的过渡性样品, 冬水中DO、COD及水深(depth)成为与优势菌属相对丰度的关系最为密切的理化指标参数, 如限制了Pseudohongiella和Synechococcus (含OTU3559)等菌属相对丰度的增加[图 8(b)]. 而极端环境状态下的冰体, 其理化性质主要受到结冰过程的影响, 存留其中的优势菌属和理化指标间的网络性却最好, 一方面以DTP、DIP和TP形态为主的P元素变化显著促进Actinobacteria菌门中优势菌属的相对丰度, 如norank_f_Nitriliruptoraceae等; 另一方面, COD、pH、ORP和冰厚(thickness)变化则明显影响Proteobacteria、Cyanobacteria等菌门中优势菌属相对丰度变化, 如ORP抑制了GKS98_freshwater_group (含OTU4796)和Synechococcus(含OTU4964)等菌属的相对丰度增加, 而冰厚则抑制了Proteobacteria菌门中的Herminiimonas(含OTU4914)和Pseudomanas(含OTU5201)菌属相对丰度的增加[图 8(a)和8(b)].

图 8

Fig. 8

(a)冰体中网络分析; (b)冬水中网络分析; (c)夏水中网络分析; 圆点大小表示相对含量或丰度大小; 连线的颜色表示正负相关性, 灰色表示正相关, 绿色表示负相关; 线的粗细表示相关性系数的大小, 线越粗, 表示物种之间的相关性越高; 线越多, 表示该物种与相关参数指标间的联系越密切; 图例表示优势细菌门类; 同一比例仅限于各图内部比较 图 8 夏-冬季表水中优势浮游细菌属水平上的双因素网络分析 Fig. 8 Network analysis between dominant planktonic bacteria and physicochemical proxies in summer and winter surface water

整体上, 冰体中不同形态P元素、COD、ORP、pH及冰厚等理化指标变化与Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria等菌门中主要菌属相对丰度变化的关系最为密切, 这也部分解释了冰体中TSI(TP)指数与上述3个优势细菌门类均存在明显相关性的原因(图 7). 而在冬水、夏水中, 一方面N和P等营养元素的含量变化仅与个别菌属关系密切; 另一方面, 冬水中优势菌属相对丰度主要受到水深(不同水深受地下水补给影响存在差异^[10])和由结冰过程造成的冬水中DO及COD变化的影响, 而夏水中优势菌属相对丰度则主要受到反映水-气交换、大气降水输入等过程的EC、pH、TDS和ORP等理化参数变化的影响. 显然, 这即部分解释了达里湖夏、冬水体样品富营养化指数TSI值与Proteobacteria等优势细菌门类相关性较低的原因, 又表明夏-冬季节变化导致表水浮游细菌群落结构的主要影响因素出现改变. 不过, 虽然结冰过程导致冰下表水富营养化增加可以影响某一优势浮游细菌门类的相对丰度, 但是同一菌属在表水中的绝对丰度变化可能来源于夏-冬季多个理化指标参数变化幅度的差异影响.

虽然达里湖表水主要优势浮游细菌门类组成与其他湖泊或水库中细菌群落结构基本相似^{[40, 41]}, 但是作为寒旱区封闭型湖泊, 达里湖表水中优势菌属相对丰度变化的影响因素不仅存在夏-冬季节性差异, 同样也显示出一定程度的区域特征. 例如, 来自Proteobacteria的Pseudomanas相对丰度在冬季受冰厚的抑制、在夏水中则受TP的抑制, 而Pseudohongiella相对丰度在冰体中受到冰厚的促进、在冬水中受DO和COD抑制、而在夏水中则受到DTP的促进^{[28, 42]}; 来自Actinobacteria的hgcI_clade相对丰度在冰体中受到DTP和DIP含量变化的共同促进、在冬水中则主要受到TP含量变化的促进^{[28, 43]}; 来自Cyanobacteria的Synechococcus虽然在夏季出现相对丰度明显增加的现象^[28], 但是在冰体中受到TP、DTP、ORP和pH等理化指标的影响、而在冬水中却只与水深关系明显、在夏水中却并不存在与之明显相关的理化指标. 因此, 这也特别地显示寒旱区湖泊水体细菌群落结构特征及主要影响因素分析还有待深入开展.

(1) 达里湖表水中理化指参数的相对含量和浮游细菌群落结构特征对夏-冬外部环境状态的季节变化存在显著响应. 如在相对丰度大于1% 的优势浮游细菌门类中, 虽然Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria等构成冰体、冬水和夏水中均存在的优势浮游细菌门类, 但是夏水中的Deinococcus-Thermus、Tenericutes和Firmicutes等浮游细菌门类相对丰度明显高于冰体和冬水中的相对丰度. 整体上, 夏水中浮游细菌群落的多样性、均匀度最好, 冰体中的多样性较低、均匀度较差. 这导致优势浮游细菌门类的聚类分析结果显示出“冰”与“水”间存在明显差异.

(2) 夏-冬季节转换导致达里湖表水受到诸如大气降水等外部因素的影响以及湖水内部出现冰-水状态改变, 进而引起表水理化指标出现变化, 导致冰体、冬水和夏水不同样品中优势细菌门类相对丰度不同. 整体上, 冰体中优势菌属主要受到结冰过程引起的冰体内部理化指标(如不同形态P元素迁移、冰厚和ORP等)变化的影响; 相对地, 冬水和夏水等水体样中优势菌属主要受到外部环境改变引起的理化指标变化的影响, 如冬水中优势菌属除受结冰过程(如COD和DO等)影响外还可能对地下水输入产生响应(如水深等), 而夏水中优势菌属则主要受到如TDS、EC和pH等理化指标的影响.