2021, Vol. 42
2. 南阳师范学院河南省南水北调中线水源区流域生态安全国际联合实验室, 南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心, 南阳 473061
, GONG Zi-le1,2 , YANG Xiao-ming1,2 , LI Yu-ying1,2
, CHEN Zhao-jin1,2 , ZHU Hui-hui1,2 , WANG Fan-mei1,2
2. International Joint Laboratory of Watershed Ecological Security and Collaborative, Innovation Center of Water Security for Water Source Region of Middle Route Project of South-North Water Diversion in Henan Province, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China
了解自然生物多样性, 并确定调节群落构建和多样性模式(空间或时间)的主要因素, 对于预测生态系统功能对环境变化的反应具有重要作用[1].高通量测序技术易操作、成本低廉, 能快速高通量得到特定的DNA片段, 更全面地展示生物群落的组成结构, 极大地推动了浮游生物多样性研究[2~4].浮游细菌是水域生态系统的重要组成部分, 参与有机物降解及营养物的循环过程, 维持生态系统的功能和进程[5].浮游细菌群落在水域生态系统中高度可变, 水体的物理化学特征、有机质的浓度和类型以及食物网的组成和物种间的相互作用等均能影响浮游细菌的群落组成[6, 7].微生物介导的氮代谢是地球氮循环的主要驱动力, 其通过同化和异化等代谢过程影响水域生态系统中的物质循环和污染物释放[8], 在氨氧化、硝化、硫酸盐还原和甲烷生产等生物化学循环过程中起着重要作用[9, 10], 基于基因组预测氮循环过程, 有利于理解生物与地球环境相互作用及协同演化的机制, 从而更好地保护水生态环境[11].
浮游细菌空间格局的形成, 受空间异质性和空间连通度的影响, 水域生态系统中水位的变化(包括汛期)改变了空间连通度, 进而影响了群落空间构成.乡镇和城区人类活动和土地利用方式的改变是造成流域空间差异的主要原因[12], 因此, 汛期前后水位相似状况下, 了解群落较低扩散水平维持时间长短带来的浮游细菌群落多样性和功能差异, 以及对环境压力和干扰变化作出的复杂反应[13, 14], 对于了解水域生态系统中浮游细菌在生态系统中的功能和作用, 治理和保护水生态环境具有深远的意义[7].老鹳河位于长江流域汉江水系丹江口水库上游, 是丹江口水库距离调水口最近的入库支流, 更是南水北调中线工程核心水源区的重要水源涵养区和浸没区.近些年来, 研究南水北调水源地主要是针对水库主库区的水环境[15, 16]、调水前后的水质变化[17]和农业面源污染[18]等方面展开调查, 对入库支流水质以及生物环境变化研究较少.随着丹江口水库周边地区社会经济环境的快速发展和城镇化水平的不断提高, 对入库支流所受的自然和人为因素开展水质监测, 对于确保南水北调中线供水水质安全具有重要的意义.
丹江口水库老鹳河干流流经乡镇和县城, 选取4个典型生态采样位点, 代表人类不同干扰强度下生境变化, 采用高通量测序技术分析浮游细菌群落结构, 基于PICRUSt进行浮游细菌功能基因预测, 尤其是氮循环功能基因多样性, 结合水质环境理化指标, 进一步探讨引起浮游细菌群落结构和功能变化的环境因子, 以期为老鹳河流域水资源可持续开发、利用以及环境保护政策的制定提供参考依据.
1 材料与方法 1.1 老鹳河干流样点概况老鹳河发源于洛阳市栾川县冷水乡南泥湖村, 自西北向东南, 流经栾川、卢氏、西峡, 至淅川县金河镇上河村注入丹江口水库, 是丹江口水库上游的主要支流.河流全长255 km, 总流域面积4 219 km2, 多年平均流量40 m3·s-1, 河流流经深山区, 泥沙含量小, 多年平均含沙量1.45 kg·m-3.该流域属北亚热带季风区大陆性气候, 多年平均降水量约816 mm, 集中于7~9月, 降水量在时间和空间上分布很不均匀.
沿老鹳河干流自上游至下游选取4个采样位点, 杨河样点(YH)以上河段流经山区, 受人类活动干扰较少, 代表轻度干扰.西峡北样点(XX)位于西峡县城城区入口处, 这2个样点间流经区域主要受乡镇生活和农业用地影响, 代表中度干扰.垱子岭样点(DZL)位于西峡县和淅川县两城区交界处, 流经西峡县城, 主要受城市生活和工业用水排放影响, 代表重度干扰; 张营样点(ZY)位于淅川县城区出口处, 流经淅川县城, 淅川县是丹江口库区水质重点保护区, 与西峡县相比, 受到干扰减少, 代表中度干扰(图 1).
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图 1 老鹳河干流采样点分布示意 Fig. 1 Location of sampling sites in the main stream of the Laoguan River |
每年7~9月为老鹳河汛期[19, 20], 水质样品采集分别于2018年和2019年的5月(汛期前)和10月(汛期后)枯水期(水位相似)进行取样, 共计采样4次.柱状采水器采取0 m~0.5 m表层水2 L, 每个样点平行采样3次[21].所取水样600 mL置于预先灭菌容器中低温保存, 带回实验室提取细菌总DNA, 剩余水样完成水质指标测定.
水质理化指标测定参照《地表水环境质量标准》(GB 38382-2002)[21], 采用多参数水质测定仪(YSI EXO)现场测定溶解氧(DO)、电导率(Cond)、氧化还原电势(ORP)、pH值和水温(T).采用SAN++连续流动分析仪测定总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和硝氮(NO3--N)质量浓度; 采用重铬酸钾回流法测定化学需氧量(COD); 采用分光光度法测定叶绿素a(Chla)质量浓度[22].
1.3 总DNA提取和高通量测序600 mL表层新鲜水样先经20 μm筛绢过滤以除去样品中所含有的大型浮游植物和浮游动物, 再用0.22 μm无菌微孔滤膜过滤以收集浮游细菌.滤膜剪碎后置于50 mL无菌离心管中, 按照Omega Water DNA Kit(Omega, USA)的操作步骤, 提取浮游细菌总DNA.最后采用微量紫外分光光度计(NanoDrop® ND-1000, Wilmington, DE, USA)测定提取得到的总DNA的浓度和纯度.采用通用引物(338F/806R)对细菌16S rRNA基因的V3~V4区进行PCR扩增, 扩增体系为5×FastPfu缓冲液4 μL、2.5 mmol·L-1 dNTPs 2 μL、上游引物(5 μmol·L-1)0.8 μL、下游引物(5 μmol·L-1)0.8 μL、FastPfu聚合酶0.4 μL和DNA模板10 ng, 补充ddH2O至20 μL. PCR扩增的反应体系为：94℃, 5 min; 30×(94℃, 30 s; 54℃, 30 s; 72℃, 45 s); 72℃, 10 min[23, 24].上海美吉生物医药科技有限公司的MiSeq PE300测序仪(Illumina Inc, San Diego, CA, USA)完成高通量测序.
1.4 数据分析 1.4.1 生物信息学分析利用QIIME(Quantitative Insights into Microbial Ecology)软件对高通量测序数据进行生物信息学分析, 依据序列相似度, 将序列划分为不同的OTU(operational taxonomic unit).统计各个样品含有OTU类型数和每种类型OTU中含有的序列数, 得到每个OTU的分类学信息[25].
1.4.2 生物多样性与标记物分析Sobs指数、Ace指数和Chao1指数表征OTU丰富度; Shannon-Wiener指数(H')表征群落多样性; Simpson Dominance(D)表征群落优势度.
LEfSe在线工具寻找组与组之间有统计学差异的生物标志物, 进一步确定各组细菌丰富度差异[26]. LEfSe法可以分析不同样品中的差异类群, 所有菌在门、纲、目、科和属水平的差异信息用饼形图表示, 最内圈表示门水平的差异, 依次往外的圈表示纲、目、科和属, 不同颜色扇形面积表示在此范围内的菌均有差异.
1.4.3 PICRUSt功能预测分析采用PICRUSt软件预测浮游细菌功能, 利用QIIME获得的closed OTU Table与COG数据库和KEGG数据库进行比对, 获得功能预测信息, 具体分析步骤基于在线分析平台(http://picrust.github.io/picrust/)[27].
1.4.4 统计学分析Adonis(非参数多因素分析)分析不同分组因素对样品差异的解释度, Mantel Test用于检验群落距离矩阵和环境变量距离矩阵之间的相关性. DCA(detrended correspondence analysis)、PCoA(principal coordinates analysis)、RDA(redundancy analysis)和CCA(canonical correspondence analysis)用于分析样点和浮游细菌群落的分布特征以及与环境因子之间的相互关系[28].相关统计分析基于R3.6.0软件vegan软件包完成.
单因素或多因素ANOVA用于探讨样点间环境因子和浮游细菌群落的差异, Tukey HSD比较两两之间的不同, P < 0.05表示有显著性差异, 相关统计分析在IBM SPSS Statistics 23软件中完成.
2 结果与分析 2.1 老鹳河干流水质理化性质老鹳河干流杨河、西峡北、垱子岭和张营这4个样点主要理化指标分析结果显示(表 1), 杨河作为采样起点, 与其他样点相比, TN、NH4+-N、NO3--N、TP、Chla和DO的质量浓度较低, ORP值最高.与杨河相比, 西峡北样点的DO、TN、NO3--N和TP较高.水流到达垱子岭后, ORP值降低, DO、TN、NO3--N和TP与西峡北相似, 但NH4+-N和Chla的质量浓度有所上升.从淅川县城流出到达张营样点后, COD有所升高, 但TN、NH4+-N和TP质量浓度有所降低.
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表 1 老鹳河干流水质主要理化参数1) Table 1 Physicochemical parameters of water quality in the main stream of the Laoguan River |
2.2 浮游细菌群落组成
此次测序, 获得有效样本数目45, 有效序列数目2 275 419, 有效碱基数目976 356 700, 序列平均长度429 bp, 4个样点操作分类单元OTUs平均数712.浮游细菌由40门组成, 隶属599属.杨河样品包含36门, 453属; 西峡北样品包括32门, 526属; 垱子岭样品包括35门, 444属; 张营样品包括37门, 529属.
γ-变形菌纲(γ-Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、蓝藻门(Cyanobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和装甲菌门(Armatimonadetes)的序列总和占全部序列的95.2%~98.84%, 为优势门. γ-Proteobacteria和拟杆菌门为优势度最高的两大类群, γ-Proteobacteria在4个样点的占比均在30%以上, 拟杆菌门占比接近20%.从汛期前到汛期后, 这2个类群在杨河和西峡北的丰度均有所上升, 而在张营的丰度都有所下降.放线菌门为汛期前4个样点的第3优势门, 但到汛期后除杨河样点外, 其他3个样点第3优势门转变为厚壁菌门. LEfSe分析表明(图 2), 优势门中, 汛期前杨河的装甲菌门, 西峡北的Epsilonbacteraeota和厚壁菌门, 垱子岭的蓝藻门与其他样点有显著性差异; 而在汛期后, 仅垱子岭的厚壁菌门和蓝藻门与其他样点有显著性差异(P < 0.05).
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图 2 老鹳河干流不同样点差异细菌分布LEfSe分析 Fig. 2 LEfSe analysis of bacterioplankton in the main stream of the Laoguan River |
属的水平上进行LEfSe分析表明(图 2), 汛期前, 杨河样品中38属与其他样点有差异, 其中γ-Proteobacteria的Limnohabitans, α-Proteobacteria的Sphingorhabdus, 拟杆菌门的Sediminibacterium、Pseudarcicella, 装甲菌门的Armatimonas, 放线菌门的Candidatus_Aquiluna为优势属; 西峡北样品中57属有差异, 其中γ-Proteobacteria的Acinetobacter、Malikia、C39和Hydrogenophaga, 放线菌门的CL500-29_marine_group为优势属; 垱子岭样品中30属有差异, α-Proteobacteria的Rhodobacter, 拟杆菌门的Candidatus_Aquirestis、放线菌门的Mycobacterium为优势属; 张营样品中24属有差异, 仅放线菌门的hgcI_clade为优势属.与汛期前相比, 汛期后具有差异的属较少.杨河样品中4属有差异, 其中放线菌门的Candidatus_Aquiluna为优势属; 西峡北样品中6属有差异, 仅拟杆菌门的Cloacibacterium为优势属; 垱子岭样品中20属有差异, 其中厚壁菌门的Bacillus和蓝藻门的Cyanobium_PCC-6307为优势属; 张营样品中33属有差异, 其中α-Proteobacteria的Phenylobacterium, 放线菌门的CL500-29_marine_group和厚壁菌门的Enterococcus为优势属.
2.3 浮游细菌多样性老鹳河4个样点样品文库覆盖率均在98.8%以上, 能够反映该区域浮游细菌群落的种类和结构.汛期前多样性指数均显著高于汛期后(Student's t-test, P < 0.05).汛期前后一些多样性指数在样点间变化趋势相似(表 2), 杨河到西峡北Shannon-Wiener指数均有所上升; 西峡北到垱子岭Sobs、Ace和Chao1指数均呈现出下降的特点; 而垱子岭到张营Chao1指数又有所上升.
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表 2 老鹳河干流浮游细菌群落多样性分析1) Table 2 Diversity indices of bacterioplankton in the main stream of the Laoguan River |
两个采样时期, 分别在OTU水平上对老鹳河干流4个样点浮游细菌群落进行Adonis分析和PCoA排序.汛期前, Adonis(R2=0.418 2, P=0.001)表明, 不同分组间存在极显著差异. PCoA显示[图 3(a)], PC1轴解释度为27.04%, PC2轴解释度为21.11%.沿PC2轴方向浮游细菌群落对4个样点分组清晰, 杨河与西峡北差异最为明显, 从垱子岭到张营, 群落结构又与杨河逐渐接近, 这与多样性指数分析结果相一致.汛期后, Adonis(R2=0.271 4, P=0.039)表明, 不同分组间存在显著性差异, 但区别不如汛期前明显. PCoA显示[图 3(b)], PC1轴解释度为45.42%, PC2轴解释度为19.75%.沿PC1轴方向4个样点区分不明显, 沿轴2方向样点在不同年份分布有所差异.
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图 3 老鹳河干流不同样点浮游细菌PCoA排序 Fig. 3 PCoA biplot of bacterioplankton in the mainstream of the Laoguan River |
2018年, Mantel Test分析表明, 理化因子与浮游细菌群落优势属间存在极显著相关性(P=0.003), DCA分析第一轴长为2.810 1(< 4), 理化参数与优势属进行RDA排序[图 4(a)], RDA1轴解释度为35.33%, RDA2轴解释度为18.28%.汛期前后各样点区分明显, 与TN、ORP、DO和T有关.汛期前, 杨河与其他样点差异较大, 引起群落差异的主要环境因子为T和ORP.汛期后, 张营与其他样点差异较大, 引起差异的主要环境因子为TN、NH4+-N和pH值.排序图也表明, Malikia和Flavobacterium与pH值和Cond正相关.
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图 4 老鹳河干流浮游细菌与环境因子排序 Fig. 4 Ordination plot of bacterioplankton and environmental factors in the mainstream of the Laoguan River |
2019年, Mantel Test分析表明, 理化因子与浮游细菌群落优势属间也存在显著相关性(P=0.001), DCA分析第一轴长为3.776(>3.5), 理化指标与优势属进行CCA排序[图 4(b)], CCA1轴解释度为41.62%, CCA2轴解释度为12.89%.汛期前后样点区分更为明显, 汛期后DO、NH4+-N和ORP较高.汛期前, 杨河和张营群落相似, 西峡北和垱子岭群落相似; 汛期后, 杨河又呈现出与其他3个样点不同的特征.这些样点间的区别主要与T、TN和pH值有一定关联.排序表明, Limnohabitans、Polynucleobacter、hgcI_clade、Flavobacterium、Luteolibacter和Sporichthyaceae与Cond正相关; Chryseobacterium、Brevundimonas和Acinetobacter与ORP、DO和NH4+-N正相关.
为进一步明确浮游细菌与环境因子的关系, 将优势门和优势属与环境因子进行Spearman相关分析.具有LEfSe差异的类群中, 在门的水平上[图 5(a)], γ-Proteobacteria与pH值和Chla负相关; 装甲菌门与pH值正相关, 与ORP和NH4+-N负相关; 厚壁菌门与pH值负相关, 与TP正相关; 蓝藻门与pH值、DO、TP、NO3--N、COD和Chla均正相关; Epsilonbacteraeota与T和Chla负相关, 与TN、NO3--N和COD正相关.
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*表示P < 0.05; **表示P < 0.01; ***表示P < 0.001 图 5 老鹳河干流浮游细菌优势类群与环境因子相关性热图 Fig. 5 Correlation heat map of dominant bacterioplankton and environmental factors in the main stream of the Laoguan River |
在属的水平上[图 5(b)], Armatimonas和Candidatus_Aquirestis与pH值正相关, Cloacibacterium、CL500-29_marine_group和Candidatus_Aquiluna与其负相关; Cloacibacterium、Candidatus_Aquirestis、C39、Cyanobium_PCC-6307、Malikia和Hydrogenophaga与TP正相关, Sphingorhabdus、Pseudarcicella和Limnohabitans与其负相关; C39和Pseudarcicella与COD正相关; Mycobacterium与Cond正相关; CL500-29_marine_group、hgcI_clade、C39和Mycobacterium与TN正相关; CL500-29_marine_group和C39与NO3--N正相关; Cyanobium_PCC-6307与DO正相关, Rhodobacter、hgcI_clade、Sphingorhabdus、Pseudarcicella和Limnohabitans与其负相关; Cyanobium_PCC-6307与Chla正相关, Candidatus_Aquiluna、hgcI_clade、Sphingorhabdus、C39、Pseudarcicella和Sediminibacterium与其负相关; Cloacibacterium、Candidatus_Aquirestis、C39、Malikia和Hydrogenophaga与T负相关; Armatimonas、Rhodobacter和Mycobacterium与ORP负相关; Armatimonas和Sphingorhabdus与NH4+-N负相关.
浮游细菌多样性指数与环境因子进行Spearman相关分析表明(表 3), Sobs指数与T和NH4+-N负相关, 与COD正相关; Ace指数与DO、ORP、NH4+-N和Chla均负相关, 与COD正相关; Chao1指数与DO、ORP、T、NH4+-N和Chla负相关, 与COD正相关; H'与COD、TN、NO3--N和TP正相关, 与ORP和T负相关; D与H'相反.
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表 3 老鹳河干流浮游细菌多样性指数与环境因子Spearman相关系数1) Table 3 Spearman coefficients for bacterioplanktonic diversity indices and environmental factors in the main stream of the Laoguan River |
2.5 浮游细菌功能预测
基于COG数据库PICRUSt功能基因预测表明, 25个功能基因家族中一般功能预测(R类), 氨基酸运输和代谢(E类), 细胞壁、细胞膜和膜结构的生物合成(M类), 转录(K类), 能量产生和转换(C类), 无机离子转运与代谢(P类), 碳水化合物的运输和代谢(G类), 信号传导机制(T类), 翻译、核糖体结构和生物合成(J类), 以及复制、重建和修复(L类)十大类功能基因家族为主要功能基因家族, 汛期前和汛期后占比分别为66.6%和66.3%, 核结构(Y类)功能基因在各个样点基本缺失.聚类结果表明[图 6(a)], 汛期前后功能基因类群变化明显, 汛期前, 杨河与其他3个样点差异较大; 汛期后, 西峡北与其他样点间差异较大.
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图 6 老鹳河干流不同样点浮游细菌功能基因聚类热图 Fig. 6 Cluster heatmap of bacterioplanktonic function genes in different sites in the main stream of the Laoguan River |
KEGG数据库中参与氮代谢直系同源基因(KO)有65个, 此次样品中PICRUSt功能预测共发现48个与氮代谢相关KO, 氮代谢功能相关基因丰富.汛期前和汛期后优势功能基因(>5%)为谷氨酰胺合成酶基因(glnA和GLUL)、碳酸酐酶基因(cynT和can)、硝酸单加氧酶基因(ncd2和npd)、谷氨酸合成酶(NADPH)长链基因(gltB)和亚硝酸还原酶大亚基基因(NADH)(nirB).汛期前4个样点样品有显著差异的KO有28个, 汛期后有显著差异的KO有12个(P < 0.05).汛期前, 杨河的优势功能基因碳酸酐酶基因(cynT和can)与其他样点间差异显著.以30个具有显著性差异的KO聚类发现[图 6(b)], 汛期前, 除杨河外其他3个样点聚集在一起, 说明这3个样点间氮代谢差异较小, 与杨河差异较大; 汛期后, 4个样点差异较小, 垱子岭与其他样点有所差异.整体来看, 与氮代谢相关的功能基因KO, 汛期前样点之间的差异大于汛期后, 这与COG功能基因评价结果不一致.
3 讨论 3.1 汛期前后浮游细菌多样性空间变化特征7~9月为老鹳河汛期, 汛期前浮游细菌多样性整体高于汛期后.汛期高水位增加了空间连接, 强水流增强了空间扰动, 空间差异变小, 降低了浮游细菌群落在空间上的差异, 这种效应在汛期后依然存在; 非汛期较低的流速为浮游细菌的繁殖提供了稳定的环境, 长达8个多月的枯水期, 维持了较长时间较高程度的空间差异, 有利于处于竞争弱势的浮游细菌的增殖, 提高了多样性.
汛期前后老鹳河干流空间上存在着明显差异.杨河到西峡北河段主要受农村乡镇的干扰, 这段区域DO、TN、NO3--N和TP上升, 浮游细菌多样性增加.西峡北到垱子岭段河段流经西峡县县城, 主要受城区生活的影响, NH4+-N和Chla质量浓度上升, ORP值下降, 浮游细菌多样性明显下降, 该地区人口和产业密集, 居民生活污水和工厂废水的排放是该段河流浮游细菌多样性下降的主要原因[29~31].垱子岭到张营, 河流流经淅川县县城, 淅川县是南水北调水源区水质保护的重点城市之一, 这段河流TN、NH4+-N和TP均有所下降, 达到与杨河相似的水平, 浮游细菌多样性也再次回升.
浮游细菌群落PCoA、CCA和RDA排序也呈现出类似的结果, 杨河与西峡北差异最为明显, 垱子岭到张营, 群落结构又与杨河逐渐接近.笔者也发现汛期前空间上的差异大于汛期后的差异.该结果与刘睿等[32]在渭河完成的有关浮游细菌群落结构特征及其关键驱动因子的研究结果相一致, 其发现细菌群落结构的空间差异在平水期最大, 丰水期最小.以上结果也再次验证了人类活动(包括氮和磷的输入)的轻度干扰有利于多样性的增加, 而重度干扰会降低多样性这一生态学理论.
3.2 汛期前后浮游细菌群落空间变化特征老鹳河干流浮游细菌群落组成丰富, 与丹江口水库[33]和南水北调中线干渠[34]等水体的浮游细菌组成较为类似.变形菌门在水环境中普遍存在, 是水环境中主要的原核生物[35], 也是老鹳河的第一优势门.细菌的随流输运能力受河流流量变化的影响, 对某些类型细菌如厚壁菌门有明显的影响[36, 37].赣江丰水期细菌群落特征研究表明, 暴雨径流中变形菌门和放线菌门会被厚壁菌门所取代, 从而成为丰度最高的菌群[36, 38]; 汛期后, 笔者也发现类似的群落演变, 但仅仅第3优势门由放线菌门转变为厚壁菌门, 变形菌门和拟杆菌门依然是优势度最高的两大类群.
汛期前, 西峡北变形菌门下Acinetobacter、Malikia、C39和Hydrogenophaga这4个优势属与其他3个样点有差异; 汛期后, 样点间4个属的差异消失, 卢思丹等[39]的研究也发现Acinetobacter为沣河丰水期的优势属. CCA排序和相关性分析也发现Acinetobacter与ORP、DO和NH4+-N正相关; Malikia和Hydrogenophaga与TP正相关.从杨河到西峡北, 流经区域主要存在农业面源污染和农村生活污水的排放, 变形菌门生长快速[40], 水量较低情况下, 氮、磷等营养盐的大量输入, 有利于变形菌门快速繁殖, 因此, 汛期前观察到西峡北区域浮游细菌多样性的提高.
西峡北到垱子岭后, 蓝藻门的数量有了大幅度的增加, 这段河流流经西峡县县城, 地处两县城交界处, 人口密集, 生活及粪便污水和工业废水的大量排放, 带来了丰富的营养元素, 造成蓝藻门的大量繁殖, 研究中也发现蓝藻门与pH值、DO、TP、NO3--N和COD正相关.袁博等[41]的研究也发现类似结果, 自灞河上游至灞河河口, 变形菌门一直是相对丰度最高的门分类群落, 下游河段中蓝藻门的相对丰度在逐渐增加.蓝藻是水体富营养化引起水华的主要藻类, 浅水湖泊和水产养殖池塘的水体富营养化易暴发蓝藻[42].蓝藻门大量繁殖需要进行大量的光合作用, 并且与TP呈正相关[35], 这与本研究的结果相一致.笔者也发现, 垱子岭汛期前较高的叶绿素质量浓度与蓝藻门密切相关, 该样点叶绿素质量浓度已达到富营养化的标准. Haukka等[43]曾报道在生态系统中添加营养物质后会引起水体富营养化, 而水生态环境中输入TN和磷酸盐后浮游细菌的群落结构发生变化与此有关.老鹳河河流中, 磷和氮是调控浮游生物细菌群落的主要因子, 也是造成水体富营养化的主要原因.
3.3 汛期前后浮游细菌功能预测空间变化特征预测浮游细菌功能, 能够深入了解水域生态系统的发展方向.老鹳河干流浮游细菌功能具有25个COG基因功能家族, 48个与氮代谢相关KO基因, 表现出功能上的丰富性.汛期前, COG基因和KO基因聚类结果相一致, 杨河与其他样点的差异明显, 反映了浮游细菌功能上的变化, 在氮和磷输入上升的情况下, 会改变浮游细菌群落功能, 进而影响水体中氮循环过程.董志颖等[44]也采用PICRUSt分析预测了过量氮输入对细菌群落代谢潜力的影响, 发现了微宇宙中的固氮、硝化、异化硝酸盐还原、反硝化、异化硝酸盐还原到铵和同化硝酸盐还原途径的关键基因在一定程度上受到氮输入的影响.
汛期后, 垱子岭的KO氮代谢基因与其他样点差异明显.水质理化分析呈现出相一致的结果, 垱子岭TN、NH4+-N和NO3--N质量浓度最高, 过量的氮输入会引起水体富营养化, 改变浮游细菌氮代谢过程. COG基因和KO基因聚类呈现出不一致的结果, 西峡北的COG基因与其他样点差异明显.西峡北TN、NO3--N和TP质量浓度均较高, COG基因作为综合性的功能预测基因, 除了预测氮循环功能外, 还包括磷、碳和硫等物质的循环过程, 笔者推测乡镇土地利用方式, 增加了营养盐的输入(包括面源污染), 也改变了浮游细菌的群落功能.
4 结论老鹳河干流浮游细菌群落组成丰富, 汛期前浮游细菌多样性高于汛期后, 汛期前群落空间上的差异也大于汛期后, 表明汛期过后随着时间延长, 群落异质性增加.老鹳河流经乡镇或重点保护区域后浮游细菌多样性上升, 说明中度干扰有利于群落多样性提高; 以县城为代表的重度干扰则会提高蓝藻门优势地位, 降低浮游细菌多样性, 增加水体富营养化的风险.从影响群落构建的环境因子来看, 氮和磷是老鹳河调控浮游细菌多样性和水体富营养化的主要因子, 氮输入的变化会造成河流不同区域氮代谢功能的改变.
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