环境科学  2023, Vol. 44 Issue (7): 3872-3880   PDF    
引用本文
竹兰萍, 张拓, 李佳宁, 王佳颖, 郑伟亮, 徐飞, 张富斌. 嘉陵江不同干扰断面河道沉积物细菌群落多样性[J]. 环境科学, 2023, 44(7): 3872-3880.
ZHU Lan-ping, ZHANG Tuo, LI Jia-ning, WANG Jia-ying, ZHENG Wei-liang, XU Fei, ZHANG Fu-bin. Bacterial Community Diversity in Channel Sediments of Different Disturbance Sections of the Jialing River[J]. Environmental Science, 2023, 44(7): 3872-3880.
嘉陵江不同干扰断面河道沉积物细菌群落多样性
竹兰萍1, 张拓1,2, 李佳宁1, 王佳颖1, 郑伟亮1, 徐飞1,3, 张富斌1     
1. 西华师范大学环境科学与工程学院, 南充 637002;
2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所, 北京 100081;
3. 黑龙江省科学院自然与生态研究所, 哈尔滨 150040
收稿日期: 2022-08-10; 修订日期: 2022-09-17
基金项目: 四川省自然科学基金项目(2022NSFSC1059); 长江生态环境保护修复联合研究项目(2022-LHYJ-02-0509-09); 西华师范大学科研基金项目(19E061)
作者简介: 竹兰萍(1997~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为流域微生物学, E-mail：z1403279028@163.com
通信作者: 徐飞, E-mail: 29162038@qq.com
摘要: 为探究不同人为扰动对自然河流生态环境的影响, 以嘉陵江河道沉积物细菌群落为研究对象, 利用高通量测序技术分析工程干扰、支流干扰、采砂干扰、垦殖干扰和无干扰断面河道沉积物细菌的群落组成和功能变化.结果表明, 嘉陵江不同干扰断面河道沉积物理化性质和细菌群落多样性均具有显著差异(P < 0.05).无干扰断面细菌群落多样性最高, 同时, 采砂干扰和无干扰断面细菌群落均匀度最高, 而支流干扰和垦殖干扰均导致细菌群落多样性和均匀度降低.工程干扰对细菌群落组成的影响显著区别于其他4种干扰断面.细菌优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和绿弯菌门(Chloroflexi), 优势菌纲为γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)、α-变形菌纲(α-Proteobacteria)和Vicinamibacteria纲.采砂干扰导致放线菌门增加, 工程干扰促进了酸杆菌门的增加.含水率、有机碳、总氮和总磷是影响沉积物微生物群落变化的主要环境因子.细菌群落主要涉及新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理和细胞过程这4类一级代谢功能, 全局及概要图、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、辅助因子和维生素的代谢和能量代谢功能等18类二级代谢功能.人为干扰导致能量代谢、辅助因子和维生素代谢、核苷酸代谢、复制和修复和翻译等功能发生显著变化(P < 0.05).综上所述, 人为干扰导致细菌群落多样性和功能发生异变, 破坏了嘉陵江沉积物微生物群落结构的稳定性.
关键词: 嘉陵江      干扰断面      沉积物      细菌群落      功能预测     
Bacterial Community Diversity in Channel Sediments of Different Disturbance Sections of the Jialing River
ZHU Lan-ping1 , ZHANG Tuo1,2 , LI Jia-ning1 , WANG Jia-ying1 , ZHENG Wei-liang1 , XU Fei1,3 , ZHANG Fu-bin1     
1. College of Environmental Science and Engineering, China West Normal University, Nanchong 637002, China;
2. Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Beijing 100081, China;
3. Institute of Natural Resources and Ecology, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150040, China
Abstract: In order to explore the impact of different anthropogenic disturbances on the ecological environment of natural rivers, the bacterial community in the channel sediments of the Jialing River was taken as the research object, and the high-throughput sequencing technique was used to analyze the community composition and functional changes of bacteria in the channel sediments of rivers with engineering disturbance, tributary disturbance, sand mining disturbance, reclamation disturbance, and undisturbed section. The results showed that there were significant differences in the physical and chemical properties of channel sediments and bacterial community diversity in different disturbance sections of the Jialing River (P < 0.05). The undisturbed section had the highest bacterial community diversity, whereas the sand mining disturbance and undisturbed section had the highest bacterial community uniformity, and tributary disturbance and reclamation disturbance both resulted in a decrease in bacterial community diversity and uniformity. The effect of engineering disturbance on bacterial community composition was significantly different from that of the other four disturbance sections. The dominant bacterial phyla were Proteobacteria, Actinobacteriota, Acidobacteriota, and Chloroflexi, and the dominant bacterial classes were γ-Proteobacteria, α-Proteobacteria, and Vicinamibacteria. Sand mining disturbance led to the increase in Actinobacteria, and engineering disturbance promoted the increase in Acidobacteria. Moisture content, total organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus were the main environmental factors affecting the changes in sediment microbial communities. The bacterial communities mainly involved four categories of primary metabolic functions, including metabolism, genetic information processing, environmental information processing, and cellular processes, and 18 categories of secondary metabolic functions, such as global and overview maps, carbohydrate metabolism, amino acid metabolism, cofactor and vitamin metabolism, and energy metabolism. Human interference led to significant changes in energy metabolism, cofactor and vitamin metabolism, nucleotide metabolism, replication and repair, and translation (P < 0.05). In conclusion, anthropogenic disturbance led to the mutation of bacterial community diversity and function, which destroyed the stability of the microbial community structure in Jialing River sediments.
Key words: Jialing River      interference section      sediment      bacterial community      functional prediction     

沉积物作为水生态系统氮磷循环的重要场所, 是陆源污染物的“汇”, 同时也是水体各种污染物的“源”和“汇”[1, 2].沉积物的内部环境相对稳定, 富含多种营养物质, 为微生物提供了良好的生存条件[3].细菌作为微生物的主要组成部分, 在河流沉积物中分布广泛, 且种类繁多.其在有机物分解矿化、污染物降解和物质合成等生物地球化学循环中具有不可替代的作用[4].细菌群落多样性不仅可以指示环境污染状况, 还可作为衡量河流生态系统稳定性的潜在指标[5, 6].沉积物中细菌群落结构相对稳定, 但对外界环境干扰和空间变化极其敏感[7], 营养物质、重金属和有机碳的输入都能影响沉积物中细菌群落结构和多样性[8].在不同人为干扰断面和强度的影响下, 河流沉积物中细菌群落多样性和结构也会随之发生相应的变化.因此, 全面系统地了解沉积物细菌在不同扰动状态下的群落组成和功能变化, 对于评估河流生态功能和维持生态系统健康具有重要意义.

嘉陵江作为长江上游重要支流, 全长1 345 km, 流域面积达16万km2, 在长江众多支流中流域面积最大, 为周边居民生存和生态环境保护提供了重要保障[9].随着沿岸城市经济发展和城镇化模式逐渐扩大, 生活污染、农业面源污染和工程建设等向河流输入大量的污染物, 并改变了河道的生境条件, 导致不同河段沉积物理化指标具有显著差异[2].目前, 有学者对嘉陵江流域沉积物中抗生素抗性基因的多样性[10]、重金属和多环芳烃等污染物的分布、来源和生态风险[11, 12]等开展了详细的研究, 但涉及人为干扰对嘉陵江河道沉积物细菌群落的研究报道仍然不足.因此, 在长江流域“共抓大保护, 不搞大开发”的时代背景下, 为了揭示不同人为干扰对嘉陵江流域河流生态系统的影响, 本研究在嘉陵江选取不同人为干扰断面设置采样点, 以自然河道断面为对照, 利用高通量测序技术测定沉积物细菌16S基因, 分析不同干扰断面对河道沉积物细菌群落结构和多样性的影响, 并揭示细菌群落对沉积物环境因子变化的响应情况, 以期为丰富嘉陵江流域沉积物细菌群落分布情况和评价流域内生态环境状况提供资料, 并为沿岸环境资源的合理利用和开发提供参考依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区域位于嘉陵江中下游(105°57′26″~106°23′32″E, 30°28′41″~31°36′57″N), 该地区属亚热带季风气候, 降雨量集中且强大, 多年平均降水量达到了774.8 mm, 平均径流量为2 120 m3·s-1[13].沿途接纳支流涉及东河、西河、西充河和构溪河等.流域内农村人口稠密, 近岸众多干扰, 主要涉及水利工程、砂石厂、农业活动和生产建设.由于降雨量大、人口密集和干扰断面复杂多样, 资源分配不均, 导致水土流失严重, 进一步对流域生态环境造成破坏.

1.2 采样点布设与样品采集

在嘉陵江选取4种不同人为干扰下的河道断面设置采样点, 并采集河道沉积物样品.如图 1所示, 4种不同干扰断面分别为：①受水利工程(拦河水坝)干扰的河道断面, 简称工程干扰(project interference, PI); 2个采样断面分别是港航沙溪航电枢纽和青居电站, 其中港航沙溪航电站位于研究区上游位置, 河水宽度约708 m, 装机容量8.7万kW, 年发电量3.98亿kW·h; 青居电站位于研究区下游, 河水宽度约323 m, 装机容量13.6万kW, 年发电量5.46亿kW·h; ②受污染型支流干扰的河道断面, 简称支流干扰(tributary interference, TI), 2个采样断面分别是东河和西河, 东河位于研究区上游, 全长264 km, 流域面积5 210 km2, 支流汇入干流位置沿岸存在农田、景区和餐饮等活动, 采样点距离排污口较近; 西河位于研究区中游, 全长304.7 km, 流域面积3 169 km2, 支流汇入干流位置存在农田; ③受采砂干扰的河道断面, 简称采砂干扰(sand extraction interference, SI); 2个砂石厂分别是汇丰砂石厂和锦辉砂石厂, 位于研究区中游, 均未在运行状态, 采样点处于河流弯曲处, 河流流速减慢, 泥沙易堆积; ④受农业活动干扰的河道断面, 简称垦殖干扰(reclamation interference, RI), 位于研究区下游, 农业用地规模超过80 hm2.以两岸为天然林的自然河道断面作为对照, 被认为是无干扰(CK).

图 1 采样点示意 Fig. 1 Schematic diagram of sampling sites

于2021年10月, 使用抓斗式采泥器采集干扰断面下游200~3 000 m河道沉积物样品.每种干扰选取两个样地, 每个样地随机采集3份样品, 共计30份样品.将同一样地的3份样品混合后, 分成两部分, 一部分重约1 kg, 置于无菌自封袋中, 冷冻干燥、研磨过筛, 用于测定理化性质.另一部分重约100 g, 去除表面石块和植物残体后置于装有干冰的保温箱内, 待后续测定沉积物细菌DNA.样地具体信息如表 1.

表 1 采样点具体信息 Table 1 Specific information of sampling sites

1.3 沉积物理化指标与磷形态测定

采用电极电位法测定沉积物pH和Eh(水土比为2.5∶1)[14]; 通过烘干法测定沉积物含水率(moisture content, MC)[15]; 灼烧法测定有机碳(total organic carbon, TOC)含量[16]; 总磷(total phosphorus, TP)和总氮(total nitrogen, TN)采用碱性过硫酸钾联合消解法测定[17].

1.4 沉积物细菌DNA提取与PCR扩增

通过E.Z.N.A.Ⓡ Soil DNA试剂盒(Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S)对沉积物细菌DNA进行提取, 使用紫外分光光度计(NanoDrop2000)对DNA浓度和纯度进行检测, 以满足下一步检测要求.PCR扩增选用细菌16S rRNA通用引物(338F/806R).采用扩增反应为TransGen AP221-02：TransStart Fastpfu DNA Polymerase, 反应体系20 μL, PCR仪为ABI GeneAmpⓇ 9700型.所有样本按照正式实验条件进行, 每个样本3个重复.用2%琼脂糖凝胶电泳对PCR产物进行检测, 使用AxyPrep DNA凝胶回收试剂盒(Axygen公司)对PCR产物进行切胶回收, 将各样品等浓度混合.经过建库检测, 将合格的文库在上海美吉生物医药科技有限公司Illumina MiSeq平台进行高通量测序.

1.5 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2019对数据进行初步处理, 通过Qiime2 (v2020.2)软件对数据进行测试, 在相似度为100%情况下划分分类单元ASV.通过mothur-1.30软件分析细菌群落的多样性指数(Ace指数、Chao1指数、Simpson指数和Shannon even指数).采用R软件绘图, 通过Bray-Curtis距离算法对物种进行PCoA主坐标分析, 基于DCA分析结果进行RDA冗余分析.使用SPSS 23.0软件对数据进行单因素方差分析和Pearson相关性分析.利用Adobe Illustrator 2019软件对图片进行修饰.

2 结果与分析 2.1 沉积物理化性质的分布特征

沉积物理化性质如表 2所示, 沉积物总体呈现出弱碱环境.不同干扰断面下沉积物pH和Eh均没有显著差异(P>0.05), 支流干扰断面沉积物含水率和无干扰断面持平, 均显著高于工程干扰断面(P < 0.05).沉积物有机碳、总氮和总磷含量在支流干扰断面最高, 无干扰断面次之, 采砂干扰断面最低.

表 2 沉积物基本理化性质1) Table 2 Basic physical and chemical properties of sediments

2.2 沉积物细菌群落多样性

对不同干扰断面的沉积物细菌群落的α多样性指数进行比较, 以Ace和Chao1指数表征群落丰富度, Simpson指数表征群落多样性, Shannon even指数表征群落均匀度.结果如表 3所示, Ace指数和Chao1指数在所有干扰断面中均没有显著差异(P>0.05), 支流干扰断面的Simpson指数最高且显著高于无干扰断面(P < 0.05); 采砂干扰断面的Shannon even指数和无干扰断面持平, 均显著高于其他3种干扰(P < 0.05), 垦殖干扰断面的Shannon even指数最低.

表 3 沉积物细菌群落α多样性指数 Table 3 The α diversity index of bacterial community in sediments

基于Bray-Curtis距离对不同干扰断面沉积物细菌群落在门分类水平上进行主坐标分析, 研究不同样本群落组成的相似性和差异性.如图 2所示, 第1和第2主坐标的贡献率分别为61.17%和22.57%, 约有83.74%的细菌群落组成变异得到解释.工程干扰断面和部分垦殖干扰断面沉积物细菌群落主要位于PC1的左半轴, 其他干扰断面下沉积物细菌群落主要位于PC1的右半轴.同时, 两个垦殖干扰和两个工程干扰点位下的沉积物细菌群落组成具有差异性.无干扰断面细菌群落组成相似度最高, 同时采砂干扰断面和无干扰断面细菌群落样本点最为接近.

TI：支流干扰; CK：无干扰; SI：采砂干扰; PI：工程干扰; RI：垦殖干扰 图 2 不同干扰断面沉积物细菌群落门分类水平主坐标分析 Fig. 2 Principal coordinate analysis of bacterial community phylum classification level in sediments of different interference sections

2.3 沉积物细菌群落组成与结构分析

通过Venn图可直观表现出环境样品中独有的和共有的ASV数目.如图 3所示, 10个样本共检测到ASV数目8 751个, 共有的ASV数有177个.工程干扰断面沉积物细菌独有的ASV数目最多, 为1 942个, 占总数的22.19%.采砂干扰断面和支流干扰断面的细菌独有的ASV数目最少, 分别占总数的10.90%和10.51%.5种干扰断面沉积物细菌ASV数目由多到少依次为工程干扰、垦殖干扰、无干扰、采砂干扰和支流干扰.

图 3 不同干扰断面沉积物细菌独有的和共有的ASV数量的Venn图 Fig. 3 Venn diagram of the unique and shared ASV numbers of bacteria in sediments of different interference sections

在10个样本中共检测到62个门、180个纲、394个目、608个科、1 069个属和2 134个种.选取在门水平上相对丰度前8的菌门进行柱状图分析(图 4).从图 4可知, 不同干扰断面主要优势菌门相对丰度占比情况为：变形菌门(Proteobacteria, 18.47%~35.99%)、放线菌门(Actinobacteriota, 11.17%~17.98%)、酸杆菌门(Acidobacteriota, 10.37%~16.66%)和绿弯菌门(Chloroflexi, 9.12%~15.28%).变形菌门相对丰度在所有干扰中最高.放线菌门相对丰度在采砂干扰断面下最高; 酸杆菌门和绿弯菌门相对丰度在工程干扰断面下最高.

图 4 不同干扰断面沉积物细菌群落在门水平上的组成和相对丰度 Fig. 4 Composition and relative abundance of bacterial communities in sediments of different disturbance sections at phylum level

选取在纲水平上相对丰度前8的菌纲进行柱状图分析(图 5).从图 5可知, 不同干扰断面主要优势菌纲占比情况为γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria), 11.29%~20.39%)、α-变形菌纲(α-Proteobacteria, 7.18%~16.81%)和Vicinamibacteria纲(7.37%~11.03%).在工程干扰下, α-变形菌纲相对丰度含量降低, 而Vicinamibacteria纲相对丰度含量升高.放线菌纲(Actinobacteria)在采砂干扰下相对丰度最高.

图 5 不同干扰断面沉积物细菌群落在纲水平上的组成和相对丰度 Fig. 5 Composition and relative abundance of bacterial communities in sediments of different interference sections at class level

2.4 沉积物细菌群落功能多样性

利用PICRUSt 2软件对沉积物细菌进行功能预测, 并基于KEGG数据库获得每个样本的功能信息和丰度信息.10个采样点所划分的5种干扰断面获得的一级代谢通路分别为新陈代谢(metabolism)、遗传信息处理(genetic information processing)、环境信息处理(environmental information processing)、细胞过程(cellular processes)、人类疾病(human diseases)和有机系统(organismal systems).

各样点分析得出46类二级代谢通路, 其中相对丰度>1%的有18类(表 4).对应的一级功能名称包括新陈代谢(12类)、遗传信息处理(3类)、环境信息处理(2类)和细胞过程(1类).工程干扰断面沉积物细菌群落的全局及概要图功能, 碳水化合物代谢功能, 翻译功能, 复制和修复功能, 核苷酸代谢功能, 折叠、分类和降解功能在5种断面中的相对丰度均最高.垦殖干扰断面的细菌能量代谢功能丰度最高且显著高于采砂干扰断面(P < 0.05).垦殖干扰断面的辅助因子和维生素的代谢功能相对丰度显著高于无干扰(P < 0.05), 而采砂干扰断面辅助因子和维生素的代谢功能相对丰度和无干扰接近.

表 4 不同干扰断面沉积物细菌群落的二级功能相对丰度信息 Table 4 Relative abundance information of secondary functions of bacterial communities in sediments of different interference sections

2.5 沉积物理化因子与细菌群落的相关性分析

针对采样点环境因子指标和沉积物细菌群落相对丰度指标, 进行RDA冗余分析.如图 6所示, 第一轴(RDA 1)与第二轴(RDA 2)环境因子累计解释变异量达到了75.29%, 说明前2个排序轴能较好地反映细菌群落结构和环境因子的相关性情况.含水率对细菌群落结构的影响达到了显著水平(P < 0.05), 环境因子对沉积物细菌群落结构的影响大小顺序依次为：含水率、总氮、有机碳、总磷、Eh和pH.丰度最大的变形菌门和含水率、总氮、总磷和有机碳呈正相关关系, 和pH呈负相关关系; 放线菌门和酸杆菌门和pH呈正相关关系; 拟杆菌门和pH呈负相关关系.

不同颜色和形状的点表示不同干扰断面沉积物细菌样本组, 其中绿色箭头表示优势菌门, 红色箭头表示环境因子 图 6 环境因子与沉积物细菌群落相对丰度的冗余分析 Fig. 6 Redundancy analysis of environmental factors and relative abundance of bacterial communities in sediment

3 讨论 3.1 不同干扰断面沉积物细菌群落多样性的差异分析

α多样性通过对样本中的统计学数字进行一系列分析, 可直观反映物种群落的丰富度和多样性[18].通常微生物群落多样性越高, 群落结构越稳定, 抗外界干扰的能力也越强.嘉陵江作为长江流域重要的生态屏障, 其沉积物中的微生物群落多样性对长江水生态系统和全流域的环境质量起着重要的影响作用[19].嘉陵江河道近岸干扰断面复杂多样, 水利工程的建设使得天然河道的水文状况发生改变, 水闸的开放导致泥沙不同程度的堆积.采砂过程选择性挑选泥沙使得大颗粒泥沙减少和小颗粒泥沙增加, 导致床沙细化[20].沿岸存在城镇和农村, 生活废水和农业废水直接排入河流的情况也屡见不鲜.众多干扰断面下沉积物受污染情况不同, 导致微生物群落组成和多样性各异.本研究中, 自然河道断面沉积物细菌群落多样性最高, 同时, 采砂干扰和无干扰断面沉积物细菌群落均匀度接近且显著高于其他干扰.李侠等[21]的研究表明林地植被覆盖度高, 凋落物丰富, 土壤有机质积累速率大于分解速率, 而大量有机质为微生物的生存提供了碳源, 促进了微生物的生长繁殖.本研究区域自然河道生境为天然林地, 受人为干扰最小, 有利于土壤有机质的积累, 在降雨径流冲刷作用下进入水体沉积物, 从而为沉积物中微生物的生存提供了丰富的碳源, 提高了微生物物种多样性和均匀度.另外, 本研究选取采砂厂均已废弃加上采样点位于河流弯曲处, 水流速度降低, 对沉积物扰动较小, 因此, 微生物群落不易受到强烈的干扰, 细菌群落均匀度较高.通过PCoA主坐标分析得出工程干扰和2个点位之间的细菌群落组成和其他4种干扰断面的细菌群落具有较大差异.这与刘晓丹等[22]在研究西藏尼洋河沉积物中微生物群落结构特征时得出水电站库区沉积物微生物群落结构和其他点位存在较大差异的结果相一致.拦河水坝因具有一定的拦污、截洪等特点, 与其他点位相比, 有着独特的水流速度和水文条件, 水文条件的不同可能通过改变土壤中的营养物质含量, 从而对微生物群落生长和代谢造成影响[23].本研究中的拦河水坝根据水量变化不间断进行开闸放水, 对周边水文状况的波动较大, 在对表层沉积物冲刷的同时也对微生物群落活动造成影响.杨艳芳等[24]的研究发现, 不同河段在干扰类型、水流速度和环境差异等方面各异, 导致微生物群落多样性产生差异.工程干扰点位包括港航沙溪航电站和青居电站, 水闸开启过程中对下游造成的冲击大于其他干扰断面; 港航沙溪航电站位于研究区上游, 青居电站位于研究区下游, 2个电站规模差异大, 加上河流宽度和水流速度不一.在这些环境条件共同作用下, 水利工程干扰和其他干扰以及工程干扰2个点位之间河道沉积物细菌群落结构差异性较大.自然河道断面细菌群落组成相似度最高, 进一步从侧面反映不同人为扰动和不同点位均会导致沉积物细菌群落组成产生差异.

3.2 不同干扰断面沉积物细菌群落结构特征以及对环境因子的响应分析

沉积物作为河流生态系统的重要组成部分, 易受到农业、工业和旅游业等的干扰, 导致沉积物中的环境发生变化[25].不同微生物对环境的适应能力不同, 通过对优势物种进行研究, 有助于深入了解微生物群落平衡特点[26].本研究发现, 沉积物中的优势菌门包括变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿弯菌门, 优势菌纲包括γ-变形菌纲、α-变形菌纲和Vicinamibacteria纲, 这和大多数研究基本一致[27~29].其中, 变形菌门在所有干扰断面中相对丰度最高.变形菌是细菌中最大的门类, 也是沉积物中具有代表性的群落分支, 变形菌中含有较多的固氮细菌, 其在脱氮除磷, 降解污染物方面发挥重要作用, 是水体自净的重要承担者[22].同时变形菌纲多为硝化或碳化微生物, 这些微生物在碳氮循环和地球化学循环中具有重要作用[30].与自然河道断面沉积物细菌群落结构相比, 采砂干扰促进了放线菌门的增加, 工程干扰促进了酸杆菌门的增加.有研究表明放线菌可分解许多有机物质, 同时对重金属有一定的吸附作用, 在污水和有机固体废物的处理中具有关键作用[31, 32].采砂过程可能会破坏沉积物原有的化学环境平衡, 导致沉积物中的污染物质和微量金属受到扰动而释放[33].酸杆菌门在新陈代谢过程中可能使沉积物形成酸性环境, 加剧沉积物中稳态重金属的活化, 进一步破坏水体环境, 同时, 其也可反映研究区域受污染情况[28].拦河水坝开放闸门在带来营养物质的同时也会增加污染物质, 使得沉积物受污染程度较大.采砂干扰和工程干扰均导致细菌群落结构发生较大变化, 导致不同优势菌门相对丰度产生差异.

不同人为干扰下沉积物环境因子的差异对微生物群落结构变化具有重要影响.有研究表明, 工业废水、生活污水以及农业径流的氮、磷、重金属和有机污染物显著影响着沉积物微生物群落结构[34].本研究结果显示, 含水率为主要影响细菌群落结构的环境因子, 其次, 有机碳、总氮和总磷对细菌群落也具有一定的影响.变形菌门与pH、含水率、总氮、总磷和有机碳均具有相关关系.水分作为微生物代谢过程中必不可少的溶剂, 有助于营养物质的溶解并被微生物吸收[35].张弘杰等[36]的研究发现, 沉积物总氮、总磷和有机碳对沉积物细菌群落结构有显著影响, 这与本研究结果相似.有机碳可以为微生物提供较多可利用的碳源, 有助于细菌的繁殖生长; 氮磷元素作为构成生物体的重要能源, 在不同生境下的沉积物中, 往往可作为影响细菌群落丰度和多样性最强的环境因子[37].阴星望等[38]的研究发现, 变形菌门与沉积物pH、有机质、总氮和总磷均具有显著相关性, 这与本研究结果相似.变形菌门在营养条件较丰富的环境下含量较高, 常用作评价土壤环境质量的重要指标, 间接反映出研究区域工业废水、农田灌溉和生活污水的排放导致沉积物存在污染.

3.3 不同干扰断面沉积物细菌群落功能分析

微生物作为土壤中的重要活性成分, 拥有大量高效的基因库, 具有分解代谢功能和压力耐受潜能, 对外界环境的变化较敏感, 常用于指示土壤环境质量的好坏[39].本研究通过对不同干扰断面沉积物细菌进行PICRUSt功能预测, 得出6类一级代谢通路.其中, 新陈代谢功能相对丰度最高, 达到了78%, 这与杨浩等[40]研究的结果相似.新陈代谢功能在细菌群落中丰富的比例说明沉积物中大量具有特定生态功能的微生物在进行着诸多与新陈代谢相关的活动.二级功能预测中, 相对丰度>1%的达到了18类, 相对丰度占比前5位的优势基因功能是全局及概要图、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、辅助因子和维生素的代谢和能量代谢.氨基酸是蛋白质的主要成分, 在调节离子转运、参与重金属解毒和影响酶的合成和活性等生理过程发挥着重要作用, 同时, 氨基酸是许多具有重要功能的次生代谢物的前体[41].碳水化合物是生命细胞结构的主要成分, 而碳水化合物代谢可以调节生物体内碳水化合物的合成、分解和转化[29], 该功能代谢旺盛说明微生物的生命活动较活跃.本研究中工程干扰断面细菌碳水化合物代谢功能, 翻译功能, 复制和修复功能, 核苷酸代谢功能, 折叠、分类和降解功能高于其余4种干扰, 表明工程干扰能促进沉积物细菌进行碳水化合物和核苷酸代谢, 有利于提高遗传信息的复制、翻译、分类和降解水平.同时, 拦河水坝由于其独特的环境条件, 在对沉积物进行扰动的同时也累积了大量营养物质, 为微生物的生存繁殖提供了场所.能量代谢主要表现为细菌在进行有机物分解和无机物氧化中释放能量并通过底物磷酸化或氧化磷酸化合成ATP的过程[42].垦殖干扰断面细菌能量代谢和辅助因子及维生素的代谢最高, 表明农业活动加速了沉积物中有机物的降解和无机盐的转化, 促进了水体生态系统的物质循环和能量流动.由于PICRUSt功能预测具有一定的局限性, 因此在后续的分析中可结合宏基因组测序技术对沉积物细菌群落功能丰度差异进行深入探究.

4 结论

(1) 不同干扰断面沉积物理化性质和细菌群落多样性具有显著差异(P < 0.05), 无干扰断面沉积物细菌群落多样性最高, 同时采砂干扰和无干扰断面沉积物细菌群落均匀度最高, 群落结构最稳定.

(2) 沉积物细菌群落以变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿弯菌门为主要菌门, 以γ-变形菌纲、α-变形菌纲和Vicinamibacteria纲为主要菌纲, 采砂干扰导致放线菌门的增长, 工程干扰导致酸杆菌门的增长.含水率、有机碳、总氮和总磷是影响细菌群落结构的主要环境因子.

(3) 沉积物细菌群落主要涉及到新陈代谢、遗传信息处理、环境信息处理和细胞过程这4个一级代谢功能, 二级代谢功能全局及概要图、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、辅助因子和维生素的代谢和能量代谢功能表现活跃.人为干扰导致能量代谢、辅助因子和维生素代谢、核苷酸代谢、复制和修复和翻译等功能发生显著改变.

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