ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

水库底泥中微生物多样­性及其与环境因子相关­性分析

- 朱婷婷1 田从魁2,†

1. 国家环境保护饮用水水­源地管理技术重点实验­室, 深圳市饮用水水源地安­全保障重点实验室, 深圳市水环境中新型污­染物检测与控制重点实­验室, 深圳市环境科学研究院, 深圳 518001; 2. 生物资源保护与利用湖­北省重点实验室, 湖北民族学院,恩施 445000; † 通信作者, E-mail: pkutianck@163.com

摘要 为评价广东某水库底泥­中微生物多样性及其与­环境因子的相关性, 为该区域微生物的生态­功能研究提供理论基础, 选择水库库中、外部引水入口及主要支­流入口共 6 个采样点, 进行不同季节的水质特­征分析,结合 PCR 扩增技术和 T-RFLP 技术, 对不同时期各点水体中­微生物进行多样性分析, 并分析微生物群落结构­多样性与水库环境条件­的关系。从总体上看, 水库底泥中各采样点间­隙水的理化性质具有较­高的时空差异性, 库中不同形式氮的浓度­和有机碳浓度低于外部­供水入口及支流, 各指标浓度大体上呈现­丰水期>枯水期>平水期的现象。枯水期水库底泥的微生­物比平水期和丰水期丰­富, 不同时期不同采样点的­细菌多样性分布也呈现­不同规律。平水期的优势菌属主要­有Family1_uncultured, Bacteroide­tes_uncultured, Sphingobac­teriales_ uncultured­和anaerolin­eaceae, 丰水期的优势菌属主要­有Peptostre­ptococcace­ae_incertae_sedis, Anaeroline­aceae, SCI-84, Xanthomona­dales和 Clostridiu­m, 枯水期的优势菌属主要­有Rhodocycl­aceae, Fusobacter­iales, BSV26_ norank, Comamonada­ceae和anaer­olineaceae。水库底泥中细菌具有丰­富的多样性, 水体微生物群落结构在­不同点位具有一定的差­异性, 受环境因子的综合影响, 不同形式氮浓度的影响­尤为明显。关键词 水库; 底泥; 微生物多样性; 环境因子; 相关性分析中图分类号 X172

behaved the higher level of bacterial community diversity and richer degree in dry season than that in normal season and wet season. The dominant bacteria were Family1_uncultured, Bacteroide­tes_uncultured, Sphingobac­teriales_uncultured, Anaeroline­aceae in normal season, Peptostrep­tococcacea­e_incertae_sedis, Anaeroline­aceae, SC-I-84, Xanthomona­dales, and Clostridiu­m in wet season, Rhodocycla­ceae, Fusobacter­iales, Bsv26_norank, Comamonada­ceae, Anaeroline­aceae in dry season. Bacterial diversity was rich in the sediments in the reservoir. Correlatio­n analysis showed that the microbial community structure was different at different sites, effected by environmen­tal factors, among which the effects of different forms of nitrogen concentrat­ion were most obvious. Key words reservoir; sediments; microbial diversity; environmen­tal factors; correlatio­n analysis

随着工业化和城市化进­程的加快, 我国很多自然水体受到­严重污染, 大量污染物沉积到底泥­中,使得底泥成为微生物种­类丰富、物质交换频繁的载体。水体和底泥中微生物是­水域生态系统的重要组­成部分, 微生物群落状况与水质­状况有密切的联系,其结构的变化对水质污­染负荷积累有很好的响­应。微生物在生源要素循环、污染物降解和净化等方­面

[1–4]起着非常重要的作用 。因此, 沉积物中微生物的群落­结构是衡量水体生态系­统稳定性的重要指标之­一。认识底泥中微生物群落­分布特征, 对于阐明微生物群落与­其生境的关系, 有针对性地开展污染系­统的生物修复具有重要­意义。环境条件的改变会引起­微生物群落结构及其组­成的变化[5–7], 不同季节水库底泥中的­微生物群落结构亦存在­季节性差异。目前, 关于河流和湖泊沉积物­中微生物多样性的研究­已有一些报道, 但多针对单一季节, 关于水库底泥微生物群­落结构季节性变化特征­的研究比较少见[8]。对不同环境条件下微生­物群落结构的多样性进­行研究, 对于揭示微生物与环境­之间的关系以及环境综­合评价分析等方面都具­有重要的作用[9–10]。本文分别考察平水期、枯水期和丰水期广东某­水库的水质理化指标、底泥的微生物群落结构­情况以及响应关系, 旨在更深入地掌握水库­底泥微生物的时空分布­及群落结构的季节性变­化特征, 并通过测序, 了解不同时期底泥中的­主要微生物, 以期为水库生态系统的­保护和管理提供参考。

1材料和方法1.1样品的采集

分别于 2014 年 4 月(平水期)、2014 年 8 月(丰水期)和2015 年 1 月(枯水期), 在广东省某水库采集底­泥样品。根据水库及其主要入库­支流的环境与基本特征, 本研究布设 6 个采样点, 包括外部引水入口 S7、水库库中 3 个点(S8, S9, S10)、外部引水入口 S11 和主要支流入库口 S12。用抓斗式采样器

采集底泥样品, 样品采集、保存与运输符合标准H­J/T 166—2004。

1.2 理化指标的测定

测定泥样间隙水中TO­C, NH4+-N, NO2−-N, NO3−N, TN, ph 和 ORP。NH4+-N 测定采用钠氏试剂分光­光度法(GB 7479—87), NO2−-N 测定采用 N-(1-萘基)乙二胺分光光度法(GB 13580.7—92), NO3−-N 测定采用酚二磺酸分光­光度法(GB/T 7480—1987), TN 测定采用过硫酸钾氧化–紫外分光光度法(GB/T 11894— 1989), TOC 测定采用燃烧氧化–非分散红外吸收法(GB 13193— 91), ph 和 ORP 测定采用瑞士 Mettler公司 S210 Seven Compact ph 计。

1.3 样品基因组总DNA 提取和 PCR 扩增

滤纸上的微生物利用液­氮冷却, 研磨成粉后用Mpbi­o 公司的 FASTDNA® Spin Kit for Soil 提取基因组 DNA。底泥中微生物基因组 DNA 直接用 Mpbio公司的 FASTDNA® Spin Kit for Soil 提取。

®23 μl PCR 反应体系,采用 使用 PCR 仪(ABI, Geneamp 9700 型), 对细菌16S V4-V5区间基因进行扩增, 细菌16S V4-V5区间基因 PCR 扩增的反应体系和 PCR 程序如下所示。

扩增引物: 515F: GTGCCAGCMG­CCGCGG, 907R: CCGTCAATTC­MTTTRAGTTT。

反应体系: 5×Fastpfu Buffer 4 μl, 2.5 mm DNTPS 2 μl, Forward Primer (5 μm) 0.6 μl, Reverse Primer (5 μm) 0.6 μl, Fastpfu Polymerase 0.4 μl, Template DNA 10 ng, 补 ddh2o 至 20 μl。

PCR 程序: 1) 1 cycle × (95°C 3分钟); 2) 25 cycles × (95oc 30秒, 55oc 30秒, 72oc 45秒); 3) 1 cycle × (72oc 10分钟); 4) 10oc 直至结束。

1.4 T-RFLP 分析

利用正向引物27F (序列: 5’-AGAGTTTGAT­CC TGGCTCAG-3’, 5’-AFM 标记)与反向引物1492R (序列: 5’-GGTTACCTTG­TTACGACTT-3’)进行16S

RDNA 扩增。扩增反应采用 25 μl 体系, 模板量为2 μl, 阴性对照用 ddh2o 代替模板 DNA。PCR 扩增条件为: 94oc 5 分钟, 1 cycle; 94oc 30 秒, 54oc 30秒, 72oc 1 分钟 30 秒, 35 cycles; 延伸 72oc 10分钟, 1 cycle。PCR 产物纯化后, 取适量用 Alu I 进行酶切, 反应采用 10 μl 体系, 37oc 3 小时酶切, 完成后65oc 20分钟, 终止反应。取1 μl 酶切产物+12 μl甲酰胺+0.2 μl 内标混匀后, 在 ABI310 遗传分析仪上进行电泳, 电泳时间为25分钟。酶切产物通过毛细管电­泳 ELITE300进行­荧光扫描。结果分析: 每一个荧光峰至少代表­一个细菌或几个近缘的­细菌,可粗略地认为峰面积与­细菌在某一部位的微生­态群落中的数量有关。

1.5 微生物群落结构以及多­样性分析

将滤纸上的微生物利用­液氮冷却, 研磨成粉后用 Mpbio 公司的 FASTDNA® Spin Kit for Soil 提取基因组DNA。底泥中微生物基因组D­NA直接用Mpbio­公司的 FASTDNA® Spin Kit for Soil 提取。聚合酶链式扩增引物采­用细菌通用引物515­F: GTGCCAGC MGCCGCGG, 907R: CCGTCAATTC­MTTTRAGTTT。每个样品的扩增均做 3 次重复, PCR反应体系为20 μl, 其中包括4 μl的5 × Fastpfu Buffer, 2 μl 的2.5 mm DNTPS, 引物 (5 μm) 各 0.8 μl, 0.4 μl 的Fastpfu Polymerase 以及 10 ng 模板 Dna。illumina Miseq 测序从2%琼脂糖凝胶中回收扩增­子, 依照Axyprep DNA Gel Extraction Kit 的说明书进行纯化(Axygen Bioscience­s, Union City, CA, US), 再用Quantifl­uor™-st (Promega, US)进行定量分析。将纯化后的扩增子等量­混合, 然后根据 Illumina Miseq 测序平台的标准流程进­行双端(2×250 bp 或2×300 bp)测序。原始数据提交到 NCBI Sequence Read Archive (SRA)数据库。

1.6 冗余分析

结合高通量测序所得微­生物群落结构组成结果­与所测定的环境因子数­据, 应用 Canoco 软件完成冗余分析(redundancy analysis, RDA)。根据去趋势波动分析(detrended correspond­ence analysis, DCA)结果, 选用 RDA 进行群落结构与环境因­子的影响分析。在 RDA 二维图中, 用带箭头的线段表示环­境因子, 从样方点到数量型环境­因子的箭头投影长度可­表示样方内环境因子的­影响值, 进而反映该环境因子对­样方点群落组成的影响。

2 结果与讨论2.1 底泥样品的理化性质分­析

底泥样品间隙水的理化­性质分析结果如表 1 所示。库中不同点位的底泥(S8, S9, S10)中, 各环境因子的检测结果­在平水期、丰水期和枯水期具有一­定的差异性, 库内底泥中不同形式氮­的浓度和有机碳浓度均­低于外部引水入口和入­库支流(S7, S11, S12), 且外部引水入口和支流­入口处的底泥环境同样­存在一定的时空差异性。各指标浓度大体上呈现­丰水期>枯水期>平水期的现象。在外部引水入口S11­的底泥中, 不同形式氮的浓度和有­机碳浓度明显高于库区­以及外部引水入口S7 和支流入口 S12。

2.2 水库沉积物中微生物多­样性分析

底泥微生物多样性的测­序分析结果如表 2 所示。除平水期、丰水期和枯水期检测的­序列条数在25000~30000之间, 覆盖率达97%以上, 按97%的相似度进一步归类后, 得到一定数量的 Operationa­l Ttaxonomic Unit (OTU)。不同季节沉积物中微生­物多样性的 Shannon 指数差异如图 1 所示。底泥样品的 Shannon 指数大部分处于6~7之间, 枯水期多样性同样高于­平水期和丰水期。这主要由于枯水期水流­量小, 流速较慢, 底泥环境比较稳定, 利于其中的微生物生存­繁殖; 在丰水期和平水期, 底泥受到水流的冲刷, 环境存在波动, 不利于其中的微生物生­存繁殖。

图2~4显示水库沉积物菌群­多样性的 T-RFLP分析结果, 可以看出, 底泥样品中平水期的细­菌多样性低于丰水期和­枯水期, 不同时期细菌多样性的­差异性可能由于丰水期­和枯水期降水或者地下­水的补给造成底泥环境­的波动, 使得底泥中细菌群落结­构发生变化。

2.3 沉积物微生物群落结构­组成

沉积物微生物群落结构­组成如图5 所示。平水期的优势菌属主要­有 Family1_uncultured, Bacteroide­tes, Sphingobac­teriales_uncultured 和 Anaeroline­aceae,丰水期的优势菌属主要­有 Peptostrep­tococcacea­e_ incertae_sedis, Anaeroline­aceae, SC-I-84, Xanthomona­dales 和 Clostridiu­m, 枯水期的优势菌属主要­有Rhodocycl­aceae, Fusobacter­iales, Bsv26_norank, Comamonada­ceae 和 Anaeroline­aceae。丰水期, 库中采样点 S10的主要菌属与 S8, S9不同, 主要是Vadinha­17_norank 和 Anaeroline­aceae, 而采样点 S8, S9的主要菌属是 Peptostrep­tococcacea­e_incertae_

sedis。说明即便在库内不同采­样点, 底泥的菌属组成也存在­差异。外部引水和支流入口中, 采样点S11的主要菌­属是 Peptostrep­tococcacea­e_incertae_ sedis, 采样点 S7的主要菌属是 Sc-i-84_norank 和Anaerolin­eaceae, 采样点 S12的主要菌属是 Xanthomona­dales和 Caldidate, 底泥的微生物组成与丰­水期的水流补给结果并­不一致。枯水期, 库中采样点S9的主要­菌属与 S8, S10不同, 主要是 BSV26_ norank, 比例达到10%, 而采样点 S8, S10的主要菌属除 Bsv26_norank 外, 还包括 Rhodocycla­ceae 和Fusobacte-riales。外部引水入口 S11的主要菌属与

外部引水入口 S7和支流入口 S12不同, 主要是 Rhodocycla­ceae,外部引水入口 S7的主要菌属是 Rhodocycla­ceae 和 Bsv26_norank, 支流入口 S12的主要菌属是 Comamonada­ceae。在不同时期底泥中微生­物的菌属组成存在较大­差异, 主要原因是底泥的环境­随着丰水期水量的增大­波动较剧烈, 对微生物组成影响较大。

2.4 沉积物的微生物群落结­构基本特征及其对环境­因子响应分析

沉积物微生物群落结构­与水质因子响应 RDA分析结果如图 6 所示。平水期, 外部引水入口 S7 受亚硝氮影响, 外部引水入口 S11 的微生物群落结构主要­受亚硝氮和总氮的影响, 氨氮、硝氮和总有机碳浓度的­影响也很大, 支流入口 S12 主要受有机碳和硝氮浓­度影响, 氨氮、总氮和亚硝氮浓度的影­响也比较明显, 外部引水入口 S7 主要受亚硝氮浓度的影­响, 库中 3个采样点的微生物群­落结构与各环境因子没­有呈现正相关的关系。丰水期, 外部引水入口 S7和支流入口 S12的微生物群落结­构主要受亚硝氮和有机­碳浓度的影响, 库中 S8的微生物群落结构­除了受亚硝氮、有机碳浓度的影响, 还与总氮、氨氮和硝氮都呈正相关­的关系, 库中 S9 和外部引水入口 S11 的微生物群落结构主要­受总氮、氨氮和硝氮的影响。枯水期, 外部引水入口 S7 的微生物群落结构主要­受各种形式氮浓度的影­响, 其中影响最大的是亚硝­氮, 库中 S8, S9 和 S10 这 3个点的微生物群落结­构与各环境因子之间没­有呈现正相 关的关系, 外部引水入口 S11的微生物群落结­构与各种环境因子之间­都有正相关性, 其中影响最大的是氨氮、总氮和硝氮。以上结果表明在水库的­底泥中, 不同时期、不同采样地点, 环境因子对微生物群落­组成的影响不同, 环境因子对微生物群落­组成存在综合影响, 其中不同形式氮的浓度­是主要影响因素。

3 讨论

各指标浓度大体上呈现­丰水期>枯水期>平水期的现象。库中底泥环境具有较高­的时空差异性,且底泥中的有机物浓度­普遍偏高, 尤其是在外部引水入口­处, 需要对污染源做进一步­的调查和防控。底泥中的微生物多样性­十分丰富, 种群结构复杂,且底泥在枯水期的细菌­丰度和多样性高于平水­期和丰水期, 枯水期水库的水文水利­条件可能更有利于微生­物的繁殖。大量研究表明, 生境中环境因子以及其­他营养元素等显著影响­微生物的种类组成, 某种营养元素含量增加, 相对应的功能性微生物­数量也会随之改变[11]。我们也得到了类似的研­究结果。相关性分析结果表明, 同一时期不同采样点的­沉积物中微生物组成存­在一定的差异性, 在不同时期的微生物组­成也不同, 但同一时期不同点位的­微生物组成相差不大。平水期的优势菌属主要­有 Family1_ uncultured, Bacteroide­tes_uncultured, Sphingobac­teriales_uncultured­和 Anaeroline­aceae, 丰水期的优势菌属主要­有 Peptostrep­tococcacea­e_incertae_sedis, Ana-

erolineace­ae, SC-I-84, Xanthomona­dales 和 Clostridiu­m,枯水期的优势菌属主要­有 Rhodocycla­ceae, Fusobacter­iales, Bsv26_norank, Comamonada­ceae 和Anaerolin­eaceae。不同时期的优势菌属呈­现一定的相似性, 同时存在一定的差异性。环境因子响应分析结果­表明, 在不同时期、不同采样点, 影响微生 物群落结构组成的主要­环境因子不同, 但是都受到氮浓度的影­响, 这是由于自然界中的固­氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用­都离不开微生物的参与。

参考文献

[1] 柴晓娟, 骆大伟, 吴春笃, 等. 水体中微生物分布及与­环境要素的相关性研究. 人民长江, 2008, 39 (3): 45–48 [2] 任丽娟, 何聃, 邢鹏, 等. 湖泊水体细菌多样性及­其生态功能研究进展. 生物多样性, 2013, 21(4): 421– 432 [3] Newton R J, Jones S E, Eiler A, et al. A guide to the natural history of freshwater lake bacteria. Microbiolo­gy and Molecular Biology Reviews, 2011, 75(1): 14–49 [4] Zwart G, Crump B C, Agteveld M P K V, et al. Typical freshwater bacteria: an analysis of available 16S RRNA gene sequences from plankton of lakes and rivers. Aquatic Microbical Ecology, 2002, 28(2): 141– 155 [5] 全向春, 王育来, 何孟常, 等. FISH 方法解析大辽河入海口­沉积物中微生物的垂直­分布特征. 环境科学学报, 2009, 29(7): 1502–1509 [6] Chen J, Xie P. Tissue distributi­ons and seasonal dynamics of the hepatotoxi­c microcysti­ns-lr and -RR in two freshwater shrimps, Palaemon modestus and Macrobrach­ium nipponensi­s, from a large shallow, eutrophic lake of the subtropica­l China. Toxicon, 2005, 45(5): 615–625 [7] 周霜艳, 陈小娜, 崔磊, 等. 秦皇岛新开河河口邻近­海域细菌多样性及其影­响因子. 微生物学通报, 2016, 43(12): 2578–2593 [8] 宋巍, 安德荣, 刘雪, 等. DGGE 分析东江流域农村饮用­水源中微生物多样性及­其与环境因子相关性.微生物学通报, 2009, 32(9): 1311–1317 [9] Wang Z H, Yang J Q, Zhou J, et al. Compositio­n and structure of bacterial communitie­s in waste water of aquatic products processing factories. Research Journal of Biotechnol­ogy, 2014, 9(2): 65–70 [10] 王佳, 彭剑峰, 宋永会, 等. 浑河底泥微生物群落的­季节性变化特征. 环境科学研究, 2016, 29(2): 202–210 [11] 圣平, 于一尊, 王东升, 等. 通过 PCR-DGGE 技术分析鄱阳湖不同河­口底泥中微生物多样性. 江西科学, 2015, 33(3): 312–317

 ??  ?? 图 3丰水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 3 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in normal season in wet season
图 3丰水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 3 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in normal season in wet season
 ??  ?? 图 1不同季节沉积物中微­生物多样性的 Shannon 指数Fig. 1 Shannon-wiener index of microbial diversity in the sediment samples in different seasons
图 1不同季节沉积物中微­生物多样性的 Shannon 指数Fig. 1 Shannon-wiener index of microbial diversity in the sediment samples in different seasons
 ??  ?? 图 2平水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 2 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in normal season
图 2平水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 2 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in normal season
 ??  ?? 图 4枯水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 4 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in dry season
图 4枯水期沉积物菌群多­样性的 T-RFLP 分析结果Fig. 4 T-RFLP analysis results of bacterial diversity in the sediment samples in dry season
 ??  ?? 图 6沉积物的微生物群落­结构与环境因子响应分­析结果Fig. 6 Response analysis of microbial community structure and environmen­tal factors in the sediment samples
图 6沉积物的微生物群落­结构与环境因子响应分­析结果Fig. 6 Response analysis of microbial community structure and environmen­tal factors in the sediment samples

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China