鄱阳湖浮游细菌群落对水体营养状况的响应研究

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淡水湖泊是陆地水圈的重要组成部分,存储了有限的人类赖以生存的淡水资源。然而,近些年来全球范围内的富营养化污染问题愈演愈烈,淡水湖泊富营养化污染的预防和修复受到越来越多的关注。而微生物作为自然界中的分解者,是湖泊生态系统的重要组成部分,在维持湖泊生态系统结构和功能稳定性的过程中发挥着重要作用。然而目前关于微生物群落在湖泊转变为富营养化的过程中的响应特征,以及不同形态的营养盐对于微生物群落的影响,我们仍然知之甚少。基于此目的,我们以浮游细菌群落为研究对象,在我国最大的淡水湖泊-鄱阳湖开展了以下两方面的研究内容:(1)通过原位观测实验研究不同富营养化程度的湖泊水体中浮游细菌群落结构、功能以及种间关系;(2)通过室内模拟实验进行不同形态的氮磷营养盐添加对浮游细菌群落的影响研究。本研究过程中我们采用了16S r RNA基因高通量测序技术结合功能预测、网络构建及随机森林模型构建方法分析浮游细菌群落结构、功能以及种间关系的变化。主要研究结论如下:1.在水体由中营养化向轻度富营养化转变的过程中(综合富营养化指数从31-54),水体氮磷元素含量显著升高,浮游细菌的多样性增加,群落组成改变,碳、氮代谢功能增强,浮游细菌群落的稳定性降低,使生态系统更脆弱。具体结果如下:(1)轻度富营养化水体中浮游细菌群落α多样性相比于中营养化水体发生了显著升高,且α多样性指数与富营养化状态指数存在显著正相关关系,表明浮游细菌群落较高的多样性有助于微生物适应富营养化。(2)轻度富营养化和中营养化水体中浮游细菌群落优势门组成没有改变,都是由放线菌门、变形菌门、蓝细菌门、异常球菌-栖热菌门、拟杆菌门和疣微菌门组成。组成上的差异主要体现在轻度富营养化富集了绿弯菌门、酸杆菌门等稀有丰度类群上。而功能预测结果表明,富营养化后的细菌群落中具有更高的执行碳代谢和氮代谢有关的功能,说明富营养化筛选出具有更强的营养竞争优势的类群,促进微生物群落功能向执行元素化学循环的功能适应性转变。(3)网络分析结果表明,轻度富营养化与中营养化相比,浮游细菌群落种间关系发生了改变,细菌网络中物种丰富度和连接度降低,浮游细菌群落抗环境干扰能力降低,更易发生变化。2.有机氮磷营养盐富集对浮游细菌群落结构和功能影响大于无机形态的氮磷;高浓度氮磷营养盐添加会降低浮游细菌群落的多样性,但只有磷元素会显著影响浮游细菌群落的功能。无机形态和有机形态的氮磷营养盐富集使微生物群落的稳定性降低,使生态系统更脆弱。具体结果如下:(1)高浓度氮(+5 mg/L、+10 mg/L)、磷营养盐(+0.04 mg/L、+0.1 mg/L)添加显著降低了浮游细菌群落的α多样性,且有机形态营养盐处理中浮游细菌群落α多样性显著低于无机形态营养盐处理。(2)无机形态氮输入增加了放线菌门、蓝细菌门的丰度,降低了变形菌门、绿弯菌门的丰度,而有机形态氮输入降低了放线菌门、Bdellovibrionota门的丰度,增加了变形菌门、蓝细菌门和拟杆菌门的丰度。无机形态磷输入增加了放线菌门、Armatimonadota门的丰度,降低了变形菌门、Patescibacteria门的丰度。而有机形态磷输入降低了放线菌门、拟杆菌门和Armatimonadota门的丰度,增加了变形菌门的丰度。以上表明微生物对不同形态营养盐具有偏好性,进而改变细菌群落组成。(3)氮输入未显著改变浮游细菌的群落功能,但是磷输入显著改变了浮游细菌的群落功能。无机形态磷处理显著地增加了细菌群落的与氮代谢相关的功能,而有机形态磷处理显著地增加了与光合作用有关的功能,降低了与化能异养有关的功能。(4)网络分析显示,无机氮添加增加了网络中物种丰富度和连接度,而有机氮的输入则降低了水体细菌网络的物种丰富度和连接度。无机磷和有机磷营养盐输入显著增加了浮游细菌群落网络中的物种丰富度和连接度。但是无机形态和有机形态的氮磷添加都加快了浮游细菌群落物种周转速率,降低了群落抗环境干扰能力。3.浮游细菌群落中hgcI_clade是预测湖泊营养状况最重要的指示类群。随机森林模型结果显示,浮游细菌群落中hgcI_clade是预测湖泊营养状况最重要的指示类群,该类群与湖泊水体中氮营养盐呈现正相关,而与湖泊水体中磷营养盐呈现负相关关系。综上所述,在水体富营养化的过程中,水体浮游细菌能够通过改变群落结构,增强对营养元素的代谢,以适应富营养化程度的升高。但高浓度的无机形态和有机形态营养元素不利于维持较高的群落多样性以及生态系统的稳定性。本研究结果阐明了浮游细菌群落对不同营养状况水体的响应规律,加深了我们对于富营养化过程的理解,为今后淡水湖泊的富营养化的防治和湖泊生态系统的科学管控提供了科学依据。
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