劉 睿,周孝德

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水沙環(huán)境變化對季節(jié)性多沙河流沉積物菌群特征的影響

劉 睿,周孝德*

(西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710048)

為辨析沉積物粒度特征、氮磷含量及上覆水水質(zhì)3類環(huán)境因子,對季節(jié)性多泥沙河流沉積物細(xì)菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)特征變化的影響,采用T-RFLP技術(shù)分析了不同水文時(shí)期渭河(陜西段)流域沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化特征,并通過冗余分析和蒙特卡羅檢驗(yàn)識別了不同時(shí)期的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子.結(jié)果表明,不同水文時(shí)期渭河水沙環(huán)境差異顯著.豐水期沉積物TN含量升高了1~2個(gè)數(shù)量級,且空間差異明顯減小(RSD=17%).沉積物中的氮磷比受上覆水氮磷比影響較大,兩者之間在豐水期呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系(0.687,P=0.6).渭河干流沉積物細(xì)菌群落Shannon多樣性指數(shù)在2.02~3.18之間,不同時(shí)期的沿程變化特征各異.相對平水期和枯水期,豐水期渭河沉積物細(xì)菌多樣性的空間差異最大(RSD=37.4%),不同點(diǎn)位優(yōu)勢群落結(jié)構(gòu)組成的Bray-Curtis相似度最低(17.4%).PAT比對表明優(yōu)勢細(xì)菌大多歸屬于變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes).沉積物氮磷含量對細(xì)菌群落變化的影響,在平水期和枯水期較為直接.上覆水水質(zhì)對不同水文時(shí)期沉積物菌群變化解釋度的貢獻(xiàn)占比超過60%,對豐水期沉積物微生物環(huán)境的影響尤其顯著.

渭河；沉積物；細(xì)菌群落；T-RFLP

沉積物是河流水生態(tài)環(huán)境的重要組成部分.其間以細(xì)菌為主的微生物,是河流底部生物地球化學(xué)過程的重要參與者[1-3].在不同的水力條件和理化狀態(tài)下,河流底部沉積物與上覆水進(jìn)行著不同程度的化學(xué)物質(zhì)[4-5]與生物信息[6]交換,從而持續(xù)影響和塑造著河床沉積物的微生物生態(tài)環(huán)境.

對于季節(jié)性多泥沙河流,不同水文時(shí)期的河道水力特征、泥沙行為與顆粒特性迥異,影響沉積物微生物群落的環(huán)境因子更為復(fù)雜.基于分子微生物技術(shù),國內(nèi)外學(xué)者對全球不同區(qū)域的地表水體沉積物中,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的垂向和水平分布及季節(jié)變化特征進(jìn)行了大量研究[7-9],并分析了沉積物化學(xué)特性,如有機(jī)物[10]、氮[11]、磷[12-13]、重金屬[14-15]、pH值[8]、土質(zhì)類型[16]等對細(xì)菌群落的影響.但相關(guān)研究對水文及泥沙含量時(shí)空差異顯著的季節(jié)性多沙河流關(guān)注較少,此類河流的沉積物化學(xué)性質(zhì)、粒度特征及上覆水水質(zhì)同沉積物細(xì)菌群落特征的相關(guān)關(guān)系,以及上述各類環(huán)境因子對細(xì)菌群落變化影響程度的相對大小尚未明晰.

本文以我國西北地區(qū)典型季節(jié)性多泥沙河流——渭河為例,采用末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)(T-RFLP),分析了渭河干流及南北兩典型支流的沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的時(shí)空變化特征,結(jié)合限制性排序分析,探究了不同水文時(shí)期影響群落的關(guān)鍵環(huán)境因子的差異,比較了沉積物氮磷、沉積物粒度特征、上覆水水質(zhì)三類環(huán)境因子對細(xì)菌群落變化的貢獻(xiàn)量,旨在為同類河流水生態(tài)環(huán)境相關(guān)研究和管理保護(hù)提供參考和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與采樣方法

陜西渭河流域地處半干旱半濕潤地區(qū),冬季干燥寒冷,夏季炎熱多雨,不同季節(jié)水沙變化懸殊,年徑流量的56%~70%和輸沙量的60%~ 90%集中在汛期7~10月[17-18].渭河南北支流的水沙特征迥異,其南岸秦嶺北麓是黃河中下游重要的洪水來源區(qū),北岸黃土高原則為黃河流域的主要產(chǎn)沙區(qū)[19].考慮到渭河陜西段沿程環(huán)境變化及兩岸支流水沙特征差異,本研究選取的渭河(陜西段)流域,涵蓋了渭河中游(寶雞峽至咸陽鐵橋)和下游(咸陽鐵橋至潼關(guān)入黃口)干流,以及黑河(南)與涇河(北)兩條重要支流.渭河干流采樣點(diǎn)W1~W3屬中游河段,分別處于寶雞、咸陽武功、咸陽興平行政區(qū);W4~W6屬下游河段,其中W4、W5處于西安市、W6處于潼關(guān)行政區(qū).W2與W4分別位于黑河與涇河匯入之前的干流河段,W3與W5分別位于黑河與涇河入?yún)R之后的干流河段.具體采樣點(diǎn)位置如圖1所示.

圖1 采樣點(diǎn)地理位置

河流表層沉積物樣本(約0~10cm)使用彼得遜抓泥斗于河流斷面中心10m范圍內(nèi)采集,每個(gè)斷面采集3~5次,分裝于500mL無菌廣口聚乙烯瓶.采集沉積物之前,用有機(jī)玻璃采水器在沉積物采集點(diǎn)上方采集水樣3L用于水質(zhì)檢測.沉積物和水樣經(jīng)冰上運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室4℃保存,并盡快進(jìn)行后續(xù)分析.

1.2 環(huán)境理化指標(biāo)分析方法

充分冷凍干燥的沉積物樣本,經(jīng)混勻、研磨、過篩后,采用Foss8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測定總氮(TN)含量,采用瑞典FI515流動(dòng)注射分析儀測定氨氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量,采用HClO4-H2SO4消煮、鉬銻抗比色法測定全磷(TP)含量,并通過Mastersizer 2000激光粒度儀測定凍干沉積物的顆粒粒度分布.水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)及分析方法與之前對渭河浮游菌群的研究相同[20].

1.3 T-RFLP實(shí)驗(yàn)方法

沉積物樣本中的總DNA使用PowerSoil ? DNA Isolation Kit(Mo Bio)提取.選擇5'端帶FAM熒光標(biāo)記的細(xì)菌通用引物27F(5'-GAGTTT- GATCMTGGCTCAG-3')/1492R(5'-GGTTACC- TTGTTACGACTT-3')進(jìn)行PCR擴(kuò)增.擴(kuò)增體系和反應(yīng)條件采用之前土壤和地表水相似研究中的方法[21-22].擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)純化(TIANquick Mini Purification Kit)后,采用限制性內(nèi)切酶HhaⅠ(TaKaRa)酶切2h,70℃滅活15min送檢.

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

將T-RFLP峰譜圖掃圖結(jié)果中50~500bp的片段作為有效片段[22].使用PRIMER 5.0統(tǒng)計(jì)各樣本中細(xì)菌群落的物種豐度(),均勻度()和Shannon多樣性(),并計(jì)算樣本群落間Bray- Curtis相似度,完成群落聚類分析.通過在線比對工具Phylogenetic Assignment Tool(PAT) (http: //mica.ibest.uidaho.edu/pat.php),識別不同片段代表的細(xì)菌類群[23].采用Canoco 4.5對細(xì)菌群落限制性片段(T-RF)相對豐度>0.05的部分進(jìn)行去趨勢分析(DCA)[24],結(jié)果表明各季節(jié)優(yōu)勢細(xì)菌群落數(shù)據(jù)均適合冗余分析(RDA).最后通過手動(dòng)選擇,在候選指標(biāo)中依次選出不存在共線性的環(huán)境因子[25],并對各個(gè)入選指標(biāo)和最終排序結(jié)果進(jìn)行蒙特卡羅檢驗(yàn).

2. 結(jié)果與討論

2.1 沉積物粒度特征、氮磷含量及上覆水水質(zhì)

渭河各樣點(diǎn)沉積物顆粒粒度特征指標(biāo)如表1所示,其中粒度多樣性(PSD)通過Shannon多樣性指數(shù)公式計(jì)算得出[26].西安樣點(diǎn)(W4)沉積物同其它樣點(diǎn)相比,中位粒徑明顯偏大.這同宋進(jìn)喜等[27]2011年在相近河段的采樣分析結(jié)果相一致.除W4樣點(diǎn)外,非汛期渭河流域沉積物中值粒徑(D50)均值為33.1μm,沉積物構(gòu)成以中粉砂和細(xì)粉砂為主[28].由于降水較少,枯水期采集到的沉積物粒度構(gòu)成通?？梢苑€(wěn)定較長時(shí)間(6~7個(gè)月)[29].對比豐枯兩季各樣點(diǎn)的粒度分布差異,可以看出豐水期雨洪對渭河陜西段沉積物的影響存在明顯的分段特征.結(jié)合豐水期W1樣點(diǎn)上覆水中極高的顆粒物濃度(TSS=16.33g/L)可以看出,上游雨洪攜帶著大量泥沙.這些上游來沙使寶雞峽下游W1樣點(diǎn)沉積物中的細(xì)顆粒和粒度多樣性顯著增加,體積平均粒徑顯著減小.進(jìn)入中游(寶雞峽-咸陽鐵橋)寬淺河段后,河流中的泥沙逐步沉積(同期上覆水TSS經(jīng)此河段降低83%),使相應(yīng)樣點(diǎn)(W2和W3)沉積物的體積平均粒徑和中位粒徑明顯增大.進(jìn)入渭河下游蜿蜒河段后,顆粒進(jìn)一步淤積,相應(yīng)樣點(diǎn)(W5和W6)沉積物的比表面積減小,顆粒平均粒徑變化程度降低.

豐水期渭河流域沉積物TN含量較平、枯兩季提升了1~2個(gè)數(shù)量級,氮磷比(N/P)也顯著增加(表2).同時(shí),流域內(nèi)各樣點(diǎn)沉積物TN與N/P的空間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,在平、枯兩季均高于88%,而在豐水期顯著減小至17%和48%.結(jié)合對沉積物粒度特征沿程變化的分析可以看出,豐水期上游泥沙在渭河陜西段的沿程沉積過程,顯著改變了沉積物的化學(xué)性質(zhì),使流域沉積物趨于均質(zhì)化.渭河干流與涇河樣點(diǎn)沉積物TP含量的最低值出現(xiàn)在枯水期,且此時(shí)的空間異質(zhì)性(RSD=65%)較其它時(shí)期更高.上覆水的實(shí)測結(jié)果顯示,枯水期各樣點(diǎn)水體TP含量與平水期相近,而溶解態(tài)總磷(DTP)較平水期平均增加了一倍.冬季水生動(dòng)植物殘?bào)w礦化可能引發(fā)沉積物氧化還原條件改變[30],從而導(dǎo)致沉積物發(fā)生磷解吸,使含磷量降低.

表1 豐枯兩季各樣點(diǎn)沉積物顆粒粒度特征

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明,豐水期沉積物粒度特征與TP含量存在顯著相關(guān)關(guān)系.顆粒比表面積()與TP含量顯著負(fù)相關(guān)(-0.844,= 0.008),中值粒徑(D50)與TP含量顯著正相關(guān)(0.867,=0.005).沉積物氮磷比與上覆水氮磷比之間,僅在豐水期存在中度正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.687),但顯著性水平不高(=0.6).

表2 沉積物氮磷及上覆水水質(zhì)特征

注:Temp-溫度,SpCond-電導(dǎo)率,Sal-鹽度,TrubSC-濁度,PCY-藻細(xì)胞,RSD-相對標(biāo)準(zhǔn)偏差.

2.2 沉積物細(xì)菌群落多樣性的時(shí)空分布

三季24個(gè)沉積物樣點(diǎn)共檢出限制性片段(T-RF)97條.渭河中下游流域沉積物細(xì)菌物種豐度的空間差異大于群落均勻度和多樣性,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)呈現(xiàn)豐水期>枯水期>平水期的關(guān)系(表3).枯水期渭河干流物種豐度(21)和多樣性(2.73)最高,豐水期最低.這與東平湖沉積物細(xì)菌多樣性特征的季節(jié)變化規(guī)律一致[31].平水期支流與干流的物種數(shù)、均勻度和多樣性最為接近;枯水期和豐水期的物種數(shù)和多樣性均表現(xiàn)為黑河高于干流,涇河低于干流的關(guān)系.整體來看,黑河樣點(diǎn)沉積物細(xì)菌多樣性較高,穩(wěn)定在2.8以上,而涇河樣點(diǎn)沉積物細(xì)菌多樣性季節(jié)波動(dòng)劇烈,不同時(shí)期的多樣性均值為1.75.作為渭河南、北兩岸支流的代表,黑河流域土地以林地和農(nóng)田為主,河流含沙量小、有機(jī)污染少、水質(zhì)狀況較好[32-33];而涇河流經(jīng)黃土高原地區(qū),含沙量大,并接受大量的城市污水和工業(yè)廢水,水質(zhì)較差[34-35].黑河與涇河沉積物微生物多樣性的差異,與水文特征與流域污染狀況相對應(yīng),體現(xiàn)了渭河南北兩岸支流迥異的水生態(tài)環(huán)境.

不同時(shí)期渭河干流和的沿程變化趨勢相似,物種數(shù)較高的點(diǎn)位,多樣性也較高.平水期渭河干流沉積物細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù)變化范圍在2.37~2.82之間(圖2).中游河段(W1~W3)多樣性穩(wěn)定而略有增加,經(jīng)西安臨潼河段(W4、W5)多樣性下降到最低值后,至下游潼關(guān)W6樣點(diǎn)恢復(fù)至中游水平.枯水期渭河干流沉積物細(xì)菌多樣性自上游至下游逐步減小(2.12~3.18),豐水期則沿程表現(xiàn)出較大的上下波動(dòng)(2.02~2.89).渭河干流沉積物氮、磷含量在豐水期趨于空間均質(zhì)化,但細(xì)菌群落多樣性卻表現(xiàn)出高于其它時(shí)期的空間差異(RSD=37.4%).這些均表明了水沙特征變化劇烈的季節(jié)性河流中,沉積物細(xì)菌群落變化驅(qū)動(dòng)因子的復(fù)雜性.

圖2 不同水文時(shí)期沉積物細(xì)菌群落Shannon多樣性指數(shù)沿程變化趨勢

Fig.2 Shannon index variation of sediment bacterial communities along Weihe River

表3 河流域沉積物細(xì)菌群落多樣性統(tǒng)計(jì)

2.3 優(yōu)勢細(xì)菌群落構(gòu)成及聚類分析

將各樣點(diǎn)中相對豐度高于5%的所有T-RFs集合視為優(yōu)勢細(xì)菌群落,以不同顏色表示優(yōu)勢T-RF在樣點(diǎn)中的相對豐度,并計(jì)算各樣點(diǎn)Bray-Curtis相似度,對細(xì)菌群落進(jìn)行聚類分析,得到的結(jié)果如圖3所示.平水期、枯水期和豐水期流域內(nèi)各樣點(diǎn)檢測出的優(yōu)勢T-RF種類分別為26、21和31種.豐水期沉積物中的優(yōu)勢細(xì)菌種類最豐富,細(xì)菌群落組成的空間相似度最低(17.4%);枯水期沉積物優(yōu)勢菌種最少,菌群結(jié)構(gòu)的空間相似度最高(35.8%).

優(yōu)勢片段202bp和204bp出現(xiàn)在枯水期除涇河(J)外的所有樣點(diǎn)中,相對豐度分別達(dá)到6.0%~28.1%和4.8%~14.0%,是枯水期渭河中下游沉積物普遍存在的優(yōu)勢細(xì)菌類群.經(jīng)PAT比對,202bp和204bp T-RF通常來自β-變形菌綱中的菌群,前者多歸屬于纖毛菌屬(sp.),后者可能涉及叢毛單胞菌屬(sp.)、食酸菌屬(sp.)、代爾夫特菌屬(sp.)等.87bp和99bp出現(xiàn)在枯水期超過50%的樣本中,其中99bp在下游樣點(diǎn)(W5和W6)中的豐度達(dá)到26%以上,是枯水期渭河下游河段的關(guān)鍵優(yōu)勢菌種.經(jīng)比對,87bp T-RF指示的菌群極可能為擬桿菌門黃桿菌屬中的噬冷黃桿菌().99bp T-RF則可能來自ε-變形菌綱(-)中的彎曲菌屬(sp.)、沃林氏菌屬(sp.)、螺桿菌屬(sp.),γ-變形菌綱(Proteobacteria)中的硫微螺菌屬(sp.)、假單胞菌屬(sp.)、曼氏桿菌屬(sp.),以及擬桿菌門中的擬桿菌屬(sp.)、列文虎克菌屬(sp.)和黃桿菌屬(sp.)等.

57、58、63、77、93bp是不同季節(jié)都有檢出的優(yōu)勢片段.其中57bp和63bp經(jīng)常出現(xiàn)在渭河中游(W1、W2)與黑河(H)樣點(diǎn),93bp則檢出于不同季節(jié)的兩支流和咸陽(W3)、西安(W4)樣點(diǎn).在比對結(jié)果中,58bp T-RF指示的菌群常見于土壤、沉積物及白蟻和蚯蚓消化道,從屬于δ-變形菌綱(δ)和α-變形菌綱(α).77bp T-RF指示的菌群多鑒定為放線菌門下的節(jié)細(xì)菌屬(sp.)和微顫菌屬(sp.).93bp T-RF廣泛分布在深海、湖泊、污水處理系統(tǒng)等不同類型的環(huán)境中,菌群主要涉及ε-變形菌綱中的螺桿菌屬(sp.),δ-變形菌綱中的暗桿菌屬(sp.)、地桿菌屬(sp.),α-變形菌綱的鞘脂單胞菌屬(sp.)和sp.菌屬,以及擬桿菌門中的黃桿菌屬、地桿菌屬和噬纖維菌屬(sp.)等.

圖3 沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落T-RF構(gòu)成及聚類關(guān)系(N-平水期,D-枯水期,W-豐水期)

51bp和52bp幾乎僅在涇河樣點(diǎn)中出現(xiàn),且在涇河沉積物細(xì)菌群落中的相對豐度均超過70%,是該樣點(diǎn)的絕對優(yōu)勢菌群.它們曾經(jīng)被檢出于厭氧膜生物反應(yīng)器[36]和濕地香蒲根際環(huán)境[37]中,可能指示了對污染物降解具有積極意義的菌群.

統(tǒng)計(jì)不同樣點(diǎn)和不同時(shí)期的群落相似度均值(表4),結(jié)果表明W1、W3和H樣點(diǎn)在不同季節(jié)的Bray-Curtis相似度最高(均>35%),沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定.涇河樣點(diǎn)相似度均值最低(僅5.8%),沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)差異最大.不同時(shí)期流域內(nèi)各樣點(diǎn)優(yōu)勢菌群相似度均值的大小關(guān)系為:枯水期>平水期>豐水期,表明豐水期水沙過程增大了沉積物優(yōu)勢群落結(jié)構(gòu)在流域內(nèi)的空間差異,對河流沉積物微生物生態(tài)過程具有重要影響.

表4 Bray-Curtis相似度均值(%)

2.4 不同水文時(shí)期關(guān)鍵環(huán)境因子的識別

在沉積物氮磷指標(biāo)(TNs、TPs、N/Ps)的基礎(chǔ)上,依次加入沉積物顆粒粒度特征指標(biāo)(,[4,3],D[3,2],d10,d50,d90,PSD)和上覆水水質(zhì)指標(biāo)(TSS、IMn、CODCr、TN、TP、TOC、DIMn、DCODCr、NO2-N、NO3--N、NH4+-N、DTN、DTP、C/N、C/P、N/P、溶解性碳氮比DC/N、溶解性碳磷比DC/P、溶解性氮磷比DN/P、Temp、pH值、SpCond、Sal、DO、CHL、PCY)作為解釋變量,參與CCA或RDA分析,得出各類指標(biāo)對不同水文時(shí)期渭河流域沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落構(gòu)成(優(yōu)勢T-RFs)及群落多樣性指數(shù)(、、)變化的解釋程度(表5).從結(jié)果中可以看出,僅通過沉積物氮磷指標(biāo),對枯水期優(yōu)勢菌群結(jié)構(gòu)變化的解釋度可以達(dá)到74.3%;但對平水期和豐水期優(yōu)勢菌群變化的解釋度在50%以下,且分析結(jié)果未能通過蒙特卡羅檢驗(yàn)(>0.05).由于枯水期渭河流量與流速較低,河流上覆水與沉積物的物質(zhì)能量交互減弱,沉積物微生物群落變化主要受沉積物自身性質(zhì)影響.而在平水期和豐水期,渭河水量和含沙量增大,河道內(nèi)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化行為多樣而活躍,影響沉積物細(xì)菌群落變化的環(huán)境因素更加復(fù)雜.考慮沉積物顆粒特性的影響后,環(huán)境因子對沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落變化的解釋度均超過50%;進(jìn)一步加入上覆水指標(biāo)后,解釋度可以達(dá)到86%以上,同時(shí),排序結(jié)果的顯著性水平也明顯提高.這一結(jié)果表明,對于季節(jié)性多泥沙河流,除過沉積物氮磷等化學(xué)特性之外,顆粒粒度與上覆水水質(zhì)也在很大程度上影響著沉積物的細(xì)菌群落變化.

將標(biāo)準(zhǔn)化后的沉積物細(xì)菌群落多樣性指標(biāo)與優(yōu)勢T-RF相對豐度數(shù)據(jù)放入同一個(gè)排序空間,從全部環(huán)境指標(biāo)中手動(dòng)選擇共同解釋度最高,且不存在共線性關(guān)系的最優(yōu)解釋因子組合,結(jié)果如圖4所示.平水期沉積物總磷(TPs)、氮磷比(N/P s)與上覆水COD、溶解態(tài)硝酸鹽氮(NO3--N)、溫度(Temp)和pH值對沉積物群落特征變化的共同解釋度為96.2% (=0.018).pH值和N/P s對物種變化的單獨(dú)解釋度最高,分別為27%(=0.032)和22.5%(=0.030).且pH在平水期與沉積物細(xì)菌群落均勻度顯著正相關(guān)(0.775,=0.024).氮磷作為構(gòu)成生物體的重要生源物質(zhì),在不同類型地表水的沉積物中,往往是與細(xì)菌群落分布和多樣性高低相關(guān)性最強(qiáng)的環(huán)境因子[11-13].而對夏季太湖不同植物類型湖區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)[8],pH值是除有機(jī)物含量外,對沉積物細(xì)菌群落變化影響最顯著的指標(biāo).酸堿度一方面可能反映離子和金屬等其它環(huán)境因子的變化狀態(tài),另一方面也可以直接對細(xì)菌的新陳代謝過程產(chǎn)生影響[38-39].此外,從各樣點(diǎn)在RDA排序圖上的分布和距離可以看出,平水期渭河中游(W1、W2、W3)沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性狀態(tài)較為相似,而同下游(W4、W5、W6)各樣點(diǎn)存在明顯差異.

枯水期沉積物總氮(TNs)、總磷(TPs)、體積平均粒徑([4,3]),及上覆水溶解性硝酸鹽氮(NO3--N)、溶解性碳氮比(DC/N)和葉綠素a(Chl a)構(gòu)成的排序空間對沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落變化解釋度為97.0%(=0.01).其中,DC/N和Chl a的單獨(dú)解釋度分別為42.2%(=0.062)和29.0%(=0.008).DC/N與沉積物細(xì)菌群落物種豐度(-0.755,=0.03)均勻度(-0.853,=0.007)和多樣性指數(shù)(-0.827,=0.011)均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系.上覆水NO3--N與99bp的相對豐度顯著負(fù)相關(guān)(-0.960,=0.04),Chl a與58bp的相對豐度顯著負(fù)相關(guān)(-0.998,=0.039).渭河流域枯水期實(shí)測水體Chl a平均濃度僅為平水期的五分之一.冬季藻類的消亡可以使氮素重新沉降,刺激表層沉積物中的細(xì)菌生長,增加氮循環(huán)相關(guān)細(xì)菌群落的多樣性,但對具體菌種相對豐度的影響不一[40-41].沉積物體積平均粒徑對細(xì)菌群落變化的解釋程度,超過TNs和TPs排在環(huán)境因子中的第三位,表明枯水期沉積物粒度特征對渭河流域沉積物生態(tài)環(huán)境的重要性.在對海洋環(huán)境的研究中,也注意到了粒度特征帶來的影響,認(rèn)為沙質(zhì)和泥質(zhì)沉積物上的物理化學(xué)過程不盡相同[14,42],而顆粒的大小決定著細(xì)菌附著程度和攜氧能力[16],從而導(dǎo)致了微生物群落的差異.排序空間中,渭河干流及黑河樣點(diǎn)主要沿第二排序軸表現(xiàn)出梯度變化,且?guī)缀醢囱爻添樞蜃韵露吓挪?表現(xiàn)出枯水期河流沉積物理化及微生物生態(tài)變化的空間連續(xù)性.

表5 不同環(huán)境變量對優(yōu)勢群落構(gòu)成和群落多樣性指數(shù)的解釋度

注:P1為第一排序軸蒙特卡羅檢驗(yàn)結(jié)果,P2為整個(gè)排序空間的檢驗(yàn)結(jié)果.通過手動(dòng)選擇獲得共同解釋度最高,且不存在共線性關(guān)系的最優(yōu)解釋因子組合,入選指標(biāo)依解釋度由高到低排序.

豐水期入選的環(huán)境因子全部為上覆水水質(zhì)指標(biāo),未過濾水樣碳磷比(C/P)、COD、藻細(xì)胞數(shù)(PCY)、溶解性氨氮(NH4+-N)和溶解性碳氮比(DC/N)共同解釋了94.6% (=0.064)的沉積物細(xì)菌群落變化.其中,DC/N和NH4+-N是單獨(dú)解釋度最高的指標(biāo),分別解釋了38.0%(=0.132)和18.1%(=0.180)的沉積物物種變化,但未能達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性.上覆水溶解性碳氮比與沉積物細(xì)菌群落均勻度和多樣性指數(shù)顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.881(=0.009)和-0.854 (=0.015).對渭河不同季節(jié)的實(shí)測研究發(fā)現(xiàn)[43],夏季沉積物和間隙水中的氮磷含量,同河流補(bǔ)給地下水的交換通量正相關(guān),即河流上覆水中的氮磷在這一時(shí)期向沉積物發(fā)生了遷移.豐水期渭河河道內(nèi)垂向的物質(zhì)遷移過程(河流補(bǔ)給地下水和泥沙沉積),增強(qiáng)了水質(zhì)對沉積物細(xì)菌群落的影響.與枯水期相似,豐水期除涇河樣點(diǎn)外的其它各樣點(diǎn)依然沿第二軸分布,但分布順序與空間位置并不存在對應(yīng)關(guān)系.渭河中游流域樣點(diǎn)(W1、W2、W3、H)的環(huán)境及物種狀況相對接近,而西安段樣點(diǎn)(W4、W5、J)之間的環(huán)境和微生物狀態(tài)差異顯著.

圖4 不同水文時(shí)期沉積物細(xì)菌群落空間變化與環(huán)境因子的RDA分析

圖5 不同時(shí)期各類環(huán)境因子對解釋沉積物細(xì)菌群落變化的貢獻(xiàn)程度

不同水文時(shí)期的冗余分析結(jié)果表明,渭河沉積物細(xì)菌群落的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子,存在季節(jié)性變化又具有一定的共性(圖5).沉積物氮磷指標(biāo)TPs、TNs或N/Ps,是平水期和枯水期沉積物菌群變化的關(guān)鍵解釋因子,在整體解釋變量中的貢獻(xiàn)度分別為37%和14%.沉積物粒度特征對細(xì)菌群落的影響僅在枯水期有直接的體現(xiàn).上覆水水質(zhì)對沉積物細(xì)菌群落變化的解釋貢獻(xiàn)度,在不同季節(jié)均超過60%.其中,溶解態(tài)無機(jī)氮(NO3--N和NH4+-N)對沉積物細(xì)菌群落的影響,在3個(gè)時(shí)期中均有不同形式的體現(xiàn).浮游植物相關(guān)的Chl a和PCY指標(biāo)對優(yōu)勢菌群變化,在枯水期和豐水期表現(xiàn)出不可忽視的作用.而平水期和豐水期共有的解釋變量為上覆水COD.豐水期RDA空間中的環(huán)境因子全部為上覆水水質(zhì)指標(biāo),表明了這一時(shí)期渭河水體垂向交互作用的劇烈程度,以及上覆水環(huán)境對季節(jié)性多泥沙河流沉積物細(xì)菌群落變化的重要影響.總體來說,沉積物氮磷含量的影響比顆粒粒度特征更為顯著,上覆水溶解性無機(jī)氮含量與溶解性碳氮比對渭河流域沉積物優(yōu)勢細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化具有重要意義.

上述結(jié)果表明,對于季節(jié)性多泥沙河流,尤其在水沙量大、河道垂向物質(zhì)能量交互劇烈的水文時(shí)期,除過沉積物氮磷等化學(xué)特性之外,沉積物顆粒粒度與上覆水水質(zhì)對沉積物的細(xì)菌群落變化的影響作用也不可忽視.

3 結(jié)論

3.1 平枯兩季渭河流域沉積物以中粉砂和細(xì)粉砂為主,TP平均含量高于TN.豐水期渭河上游來水?dāng)y沙在中下游河段發(fā)生逐步沉積,使渭河(陜西段)沉積物粒度特征與氮磷含量顯著改變.沉積物TN含量在豐水期升高了1~2個(gè)數(shù)量級,且空間差異明顯減小(RSD=17%).較其它時(shí)期,豐水期沉積物氮、磷含量與上覆水氮、磷濃度之間的相關(guān)性系數(shù)最高(0.687,=0.6).

3.2 渭河流域沉積物樣本中,基于T-RFLP技術(shù)共檢出16s rDNA限制性片段(T-RF)97條.干流沉積物細(xì)菌群落多樣性在在2.37~2.82之間,不同時(shí)期的沿程變化特征各異.渭河豐水期水沙過程的改變,使沉積物氮磷性質(zhì)趨于空間均質(zhì)化,卻增加了細(xì)菌群落特征的空間差異,Shannon多樣性空間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到37.4%,優(yōu)勢菌群Bray- Curtis相似度為17.4%.表明了季節(jié)性多沙河流沉積物細(xì)菌群落變化的復(fù)雜性,及汛期水沙變化對河流沉積物微生物生態(tài)環(huán)境的重大影響.流域優(yōu)勢菌群以變形菌門和擬桿菌門為主.不同時(shí)期不同河段的沉積物優(yōu)勢菌群在綱水平上表現(xiàn)出較大的差異.

3.3 在沉積物自身氮磷指標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮沉積物顆粒特性和上覆水水質(zhì)的影響后,對渭河流域沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化的解釋度均有增加,且排序結(jié)果的顯著性水平也明顯提高.超過94%的沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化,與沉積物及上覆水理化指標(biāo)相關(guān),但不同水文時(shí)期菌群變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子不同.沉積物氮磷及粒度特征對細(xì)菌群落變化的影響,在平水期和枯水期表現(xiàn)得更為直接;而上覆水水質(zhì)對不同時(shí)期沉積物菌群變化的解釋度貢獻(xiàn)量均超過60%,對豐水期沉積物細(xì)菌群落的影響尤其顯著.

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致謝：感謝北京大學(xué)環(huán)境學(xué)院謝曙光老師對本研究中分子微生物分析方法的指導(dǎo).

Influences of sediment characteristics and overlying water quality on sediment bacterial communities in a seasonal sandy river.

LIU Rui, ZHOU Xiao-de*

(State Key Laboratory of Ecological Water Conservancy in the Northwest Arid Area, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)., 2017,37(11)：4342~4352

The seasonal change of the diversity and structure of sediment bacterial communities in sandy Weihe River and the influences of sediment particle characteristic, sediment nutrient content and the quality of overlaying water were investigated using terminal-restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis. The results of redundancy analysis (RDA) revealed significant seasonal variations of sediment characteristics and water quality. Total nitrogen content in sediment increased one order of magnitude with a decrease of spatial heterogeneity (RSD=17%) in wet season, while N: P in sediment was moderately correlated with N:P in overlying water. Based on T-RFLP, the Shannon index of sediment bacterial communities in mainstream ranged between 2.02 and 3.18. Spatial change pattern of bacterial diversity was also considerably different between hydrological seasons. Sediment bacterial communities in wet season had the strongest heterogeneity (RSD=37.4%) and the lowest Bray-Curtis similarity (17.4%). Most of the dominant fragments belong to species within the phyla of Proteobacteria and Bacteroidetes. Properties of sediment strongly influenced bacterial communities in normal and dry season, while the quality of overlying water had a close relationship with sediment bacteria community in wet season. All these results indicated the complexity of sediment bacterial community variation in seasonally sandy river, and significant impacts of sediment characteristics and overlying water quality.

Weihe River；sediment；bacterial community；T-RFLP

X172

A

1000-6923(2017)11-4342-11

劉 睿(1985-),女,河南泌陽人,西安理工大學(xué)博士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境微生物.發(fā)表論文5篇.

2017-04-16

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20136118120022);陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013SZS02- P01)

*責(zé)任作者, 教授, zhouxd@xaut.edu.cn