环境科学  2023, Vol. 44 Issue (3): 1484-1496   PDF    
引用本文
丁宁, 杨莹莹, 万年新, 徐爱玲, 葛建华, 宋志文. 调蓄水库细菌群落季节变化特征与影响因素[J]. 环境科学, 2023, 44(3): 1484-1496.
DING Ning, YANG Ying-ying, WAN Nian-xin, XU Ai-ling, GE Jian-hua, SONG Zhi-wen. Seasonal Variation and Influencing Factors of Bacterial Communities in Storage Reservoirs[J]. Environmental Science, 2023, 44(3): 1484-1496.
调蓄水库细菌群落季节变化特征与影响因素
丁宁1, 杨莹莹1, 万年新2, 徐爱玲1, 葛建华2, 宋志文1     
1. 青岛理工大学环境与市政工程学院, 青岛 266520;
2. 山东省引黄济青工程棘洪滩水库管理处, 青岛 266111
收稿日期: 2022-04-06; 修订日期: 2022-06-05
基金项目: 国家自然科学基金项目（31570541）
作者简介: 丁宁(1996~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为环境微生物生态, E-mail: dingning1777@163.com
通信作者: 宋志文, E-mail: songzhiwen@qut.edu.cn
摘要: 为探究调蓄水库水体细菌群落的季节变化特征与影响因素.以引黄济青工程的唯一调蓄水库——青岛棘洪滩水库为研究对象，采用高通量测序技术，结合水质分析指标，探究细菌群落结构以及与环境因子的关系.结果表明，细菌群落多样性和丰富度夏季最高，冬季最低，进水口高于出水口.细菌群落结构组成春季与冬季相似，夏季与秋季相似.Actinobacteriota（6.63%~57.38%）、Proteobacteria（11.32%~48.60%）、Bacteroidota（5.05%~25.74%）和Cyanobacteria（0.65%~24.74%）为优势菌门，Chloroflexi、Dependentiae、Fusobacteriota和Margulisbacteria相对丰度秋季最高，冬季最低；Patescibacteria和Myxococcota相对丰度夏季最高，冬季最低；Acidobacteria相对丰度春季最高，冬季最低；hgcI_clade（3.72%~34.66%）、CL 500_29_marine_group（0.31%~20.13%）和Limnohabitans（0.16%~10.37%）为优势菌属，Flavobacterium、Polaromonas和Rhodoferax相对丰度冬季最高，夏季最低；Domibacillus和Limnobacter相反.进水口Proteobacteria和Campilobacterota相对丰度明显高于出水口，Planctomycetota与之相反；进水口Dinghuibacter、Arenimonas和Rhodobacter相对丰度明显高于出水口.细菌群落互作关系春季以竞争和拮抗为主，冬季以互利共生为主，不同季节和采样点共生网络中关键物种存在显著差异.水温、DO、蓄水量和蓄水来源对棘洪滩水库细菌群落结构组成影响较大.
关键词: 调蓄水库      细菌群落结构      季节变化      影响因素     
Seasonal Variation and Influencing Factors of Bacterial Communities in Storage Reservoirs
DING Ning1 , YANG Ying-ying1 , WAN Nian-xin2 , XU Ai-ling1 , GE Jian-hua2 , SONG Zhi-wen1     
1. School of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520, China;
2. Shandong Jihongtan Reservoir Management Office of Yellow River Diversion Project, Qingdao 266111, China
Abstract: In order to explore the seasonal variation and influencing factors of bacterial community structure in storage reservoirs, the impact of environmental factors must first be examined. In this study, the seasonal variation in bacterial community structure and its response to water quality factors were explored by monitoring the water quality of Qingdao Jihongtan Reservoir, the only reservoir of the Yellow River diversion project, using high-throughput sequencing technology and symbiotic network analysis. The results showed that the diversity and richness of bacterial communities were highest in summer and lowest in winter, and those in the inlet were higher than those in the outlet. The structure of the bacterial community was similar in spring and winter and in summer to autumn. The dominant bacteria phyla were: Actinobacteriota (6.63%-57.38%), Proteobacteria (11.32%-48.60%), Bacteroidota (5.05%-25.74%), and Cyanobacteria (0.65%-24.74%). Additionally, the abundances of Chloroflexi, Dependentiae, Fusobacteriota, and Margulisbacteria were the highest in autumn and the lowest in winter. The dominant bacterial genera were: hgcI_clade (3.72%-34.66%), CL500_29_marine_group (0.31%-20.13%), and Limnohabitans (0.16%-10.37%). Further, the abundances of Flavobacterium, Polaromonas, and Rhodoferax were the highest in winter and the lowest in summer; the trend of Domibacillus and Limnobacter was the opposite. The abundance of Proteobacteria and Campilobacteria in the inlet was significantly higher than that in the outlet, and the Planctomycetota showed the opposite. The abundances of Dinghuibacter, Arenimonas, and Rhodobacter in the inlet were significantly higher than those in the outlet. Competition and antagonism dominated the interaction relationship of bacterial communities in spring, whereas mutualism dominated in winter. There were significant differences among key species in the symbiotic network at different seasons and sampling sites. Water temperature, DO, water storage capacity, and water storage sources had a great influence on bacterial community structure in the Jihongtan Reservoir.
Key words: storage reservoir      bacterial community structure      seasonal variation      influencing factors     

细菌是淡水生态系统稳定的基础, 在淡水生态系统的物质循环和能量流动中发挥重要作用[1, 2].诸多环境因子能够影响细菌群落结构组成, 进而改变其生态功能[3], 同时由于水体理化性质的差异, 不同时间和空间的细菌群落结构组成存在较大差异[4, 5], 因此了解细菌群落结构组成对于维持淡水生态系统功能和探究其生物地球化学循环至关重要.目前已有学者对中国呼伦湖[6]、中国白洋淀[7]和挪威Akersvannet湖[8]等自然湖泊的细菌群落结构与影响因素进行了研究, 但对调蓄水库的相关研究较少.调蓄水库不同于自然水体的生态特征, 通常受人为影响较大[9].

引黄济青工程是将黄河水引入青岛的跨流域、远距离的大型调水工程, 解决了青岛及沿线城市水资源供应不足的问题.棘洪滩水库作为引黄济青工程的唯一调蓄水库, 是亚洲最大的平原围坝型水库, 自2015年起, 由引黄济青工程和南水北调东线工程双水源供水.棘洪滩水库承担了90%以上青岛市居民用水, 其水环境质量与人们生产生活密切相关[10].目前对棘洪滩水库浮游植物和氮磷营养盐动态变化已有研究报道[10, 11], 但对其细菌群落结构组成还缺乏了解.

本文以青岛棘洪滩水库为研究对象, 在水质理化指标分析的基础上, 采用高通量测序技术对细菌群落结构组成进行表征, 分析代表性物种的季节差异, 利用共生网络分析细菌群落间的互作关系, 采用冗余分析及相关性热图探讨细菌群落结构组成与水质理化指标和蓄水量的关系, 以期为调蓄水库富营养化评价与水质调控提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 区域概况和样品采集

棘洪滩水库位于青岛市城阳区棘洪滩街道与即墨和胶州交界处(36°20′55″~36°23′31″N, 120°12′27″~120°14′55″E), 围坝呈九边形, 坝长为14.3 km, 总面积为14 km2, 设计水位为14.2 m, 设计容量为1.46亿m3, 采样期间蓄取水量情况见表 1, 设置进水口(120°12′28″E; 36°20′15″N)和出水口(120°14′55″E; 36°22′22″N)2个采样点.距水面0.5 m和5 m处各采集水样5 L, 混合后代表该采样点样品, 采样时间为2021年1月~12月中旬采样日的10:00~12:00.每月采集进水口和出水口样品各1组, 分别记为J1~J12和C1~C12.

表 1 棘洪滩水库蓄水来源情况 Table 1 Sources of water storage in Jihongtan Reservoir

1.2 水质理化指标分析方法

水温(T)、pH和溶解氧(DO)分别使用便携式温度计、pH计(HQ40d, 美国哈希公司)和溶解氧仪(HQ30d, 美国哈希公司)现场测定; 氨氮(NH4+-N)采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)测定; 亚硝酸盐氮(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法(GB 7493-87)测定; 硝酸盐氮(NO3--N)采用紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)测定; 总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)测定; 总磷(TP)采用过硫酸钾消解钼锑抗比色法(GB 11893-89)测定; 化学需氧量(COD)采用重铬酸盐法(HJ 828-2017)测定; 叶绿素a(Chla)采用分光光度法(HJ 897-2017)测定.所有检测均在48 h内进行(n=3).

1.3 高通量测序方法

将水样通过0.22 μm混合纤维滤膜抽滤, 滤膜置于100 mL无菌离心管于-20℃保存.送至上海美吉生物医药科技有限公司进行DNA提取和高通量测序, 测序片段为细菌16S rRNA基因的V4段, 引物名称和引物序列为338F(5′-ACTCCTACGGGAG GCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWT CTAAT-3′), 测序平台为Illumina MiSeq.

1.4 数据分析与处理

理化指标单因素方差分析和Tukey HSD事后检验使用IBM SPSS Statistics 26进行, 显著性水平为0.05.通过生信云平台(https://cloud.majorbio.com/)进行细菌测序数据的优化处理, 将相似度大于97%的优质序列归为一个OTU, 进行α多样性指数计算、主坐标分析(PCoA)、物种组成分析、物种差异性分析、冗余分析(RDA)和相关图件的绘制; 使用Origin 2018进行水质理化指标和α多样性指数图的绘制; 使用Gephi 0.9.2进行共生网络图的绘制.

2 结果与分析 2.1 水质理化指标分析

棘洪滩水库水质理化指标见图 1.各指标在不同月份均存在显著差异(P＜0.05).水体整体呈现弱碱性; 1月水温最低, 8月最高; DO与水温相反, 7月最低, 1月最高; COD全年变化较小, 最高值和最低值分别出现在12月出水口和6月出水口; NH4+-N最高值和最低值分别出现在12月进水口和10月进水口; 12月进水口NO2--N明显升高, 其余月份均维持在较低水平; TN和NO3--N秋季含量较低, 冬季含量较高, 最高值和最低值分别出现在12月进水口和10月出水口; TP最高值和最低值分别出现在11月进出口和8月出水口; Chla秋季较高.总体棘洪滩水库满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准, 其中pH、DO、NH4+-N、TP和COD满足Ⅰ类标准, TN满足Ⅴ类标准.

“16.35”等数字表示平均值; n=3 图 1 棘洪滩水库水质理化指标 Fig. 1 Physical and chemical indexes of Jihongtan Reservoir

2.2 细菌群落α多样性

所有样品共得到753 024条高质量有效序列, 6月进水口有效序列数最高, 12月出水口有效序列数最低[图 2(b)].将优质序列以相似度97%进行归并, 得到3 199个OTU, 各样品覆盖率为98.98%~99.65%, 表明测序深度能反映样品中的物种信息.所有样品的Chao指数均高于OTU值, 说明水库中存在较多未知OTU序列[12].OTU最大值出现在7月, 最小值出现在1月, 并且夏季整体高于其它季节[图 2(a)]. α多样性指数在不同季节均无显著差异(P＞0.05).Shannon最大值出现在7月, 最小值出现在11月, 整体表现为：夏季＞春季＞秋季＞冬季, Simpson与Shannon表现相反[图 2(c)和2(d)].Chao最大值出现在7月, 最小值出现在1月, ACE与Chao表现相同[图 2(e)和2(f)].从采样位置看, Shannon和Simpson在不同采样点无显著差异[图 2(c)和2(d)], Chao和ACE在不同采样点存在显著差异[图 2(e)和2(f)], 进水口Shannon、Chao和ACE高于出水口, Simpson趋势相反.

(a)OTUs, (b)序列数, (c)Shannon指数, (d)Simpson指数, (e)ACE指数, (f)Chao指数 图 2 测序结果及α多样性指数 Fig. 2 Sequencing results and α diversity index

2.3 细菌群落β多样性和结构组成

对各样品OTU序列进行PCoA分析, 结果见图 3.PC1和PC2解释度分别为29.12%和11.54%, 棘洪滩水库细菌群落在不同季节存在显著差异, 春季和冬季样点主要集中在PC1负半轴, 夏季和秋季样点主要集中在PC1正半轴, 且春季和冬季、夏季和秋季均有重叠区域, 说明春季和冬季细菌群落结构组成相似度较高, 夏季与秋季细菌群落结构组成相似度较高(图 3); 同时可以看出, 相同月份两个样点以及同一样点相邻月份样品聚集程度高, 说明进水口与出水口以及同一采样点相邻月份的细菌群落结构组成相似度较高.

图 3 棘洪滩水库细菌群落结构OTU水平PCoA分析 Fig. 3 PCoA analysis of bacterial community at OTU level in Jihongtan Reservoir

棘洪滩水库细菌共归为39个门, 表现为：秋季(39)＞夏季(36)＞春季(35)=冬季(35).对相对丰度大于0.1%的菌门进行结构组成分析, 结果见图 4(a).Actinobacteriota(放线菌门, 6.63%~57.38%)、Proteobacteria(变形菌门, 11.32%~48.60 %)、Bacteroidota(拟杆菌门, 5.05%~25.74%)和Cyanobacteria(蓝菌门, 0.65%~24.74%)为优势菌门.Fimicutes(厚壁菌门)、Verrucomicrobiota(疣微菌门)、Planctomycetota(浮霉菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)和Deinococcota(异常球菌门)相对丰度均大于0.1%, Dadabacteria仅在冬季中检出, Hydrogenedentes(嗜氢菌门)仅在春季中未被检出, Zixibacteria(河床菌门)仅在冬季中未被检出[图 4(a)].春季和夏季Actinobacteriota相对丰度整体高于秋季和冬季, Bacteroidota呈相反趋势.Fimicutes在7月进水口相对丰度为46.61%, Deinococcota在12月进水口和出水口相对丰度较高, 分别为5.89%和10.94%.Verrucomicrobiota和Planctomycetota在5月出水口相对丰度较高, 分别为8.54%和9.96%[图 4(a)].

(a)门水平, (b)属水平 图 4 棘洪滩水库细菌群落结构组成 Fig. 4 Composition of bacterial community in Jihongtan Reservoir

棘洪滩水库细菌共归为908个属, 对相对丰度大于0.1%的菌属进行结构组成分析, 见图 4(b). hgcI-clade(3.72%~34.66%)、CL500-29_marine_group(0.31%~20.13%)和Limnohabitans(栖湖菌属, 0.16%~10.37%)为优势菌属, norank_ f_Sporichthyaceae(孢鱼菌科未定名)、Exiguobacterium(微小杆菌属)、norank_ f_norank_o_Chloroplast(叶绿体目未定名)和Flavobacterium(黄杆菌属)相对丰度在0.00%~22.89%范围内, 其中, Exiguobacterium在1月~4月均未被检出, 在6月和11月相对丰度大于0.1%; Flavobacterium在8月未被检出, 在1月和11月相对丰度大于0.1%; Domibacillus(房间芽孢杆菌属)仅在春季和夏季检出, 秋季和冬季未被检出[图 4(b)].

2.4 细菌群落组成差异性分析

不同季节细菌群落结构组成单因素ANOVA检验结果显示, 8个门在不同季节存在显著差异(P＜0.05), 其中Chloroflexi、Dependentiae、Fusobacteriota(梭杆菌门)和Margulisbacteria秋季相对丰度最高, 冬季相对丰度最低; Patescibacteria(髌骨菌门)和Myxococcota(粘球菌门)夏季相对丰度最高, 冬季相对丰度最低; Acidobacteria(酸杆菌门)春季相对丰度最高, 冬季相对丰度最低[图 5(a)]. 10个属在不同季节存在显著差异(P＜0.05), 其中, Flavobacterium、Polaromonas(极地单胞菌属)和Rhodoferax(红育菌属)冬季相对丰度最高, 夏季相对丰度最低; Domibacillus、Acidibacter(不动杆菌属)和Limnobacter与Flavobacterium趋势相反[图 5(b)].

*表示P＜0.05, **表示P＜0.01, ***表示P＜0.001 图 5 棘洪滩水库不同季节细菌群落结构组成差异 Fig. 5 Differences in bacterial community in different seasons in Jihongtan Reservoir

进水口与出水口细菌群落结构组成单因素ANOVA检验结果显示, 进水口Proteobacteria和Campilobacterota(弯曲杆菌门)相对丰度明显高于出水口, Planctomycetota呈相反趋势[图 6(a)]; 属水平上, 进水口Dinghuibacter(定慧杆菌属)、Arenimonas(砂单胞菌属)、norank_ f_Sphingomonadaceae(鞘氨醇单胞菌科未定名)、Rhodobacter(红细菌属)、norank_ f_Steroidobacteraceae(固醇杆菌科未定名)、Novosphingobium(新鞘脂菌属)、unclassified_ f_Oxalobacteraceae(草酸杆菌科未分类)和norank_ f_Sutterellaceae(萨特菌科未定名)相对丰度明显高于进水口, norank_o_Bradymonadales(慢生单胞菌目未定名)和unclassified_ f_Saprospiraceae(腐螺旋菌科未分类)呈相反趋势[图 6(b)].

*表示P＜0.05, **表示P＜0.01 图 6 棘洪滩水库进水口和出水口细菌群落结构组成差异 Fig. 6 Differences in bacterial community at water inlet and outlet in Jihongtan Reservoir

2.5 基于共生网络分析细菌互作关系

不同季节相对丰度前50种代表性菌属间相互作用关系分析结果显示, 春季细菌共生网络包括4个模块, 由129条边连接, 正相关关系52.71%, 负相关关系47.29%, 模块化程度为0.46[图 7(a)]; 夏季细菌共生网络包括5个模块, 由103条边连接, 正相关关系54.37%, 负相关关系45.63%, 模块化程度为0.49[图 7(b)]; 秋季细菌共生网络包括5个模块, 有119条边, 正相关关系53.78%, 负相关关系46.22%, 模块化程度为0.57[图 7(c)]; 冬季细菌共生网络包括9个模块, 有107条边, 正相关关系57.01%, 负相关关系42.99%, 模块化程度为0.55[图 7(d)].

图 7 棘洪滩水库不同季节细菌群落共生网络分析 Fig. 7 Network analysis of bacterial community in different seasons in Jihongtan Reservoir

进水口与出水口相对丰度前50种代表性菌属间相互作用关系分析结果显示, 进水口细菌共生网络包括5个模块, 由178条边连接, 正相关关系58.43%, 负相关关系41.57%, 模块化程度为0.53[图 8(a)]; 出水口细菌共生网络包括4个模块, 由274条边连接, 正相关关系50.73%, 负相关关系49.27%, 模块化程度为0.21[图 8(b)].

图 8 棘洪滩水库进水口和出水口细菌群落共生网络分析 Fig. 8 Network analysis of bacterial community at water inlet and outlet in Jihongtan Reservoir

2.6 细菌群落与环境因子相关性

棘洪滩水库细菌群落与环境因子的相关性见图 9.由图 9(a)可以看出, 选取的11种环境因子共解释了39.68%门水平细菌群落组成差异, 水温、DO和蓄水量是影响棘洪滩水库门水平细菌群落结构的主要环境因子.由图 9(b)可以看出, 影响物种数量最多的环境因子是温度和DO, pH和NO3--N对相对丰度大于0.1%的物种无显著影响.水温与Chloroflexi、Verrucomicobiota、Fiemicutes和Deinococota呈显著正相关关系, DO对物种的影响与水温相反.NO2--N和COD与Deinococota呈显著正相关关系.蓄水量与Verrucomicobiota呈显著正相关关系.由图 9(c)可以看出, 11种环境因子共解释了31.18%属水平细菌群落结构组成差异.水温和DO是影响棘洪滩水库属水平细菌群落结构的主要环境因子, 其次是蓄水量.整体来说, 冬季样品与DO呈显著正相关关系, 与水温和蓄水量呈显著负相关关系, 夏季样品则相反.相比夏季和冬季, 春季和秋季细菌群落受pH、COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和Chla影响明显, TP影响较小.由图 9(d)可以看出, 影响物种数量的环境因子依次是水温、DO、NO2--N和COD, TP对相对丰度大于0.1%的物种无显著影响.水温与Domibacillus和Acidibacter呈显著负相关关系, 与Rhodoferax、Polaromonas、Candidiatus_Aquirestis和Flavobacterium呈显著负相关关系, DO对物种的影响与水温相反.蓄水量与Domibacillus和Acidibacter属呈显著正相关关系, 与Rhodoferax和Flavobacterium呈显著负相关关系.

(a)门水平RDA, (b)门水平Heatmap, (c)属水平RDA, (d)属水平Heatmap, *表示P＜0.05, **表示P＜0.01, ***表示P＜0.001 图 9 棘洪滩水库细菌与环境因子相关性分析 Fig. 9 Correlation analysis between bacteria and environmental factors in Jihongtan Reservoir

3 讨论

水温、DO和pH等理化性质能够直接反映水体质量[13], 本研究期间棘洪滩水库水温在各月份存在显著差异(图 1); pH变化可能归因于浮游植物的光合作用[14], 浮游植物光合作用需要吸收CO2, 促使HCO3-水解, 释放OH-, 导致水体呈现弱碱性; DO变化与水温相反, 与胡鹏等[15]研究的结果一致.Diaz等[16]研究发现, DO与有机污染物的污染程度有关, 是衡量水体有机污染的重要指标; 降雨会引起NH4+-N增加[17], 棘洪滩水库7月蓄水来源于峡山水库汛期泄水, 是导致夏季进水口NH4+-N和TN增加的主要原因, 秋季NH4+-N和TN含量下降(图 1), 与浮游植物繁殖以及8月和9月蓄水量减少有关[18]; 棘洪滩水库冬季蓄水主要来源于南水北调东线工程, 董贯仓等[19]发现南水北调东线工程冬季COD较高[(15.90±7.67)mg·L-1], 因此蓄水水源是导致冬季COD较高的主要原因.冬季浮游植物死亡引起水库COD增加[20], 导致出水口COD高于进水口, 此外, 微生物代谢速率减慢、COD去除能力降低加剧了这一现象.整体来看, 出水口NH4+-N、NO3--N和TN低于进水口(图 1), 说明外源引入是棘洪滩水库氮素和有机物的主要来源, 且棘洪滩水库存在一定的水体自净能力.

α多样性指数是反映细菌群落结构特征的重要指标, 研究期间棘洪滩水库细菌多样性和丰富度均表现为夏季最高, 冬季最低(图 2), 夏季温度有利于细菌生长繁殖, 冬季低温则对细菌的生长繁殖产生抑制作用[15, 21]; 7月和8月水库水源由引黄济青工程和南水北调东线工程转变为峡山水库调水, 可能是造成这一现象的另一原因.

春季和冬季棘洪滩水库细菌群落结构组成相似度较高, 夏季与秋季细菌群落结构组成相似度较高(图 3).除温度影响外, 浮游植物和蓄水水源是影响细菌群落结构组成的原因[22, 23].Actinobacteriota、Proteobacteria、Bacteroidota和Cyanobacteria为棘洪滩水库优势菌门[图 4(a)], Parnlekar等[8]对挪威淡水湖泊研究也得出了类似结论.不同的是, 棘洪滩水库中Fimicutes相对丰度较高, 黄河引水源可能是导致Fimicutes丰度变化的主要原因[24], 此外, Fimicutes能够通过产生孢子应对环境变化[25], 导致6月和11月Fimicutes相对丰度增加.与Chi等[24]结果不同的是, Acidobacteria在棘洪滩水库中并非优势菌门, 可能是受到南水北调东线工程蓄水来源的影响[26].Proteobacteria和Actinobacteriota是典型的淡水菌[27].有研究表明, Proteobacteria在氮硫循环和有机物降解中起到重要作用, 并且能够参与反硝化作用[28], 进水口TN、NH4+-N和COD高于出水口(图 1), 且Proteobacteria与NH4+-N呈显著正相关[图 9(b)], 因此导致进水口Proteobacteria相对丰度高于出水口[图 6(a)].Actinobacteriota相对丰度春季和夏季高于秋季和冬季, Actinobacteriota适宜水质较好环境[29], 春季和夏季COD较低可能与此有关.秋季Cyanobacteria相对丰度会迅速增加[30], 与秋季浮游植物大量繁殖, 水体有机物含量增多有关, 此外, 冬季TN增加可能会促进Cyanobacteria的生长繁殖[31].棘洪滩水库部分代表性细菌存在显著季节变化, Chloroflexi和Acidobacteria可以作为水体质量指示微生物[32], 棘洪滩水库秋季Chloroflexi和Acidobacteria相对丰度较高[图 5(a)], 说明秋季存在一定程度污染(图 1).Dependentiae中大部分种群寄生于真核微生物[33], 秋季浮游植物的大量繁殖, 是造成其不同季节存在显著差异的主要原因.Margulisbacteria能够参与硫酸盐和NO2--N的还原过程, 因此秋季NO2--N增加引起其相对丰度的增加.Patescibacteria能够间接参与有机物的降解和厌氧氮氧化过程[34], 对水质净化起到一定作用.

有研究表明, hgcI_clade和CL500_29_marine_group广泛存在于淡水水体中, 并且能够吸收有机碳和含氮化合物[35, 36], 提高水体自净能力. Exiguobacterium具有一定的NO3--N还原能力, 其相对丰度变化可能受到水体中NO3--N含量的影响.不同季节存在显著差异的菌属有Flavobacterium、Domibacillus、Acidibacte、Limnobacter、Polaromonas和Rhodoferax等[图 5(b)]. Flavobacterium相对丰度的增加, 与水体富营养化程度升高有关[37], Flavobacterium属于典型的反硝化细菌, 冬季TN增加, 导致Flavobacterium相对丰度的增加, 此外, 冬季以南水北调东线工程为主要蓄水源, 是造成这一现象的另一原因[20].有研究表明, Domibacillus适宜在温度较高的环境下生存[38]. Acidibacter相对丰度随水温升高而增加, 王欢等[39]也有类似发现. Acidibacter属于条件致病菌[40], 夏季相对丰度较高[图 5(b)], 可能存在一定的生态风险. Limnobacter相对丰度变化可能受到Patescibacteria的影响, Limnobacter能够降低Patescibacteria对环境的敏感程度[41]. Polaromonas和Rhodoferax在温度较低的环境中生命力强, 且Rhodoferax能够参与氮循环过程[42, 43].

通过共生网络分析可知, 春季和秋季节点连接程度较高, 细菌间关系复杂[图 7(a)和7(b)], 夏季和冬季则相反[图 7(c)和7(d)], 可能由于水温变化影响了细菌间的相互作用.相比于其它季节, 秋季节点之间的连线明显变粗, 这与浮游植物大量繁殖, 为细菌提供了适宜的生存环境有关[14].从相关性来看, 冬季正相关关系占比最高[图 7(d)], 说明冬季细菌之间主要是以互利共生关系为主, 春季负相关关系占比最高[图 7(a)], 说明春季细菌之间存在大量的竞争和拮抗作用[44].模块化程度表现为冬季最高[图 7(d)], 春季最低[图 7(a)], 说明冬季互作关系主要发生在小范围细菌之间, 整体细菌群落之间互作关系相对简单, 可能与冬季水库内湍流度较低有关.通过对连接程度较高的关键物种进行注释, 发现春季以Sphingorhabdus(鞘氨醇单胞菌属)、Polynucleobacter(多核杆菌属)、Paludibaculum、Rhodoferax和Flavobacterium为主[图 7(a)], 夏季以Flavobacterium、Dinghuibacter和Acidibacter为主[图 7(b)], 秋季以Paenisporosarcina、Candidatus_Chloroploca和Flavobacterium为主[图 7(c)], 冬季以Solitalea、Pseudorhodobacter(假红杆菌属)、Methylotenera(甲基娇养杆菌属)和Rhizobacter(根瘤杆菌属)为主[图 7(d)].细菌群落间互作关系的复杂程度和关键物种在不同季节均存在显著差异.水库内水面宽广, 湍流度小, 是造成出水口比进水口细菌间关系复杂, 模块化程度低的主要原因[45].进水口和出水口正相关关系占比高于负相关关系(图 8), 说明细菌间以互利共生关系为主.通过关键物种注释发现, 进水口以Rhodoferax、Pseudarcicella、norank_f_Sporichthyaceae和Methylotenera为主[图 8(a)], 出水口以Rhodoferax、Candidatus_Chloroploca、Sphingorhabdus、Methylotenera、Flavobacterium和Acidibacter为主[图 8(b)].

水温和DO是影响棘洪滩水库细菌群落结构季节特征的主要环境因子[图 9(a)和9(c)], Chen等[46]研究也得出类似结论. Acidibacter具有反硝化功能[47], 与NO2--N呈显著正相关关系; 而Polaromonas能够参与硝化过程, 与NO2--N呈显著负相关. Domibacillus和Acidibacter夏季相对丰度较高[图 9(d)], 与夏季蓄水量增加有关[27]. Rhodoferax、norank_f_Sporichthyaceae、Polaromonas、Candidiatus_Aquirestis和Flavobacterium冬季相对丰度较高[图 4(b)], 因此水温、DO和蓄水量对细菌群落结构的影响主要表现为改变优势菌属的相对丰度.蓄水量对细菌群落结构的影响主要体现在引入外源细菌, 影响水体原有的细菌群落结构; 同时通过影响水体理化指标间接影响细菌群落结构组成.TN、NO3--N、NO2--N、pH、COD和Chla通过影响Deinococcus(异常球菌属)和Paracoccus等春季和秋季优势菌属的相对丰度进而影响细菌群落结构组成.

4 结论

(1) 棘洪滩水库细菌Shannon、Simpson、Chao和ACE指数存在明显的季节变化, 细菌群落多样性和丰富度指数表现为夏季高于冬季, 进水口高于出水口; 细菌群落结构组成春季和冬季相似, 夏季和秋季相似, 气候、浮游植物和蓄水量是影响细菌群落结构组成在不同季节存在显著差异的主要因素.

(2) 棘洪滩水库优势菌门为Actinobacteriota、Proteobacteria、Bacteroidota和Cyanobacteria, Chloroflexi、Dependentiae、Fusobacteriota、Margulisbacteria、Patescibacteria、Myxococcota和Acidobacteria不同季节存在显著差异, Proteobacteria、Campilobacterota和Planctomycetota进水口和出水口存在显著差异; 优势菌属为hgcI_clade、CL500_29_marine_group和Limnohabitans, Flavobacterium、Domibacillus、Acidibacter、Limnobacter、Polaromonas和Rhodoferax不同季节存在显著差异, Dinghuibacter、Arenimonas、Rhodobacter、Novosphingobium进水口和出水口存在显著差异.

(3) 细菌群落间互作关系的复杂程度存在显著季节差异.春季和秋季细菌间互作关系较夏季和冬季复杂, 春季细菌间以竞争和拮抗作用为主, 冬季细菌间以互利共生为主; 不同季节细菌间互作关系的关键物种存在显著差异; 出水口细菌间互作关系较进水口复杂, 都以互利共生为主, 进水口和出水口细菌间互作关系的关键物种存在显著差异.水温、DO、蓄水量和蓄水来源对细菌群落结构组成影响较大.

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