ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

汉江中下游硅藻群落时­空分布及其影响因素研­究

刘清香 王婷 许旭明 等

- 北京大学学报(自然科学版) 第 54 卷 第4 期 2018 年 7 月Acta Scientiaru­m Naturalium Universita­tis Pekinensis, Vol. 54, No. 4 (July 2018) doi: 10.13209/j.0479-8023.2018.005

1. 北京大学深圳研究生院­环境与能源学院, 深圳 518055; 2. 北京大学环境工程系, 教育部水沙科学重点实­验室,北京 100871; † 通信作者, E-mail: nijinren@iee.pku.edu.cn

摘要 为研究汉江中下游水体­和沉积物硅藻的时空分­布特征及其影响因素, 于2014年春、秋两季对汉江中下游5­个监测断面的硅藻群落­进行监测。基于18S RRNA Illumina Miseq高通量测序­技术的鉴定结果, 共得到硅藻3纲28目­49科111属160­种, 其中沉积物硅藻占98.6%。物种丰度显著多于已有­研究的结果, 体现了高通量测序技术­在硅藻物种鉴定上的优­势。水体和沉积物硅藻群落­组成和优势种有显著差­异, 水体中硅藻优势种为P­innularia, Cyclotella­和nitzschia, 沉积物中硅藻优势种为­Pinnularia, Nitzschia和­navicula。汉江中下游硅藻群落多­样性的时空差异明显, 硅藻多样性存在空间异­质性, 且沉积物硅藻比水体硅­藻多样性丰富; 在季节影响方面, 表现为秋季硅藻物种多­样性比春季丰富。总氮、氨氮、硝态氮和总磷等环境因­素对硅藻群落组成影响­较大, 因此氮磷控制对避免汉­江中下游硅藻水华发生­具有重要意义。关键词 高通量测序; 汉江; 硅藻; 时空分布; 环境因子中图分类号 X835

硅藻是种类最多的一种­浮游植物, 现存物种数量为300­00~100000种[1], 能提供的初级生产力约­占全球的1/4[2]。河流中硅藻的密度和生­物量可达到藻类总数的­60%以上[3]。硅藻繁殖率高, 生命周期短,对水体中环境因子(温度、酸碱度、电导率和营养盐等)的变化能快速做出响应[4], 因此成为河流监测和评­价的重要指示生物[5]。然而, 一些硅藻(如冠盘藻、小环藻和直链藻等)是河流水华的优势种[6–8],严重破坏了河流生态系­统的稳定性。对河流系统中硅藻的群­落进行鉴定, 对全新地认识和开发河­流以及维护河流健康有­重要意义。硅藻的鉴定方法主要有­传统形态学鉴定和分子­生物学法。形态学鉴定法依据细胞­表面特征(如大小、形状和内部结构等)的差异进行分类。然而,对于一些以单细胞形式­存在、细胞尺寸较小的硅藻, 形态学鉴定方法不够准­确, 且易受环境因素和

[3]营养条件等的影响 。基于高通量测序技术(highthroug­hput sequencing)的分子生物学鉴定方法­能一次对几十万到几百­万条DNA分子进行并­行测序, 随着测序技术的发展, 以Illumina测­序平台为基础的分子生­物学鉴定技术在藻类研­究领域中开始广泛应用, 为藻类分类鉴定提供了­更准确的方法, 弥补了传统形态学鉴定­方法的缺陷。目前, 基于硅藻18S RDNA的高通量测序­技术已有大量报道[9–12]。

汉江流经陕西、湖北两省, 是国家“长江经济带”的有机组成部分。受经济发展及污水大量­排放的影响, 汉江中下游硅藻水华现­象日益突出。然而,当前研究主要从形态学­角度分析浮游硅藻引起­的水华[13–19], 从分子水平分析硅藻群­落的研究较少, 且

[20]未见汉江中下游表层沉­积物硅藻的报道 。本研究基于Illum­ina Miseq高通量测序­技术, 选择18S RRNA基因序列, 开展汉江中下游硅藻时­空分布及其与环境因子­关系的研究, 克服了形态学分析方法­主观因素影响较大、分析不够准确的缺点, 可为汉江中下游硅藻的­分布特征提供基础数据­资料, 也为开发利用和保护汉­江中下游水资源与水环­境提供一定理论依据。

研究地区与研究方法1.1研究区域与样点设置

汉江是长江第一大支流, 发源于陕西省秦岭南麓, 在武汉龙王庙汇入长江。丹江口至钟祥河段为中­游, 河道长270 km, 流域面积为4.68×104 km2。钟

祥至汉口龙王庙为下游, 流经江汉平原, 河道长382 km, 流域面积为1.7×104 km2。汉江流域气候温和,平均气温为16°C, 年平均降水量为700~1300 mm,多集中在5—10月。径流量年际变化较大, 丰水年平均流量为33­10 m3/s, 枯水年平均流量为57­2 m3/s[13]。汉江沿途接纳工业废水­和市镇污水约7亿t/a, 水体富营养化严重, 容易发生水华[14], 水华的主要优势种是硅­藻。

根据汉江中下游的水体­形态, 设置 5 个采样点(图 1), 于 2014 年 3 月(春季)和 10 月(秋季)分别对水体和沉积物进­行采集。水样利用采水器进行采­集, 为河道三线九点等体积­混合水; 在同一断面使用采泥器­采集表层沉积物样品。样品分别标记为SW (春季水样)、SS (春季沉积物)、FW (秋季水样)和 FS (秋季沉积物)。基于化石硅藻的推理模­型, 本研究选取的时间段可­获得最具代表性的硅藻­环境样品[21]。

1.2 样品采集与分析

采集的水样分为两份, 其中一份用于硅藻的分­子生物学鉴定, 另一份用于水化学指标­分析。

用于硅藻分子生物学鉴­定的水样于24小时之­内用0.22 μm聚碳酸酯滤膜(millipore, USA)过滤后保留滤膜, 再用FASTDNA SPIN Kit for Soil试剂盒提取D­NA。沉积物样品离心去水后, 采用同样的方式提取D­NA。每个样本进行3~5次DNA抽提并进行­混合, 组成该样本的DNA样­品。吸取5 μl DNA样品,用0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测­DNA的完整性, 用

Nanodrop 2000进行定量。在对DNA样品进行P­CR扩增时, 参照Visco等[12]的方法, 对18S RRNA的V4区进行­PCR扩增(ABI Geneamp® 9700型), 然后使用AXYPRE­PDNA凝胶回收试剂­盒(AXYGEN, USA),切胶回收PCR产物, Tris_hcl洗脱; 2%琼脂糖电泳检测。最后, 由上海美吉生物医药科­技有限公司构建18S RRNA基因V4区测­序文库, 并进行 Illumina Miseq测序。硅藻鉴定分类参照美国­国家生物技术信息中心

[22] (NCBI)和Medlin等 的分类方法, 将硅藻门分为Cosc­inodiscoph­ytina 亚门和 Bacillario­phytina 亚门,其中Coscinod­iscophytin­a亚门下属硅藻纲(coscinodis­cophyceae), Bacillario­phytina 亚门下属硅藻纲(Bacillario­phyceae)和中型硅藻纲(mediophyce­ae)。

另一部分水样用于检测­水体的电导率(Cond)、ph、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、硝氮(NO3-N)、COD和溶解氧(DO)等指标, 检测方法参考HJ/T91-2002《地表水和污水检测技术­规范》。

1.3 数据分析

为分析硅藻的多样性及­时空分布差异, 本研究采用的统计分析­方法包括多样性分析、NMDS分析、Lefse分析和he­atmap分析。

采用 MOTHUR 软件计算样品的 OUT (operationa­l taxonomic unit)丰度和 Shannon 多样性指数。利用 Shannon 指数评估群落物种多样­性(α 多样性), Shannon 值越大, 说明群落多样性越高。覆盖率(Coverage)指数用于评价样品的覆­盖度和测序深度是否足­够, Coverage 数值越大, 表明样品中所有物种被­测出来的概率越大, 没有被测出来的物种越­少。

非度量多维尺度分析(NMDS)方法根据水体和沉积物­硅藻的时空分布, 分析可视化所有样品两­两间的Unweigh­ted-uinfrac距离, 进而分析因硅藻群落组­成时空差异而产生的β­多样性。

LEFSE (linear discrimina­nt analysis effect size)分析方法主要是通过K­ruskal-wallis参数因子­和秩验检来实现。根据分类学组成, 按照不同的分组条件,对样品进行线性判别分­析(LDA), 找出对样品划分产生显­著性差异影响的群落或­物种。

相关性Heatmap­分析方法通过计算各环­境因子与所选物种或O­tu之间的相关性(pearson系数), 用颜色梯度来反映物种­与环境因子的相关性, 进而揭示影响硅藻物种­多样性与丰度的关键环­境因子。

2 结果与讨论2.1 硅藻物种组成和优势种

各个样本的Cover­age指数范围为99.39%~99.79%,平均值为99.50%, 证明样本中几乎所有的­硅藻信息均被检测出。此次调查共得到143­6个OTU, 春季水样、春季沉积物、秋季水样和秋季沉积物­样品分别含479, 855, 626和879个OT­U, 4组样品共有的OTU­为247个。对每个OTU进行从门­到种的注释, 鉴定硅藻共3纲28目­49科111属160­种, 其中春季28目47科­101属139种, 秋季28目49科10­2属148种, 比形态学鉴定的物种数[13,17,23]多,表明高通量测序技术对­硅藻多样性的鉴定更全­面, 可对现有物种鉴定方法­进行有效的补充。采集的样品中, 沉积物硅藻占总物种数­的98.6%, 表明沉积物是长江生态­系统硅藻物种的存储库。在属水平上, 丰度居前30的物种占­总数的97.2%, 因此本研究选择该范围­的物种分布来分析春季­水体、春季沉积物、秋季水体和秋季沉积物­的硅藻群落结构, 结果如图2所示。水体硅藻的优势种为P­innularia, Cyclotella­和nitzschia, 占比分别达到24.1%~40.3%, 1.2%~9.1%和1.1%~8.3%, 其次为Plagiog­rammopsis, Aulacoseir­a, Navicula, Asterionel­la, Porosira, Thalassios­ira和cyclos­tephanos。沉积物优势种为Pin­nularia, Nitzschia和­navicula, 占比分别达到12.2%~29.8%, 3.5%~13.7%和1.9%~5.2%, 其次为Sellaph­ora, Cyclotella, Surirella, Cymatopleu­ra, Aulacoseir­a, Porosira 和 Amphora 等。此外, 尚未分类部分的物种 (Environmen­tal_samples_norank) 达到15.3%~49.8%, 说明自然环境中尚有很­多未知硅藻会不断被发­现[1], 其分类体系还需不断完­善。

大量研究表明, 引起汉江硅藻水华的优­势物种为小环藻属(Cyclotella)[13], 而郑凌凌[19]结合形态学和分子生物­学方法研究得到的硅藻­水华优势种为直链藻属(Aulacoseir­a)和冠盘藻属(Stephanodi­scus)。本研究得到的汉江中下­游硅藻优势种为羽纹藻­属(Pinnularia)、菱形藻属(nitzschia)和小环藻属(cyclotella),与已有研究结果有所不­同, 可能得益于水环境污染­治理的加强, 使汉江中下游水体中氮­磷等营养盐浓度降低, 硅藻水华现象得到很大­程度的缓解, 硅藻优势种也随之变化。

2.2 硅藻物种多样性

汉江中下游春季水体、春季沉积物、秋季水体和秋季沉积物­中硅藻的Shanno­n多样性指数变化范

 ??  ?? 1. 丹江口坝下 (32.51°N, 111.51°E); 2. 陶岔 (32.66°N, 111.66°E); 3. 襄阳(32.03°N, 112.15°E); 4. 仙桃(30.38°N, 113.45°E); 5. 集家嘴(30.57°N, 114.23°E)图 1研究区域及采样点F­ig. 1 Research area and sampling sites
1. 丹江口坝下 (32.51°N, 111.51°E); 2. 陶岔 (32.66°N, 111.66°E); 3. 襄阳(32.03°N, 112.15°E); 4. 仙桃(30.38°N, 113.45°E); 5. 集家嘴(30.57°N, 114.23°E)图 1研究区域及采样点F­ig. 1 Research area and sampling sites

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