冰川冻土, 2023, 45(1): 254-266 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0019

冰冻圈生态学

西藏纳木错沿岸表层水体浮游细菌群落结构及生态功能预测

孟华旦尚,, 薛曌, 郭小芳, 德吉,

西藏大学 理学院,西藏 拉萨 850000

Structure of bacterioplanktonic community and ecological function prediction in coastal surface water of Nam Co lake, Tibet

MENG Huadanshang,, XUE Zhao, GUO Xiaofang, DE Ji,

School of Science,Tibet University,Lhasa 850000,China

通讯作者: 郭小芳,教授,主要从事微生物生态学研究. E-mail: gxf005@Hotmail.com德吉,高级实验师,主要从事微生物生态学研究. E-mail: dg971103@163.com

收稿日期: 2022-05-24   修回日期: 2022-10-05  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  31960024
2019年中央支持地方高校改革发展资金项目.  藏财预指[2019]01号
西藏大学研究生高水平人才培养计划项目.  2020-GSP-S045

Received: 2022-05-24   Revised: 2022-10-05  

作者简介 About authors

孟华旦尚,硕士研究生,主要从事微生物学研究.E-mail:2209764870@qq.com , E-mail:2209764870@qq.com

摘要

浮游细菌群落对高原湖泊变化具有高度响应性,并且会影响高原湖泊生境的地球化学平衡。因此,了解高原湖泊中浮游细菌群落的分布特征,阐明其在高原湖泊生态系统中的生态功能具有重要科学意义。2021年5月对纳木错沿岸浮游细菌群落分布特征进行了调查研究,并采用16S rDNA高通量测序技术对样品进行分析,通过α-多样性指数分析浮游细菌群落的差异性,通过共现网络分析浮游细菌群落之间的相互作用,利用Pearson相关系数衡量理化因子与α-多样性指数的相关性,采用冗余分析(RDA)探讨水体理化因子对浮游细菌群落结构的影响,并基于PICRUSTt2对纳木错浮游细菌进行功能预测。结果表明:浮游细菌群落主要由变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)组成,其中变形菌门相对丰度最高,主要包括γ-变形菌纲(Gamma-proteobacteria)和α-变形菌纲(Alpha-proteobacteria);噬氢菌属(Hydrogenophaga)和嗜冷菌属(Algoriphagus)为相对优势菌属。α-多样性指数表明,纳木错浮游细菌群落比较丰富。共现网络节点间关系以正相关为主;总溶解固体量(TDS)和盐度(Sal)是影响纳木错浮游细菌群落结构的关键因子。功能预测结果显示,纳木错浮游细菌群落功能主要涉及代谢、遗传信息处理、环境信息处理等6类生物代谢通路,以及膜运输、氨基酸代谢、碳水化合物代谢等46个子功能。综上所述,纳木错浮游细菌群落结构在各样点间存在一定差异,浮游细菌在门级水平上类群间相互作用主要为协同作用,其群落结构是多个因子共同作用的结果。研究阐明了纳木错浮游细菌群落组成和功能及其与环境因子的相互联系,可为当地生态环境保护提供科学依据。

关键词: 纳木错 ; 浮游细菌 ; 群落结构 ; 生态功能

Abstract

It is of great scientific significance to understand the distribution characteristics of the bacterioplankton in the plateau lakes and clarify its ecological function of the plateau lake ecosystem. In May 2021, we investigated bacterial community in Nam Co lake samples were analyzed by 16S rDNA high-throughput sequencing technology, and the difference of bacterial community was analyzed by α-diversity index. The interaction among bacterial communities was analyzed by co-occurrence network. The correlation between environmental factors and α-diversity index was measured by Pearson correlation coefficient. Redundancy analysis (RDA) was used to investigate the relationship between physicochemical factors and bacterial community structure. Function of bacterioplankton in Nam Co lake was predicted based on PICRUSTt2. The results showed that bacterial community was mainly composed of Proteobacteria, Bacteroidetes, Actinobacteria, Cyanobacteria and Firmicutes. The relative abundance of Proteobacteria was the highest, mainly including Gamma-proteobacteria and Alpha-proteobacteria. Hydrogenophaga and Algoriphagus are the relative dominant species. The α-diversity index showed that the bacterial community was rich in Nam Co lake. The correlation among nodes of Nam Co lake co-occurrence network is mainly positive. Total dissolved salts (TDS) and salinity (Sal) were the key factors affecting the bacterial community structure. Functions of bacterioplankton in Nam Co lake mainly involved 6 metabolic pathways, such as metabolism, genetic information processing and environmental information processing and 46 sub-functions of membrane transport, amino acid metabolism, carbohydrate metabolism, etc. In conclusion, bacterial community structure in Nam Co lake was different among various sites. At the phylum level, the interaction among bacterial groups was mainly synergistic, and the bacterial community structure in Nam Co lake was the result of multiple factors. This study clarified the composition and function of bacterioplankton in Nam Co lake and its relationship with environmental factors, providing scientific reference for the protection of ecological environment of plateau lakes.

Keywords: Nam Co lake ; bacterioplankton ; community structure ; ecological function

PDF (9523KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

孟华旦尚, 薛曌, 郭小芳, 德吉. 西藏纳木错沿岸表层水体浮游细菌群落结构及生态功能预测[J]. 冰川冻土, 2023, 45(1): 254-266 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0019

MENG Huadanshang, XUE Zhao, GUO Xiaofang, DE Ji. Structure of bacterioplanktonic community and ecological function prediction in coastal surface water of Nam Co lake, Tibet[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(1): 254-266 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0019

0 引言

自然生态系统是动植物和微生物的“蓄水池”,其内部的生物与水生态系统相互依存、相互联系1-2。其中,微生物是地球上分布最广、代谢效率高、适应性强的古老生物群体,它们在生物界发挥着极其重要的作用,是健康的水生态系统的基础3。在全球范围内,湖泊是水生生态系统的重要组成部分,总面积约为2.0587×106 km3,占全球大陆面积的1.5%,总水量约为1.764×105 km3[1。湖泊作为生命的基本生活环境之一,影响着自然生态系统的结构2。在湖泊微生物当中,浮游细菌作为其重要的组成部分,在湖泊水体中物质能量循环和信息传递以及地球化学循环中发挥着重要的作用4。浮游细菌群落结构在湖泊生态系统中高度可变,浮游细菌群落对湖泊水体中环境因子的变化也较为敏感5。湖泊中有机物的浓度和类型、食物网的组成和浮游细菌间的相互作用等均对浮游细菌的群落组成有影响6-7。因此,研究湖泊中浮游细菌群落的分布格局及外界环境因素对其的驱动机制对了解和完善湖泊中浮游细菌群落的生态过程有十分重要的意义。

目前,对于湖泊中浮游细菌群落特征及其与环境因子相互关系的研究已广泛开展。如Shang等3探索呼伦湖不同季节水体细菌群落及其影响因素,得出浮游细菌群落在淡水生态系统水质调控和生物地球化学循环中起着重要作用。Corno等8通过研究URV(紫外线)对Andean湖泊水体环境的影响,进而得出紫外线对其中浮游细菌群落结构有影响。靳燕等9研究了浮游细菌集合群落中核心分类操作单元和特有分类操作单元是否具有相同的环境选择模式这一问题,发现核心分类操作单元和特有分类操作单元的环境选择模式具有较大差异。部分学者10-13对水体中以及沉积物中的浮游细菌群落结构特征及影响因素进行了分析,结果显示,不同的环境因子,如pH、溶解氧含量(DO)、化学需氧量(COD)、营养元素(如总磷TP、总氮TN)等,对浮游细菌群落结构影响较大。然而,相对于这些研究区域,中国青藏高原有全国最大的湖泊群,面积占全国湖泊面积的45%以上,青藏高原具有温度低、养分利用率低、远离人为干扰等特点,这些特征使这个区域的湖泊成为研究区域和全球尺度上浮游细菌分布模式的独特自然实验室14。近年来,对于青藏高原湖泊浮游细菌的研究也逐渐增多,刘桦聪15、邓阳等16、李明等17分别采用纯培养和免培养等方法对青藏高原上湖泊细菌种群结构多样性进行了研究,发现在青藏高原上湖泊中有大量的细菌群落。刘晓波等18、Liu等19分析了纳木错表层水体细菌的丰度,发现细菌丰度与叶绿素a(chla)浓度呈显著相关。因此,在有重要生态环境意义的高原湖泊开展浮游细菌结构变化研究,可为不同气候条件下的湖泊水体生态系统演变对比提供基础数据,可为深入探讨全球生态环境演变提供理论基础20

基于以上分析,本文以青藏高原湖泊纳木错作为研究对象,于2021年在纳木错沿岸进行样品的采集,结合样品理化指标参数的测试,通过16S rDNA扩增子测序分析技术21,对纳木错沿岸水体浮游细菌群落组成、优势细菌门类进行分析,讨论纳木错沿岸水体浮游细菌群落结构对水体理化指标参数变化的响应关系,对浮游细菌生态功能进行初步探讨,以实现对高原湖泊水体浮游细菌群落组成以及浮游细菌群落对外部环境变化响应过程的分析。

1 研究区概况

青藏高原被称为“第三极”,是地球上最大的高原(2×106 km2)和最高的高原(平均海拔4 500 m)722,也是世界上高海拔湖泊数量最多的地区。青藏高原湖泊平均海拔4 000 m以上,总面积为(4 3151.08±411.49) km2[23。青藏高原湖泊主要以高盐度湖泊和季节性或常年冰盖的层状湖泊为主24,且具有出现/消失和扩张/收缩的特征,是气候变化的敏感指标23-24

纳木错位于青藏高原东南部,属半湿润半干旱地带,有充足的光、热以及水资源,气压比较低,是中国第三大的咸水湖18。湖面海拔4 718 m,面积约1 961 km²,最大水深达120 m以上18-19。纳木错是念青唐古拉山西北侧大型断陷洼地中的构造湖泊,属于内流湖泊25。据计算,每年进入湖泊的冰川融水为1.24×109 m3,降水径流为1.345×1010 m3[26-27

2 材料与方法

2.1 样点设置与样品采集

根据纳木错所处地貌、地形,以及水文特征,于2021年围绕纳木错沿岸共采集20样点的水样,通过全球定位系统(GPS)确定每个样点的经纬度,样点信息如图1所示。据当地地理条件,采用无菌采样器在距离岸边15 m处进行采样,采集水样深度为50 cm,每个采样点采集2份水样,共采集5.0 L。将采集的水样在4 ℃条件下带回实验室,一份用于理化性质测定,另一份水样定量1.4 L通过0.22 μm混合纤维素膜过滤,滤膜封存于-80 ℃进行浮游细菌群落结构测定。

图1

图1   纳木错采样点分布图

Fig. 1   Distribution of sampling sites in Nam Co lake


2.2 水体理化性质测定

利用便携式多参数水质检测仪现场测定水温(T)、pH、电导率(EC)、盐度(Sal)和总溶解固体量(TDS)。其他指标,如总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)和铵态氮(NH4+-N)等,送水样至西藏博远科技环境检测有限责任公司进行实验室测定。其中总磷(TP)和总氮(TN)的测定分别是用钼酸铵分光光度法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;铵态氮(NH4+-N)用纳氏试剂分光光度法进行测定;化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法进行测定28

2.3 DNA提取与PCR扩增

采用SDS法提取基因组DNA,用1%琼脂糖凝胶检测DNA浓度和纯度。对16S rDNA基因的V4高突变区片段进行PCR扩增。引物序列为R∶806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)和F∶515F (5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)28。PCR反应均使用15 μL Phusion® highfidelity PCR Master Mix (New England Biolabs)进行,步骤为98 ℃预变性1 min,98 ℃变性10 s,50 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,一共30个循环。最后在72 ℃下保温5 min。PCR扩增产物检测利用的是2%琼脂糖凝胶电泳,PCR产物的回收使用Qiange公司的凝胶回收试剂盒。使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit生成文库,构建好的文库经过Qubit和Q-PCR定量,文库合格后,委托北京诺禾致源科技股份有限公司在NovaSeq 6000平台上进行测序。

2.4 数据处理

首先对原始测序数据进行拼接、除去非特异性片段及杂质,筛选出有效数据,然后对有效数据进行OTU聚类分析和物种分类分析,将具有97%以上相似性的序列归为一类OTU,每一类当中最长的序列为代表序列,最后在QIIME采用Blast对序列进行比对,获得每个OUT所代表的序列的分类信息。使用QIIME计算Simpson、Shannon、Chao1和ACE等α-多样性指数,使用R语言程序进行NMDS分析、聚类分析和浮游细菌丰度分析,使用Canoco5对浮游细菌群落进行去趋势对应分析(detrended correspondence analysis, DCA),使用SPSS 22.0和Origin 2021分析浮游细菌群落结构α-多样性指数和环境因子间的相关性,并结合Gephi(V0.9.2)进行浮游细菌群落共现网络拓扑特征分析,使用PICRUSTt2软件预测浮游细菌功能并进行分类。

3 结果与分析

3.1 水体理化性质

纳木错各样点理化指标如图2所示。从图中可以看出,各样点(S1~S20)pH值在9.43~9.77之间,各样点水体呈碱性;6号样点(即S6,图中的编号前加S,下同)水体温度低于16号样点;TDS、EC和Sal三个理化因子变化趋势一致,11号样点最高,6号样点最低;1号样点的COD值最小为17 mg·L-1,8号样点COD值最大为66 mg·L-1。从雷达图的聚合程度看,各样点的NH4+-N和TP间的差异与其他理化因子相比较小,平均值分别为0.27 mg·L-1和0.03 mg·L-1;与各样点TP相比,各样点TN的差异较大,其中13号样点的TN值最小,为0.16 mg·L-1,17号样点最大,为0.98 mg·L-1

图2

图2   纳木错各样点水体的主要理化参数

Fig. 2   Main physical and chemical properties of water at different sampling sites in Nam Co lake


3.2 浮游细菌群落多样性评估

Shannon多样性指数和Simpson多样性指数(图3)显示,4号和9号样点物种多样性最低,1号和11号采样点物种多样性最高;丰富度指数Chao1和ACE表明4号和5号样品的物种丰度最低,2号采样点的物种丰度最高。

图3

图3   纳木错各样点水体的α-多样性指数

Fig. 3   The α-diversity indexes of water at different sampling sites in Nam Co lake


3.3 浮游细菌多样性的UPGMA与NMDS分析

非度量多维度尺度(NMDS)分析和UPGMA聚类树分析均用来描述样点间浮游细菌群落组成差异。NMDS根据不同样点包含的浮游细菌群落信息,以点的形式将各样点反映在二维空间上,点与点距离的远近表示各样点间浮游细菌群落的差异。本研究中,20个样点不规则分布在4个区域。从图4(a)看出,1号和6号样点距离其他样点较远,表明1号和6号两个样点的浮游细菌群落组成与其他样点相比差异较大。除1号和6号样点外,可以看出4号和12号样点的横向距离最大,4号样点和16号样点的纵向距离最大,表明4号样点与12号、16号样点细菌群落组成相似性较低。UPGMA聚类树分析结果同样证明了上述结论。在UPGMA聚类分析中,在聚类树右侧为各样点门分类水平丰度排名前10的浮游细菌堆叠柱形图。

图4

图4   基于Bray-Curtis距离的采样点非度量多维尺度(NMDS)分析(a)和UPGMA聚类树(b)

Fig. 4   Nonmetric multi-dimensional scale (NMDS) analysis (a) and UPGMA clustering tree (b) based on Bray-Curtis dissimilarity between different sampling sites


3.4 物种组成与差异分析

在本研究中,高通量测序结果显示,浮游细菌共属80门、176纲、333目、474科和685属。对纳木错20个样点门和属水平上相对丰度前15的浮游细菌进行统计,如图5所示。从图5(a)中可以得出,在门水平,相对丰度最高的为变形菌门(Proteobacteria,54.98%),其次为拟杆菌门(Bacteroidota,20.00%)、放线菌门(Actinobacteriota,11.61%)、蓝藻菌门(Cyanobacteriota,2.74%)和厚壁菌门(Firmicutes,1.53%)。其余门类别相对丰度1.00%。变形菌门中,γ-变形菌纲(Gamma-proteobacteria,42.58%)相对丰度最高,其次是α-变形菌纲(Alpha-proteobacteria,12.36%),β-变形菌纲(Beta-proteobacteria)相对丰度低于1%。变形菌门、拟杆菌门和放线菌门占基因总数的比例为86.59%,是纳木错水体的优势种群。

图5

图5   纳木错各样点水体浮游细菌门(a)和属(b)水平上的相对丰度分布

Fig. 5   Relative abundance distribution of bacterioplankton in phylum level (a) and genus level (b) at different sampling sites in Nam Co lake


图5(b)为属水平浮游细菌群落分布,其中噬氢菌属(Hydrogenophaga)和嗜冷菌属(Algoriphagus)占比较高,分别为9.51%和9.00%。CL500-29 marine group(4.43%)、hgclclade(3.79%)、Commensalibacter(3.45%)和假单胞菌属(Pseudomonas,3.27%),其他浮游细菌属类相对丰度均小于3%。因此,以上6个菌属在属水平上为优势菌。在不同样点中,噬氢菌属在相对丰度上仍存在较大差异:在17号样点相对丰度为23.62%,而在19号样点仅为2.20%。Commensalibacter在15号和16号样点的相对丰度分别达到了19.13%和18.84%,而在1号和6号样点却未被检测出来。hgcl clade在各样点分布比较均匀。

图6为根据各样点OTU数目制作的多集合维恩图,在图中黑色点表示该样点有数据,点线图表示样点间存在交集,柱状图上的数字表示样点间的共有物种数,左边柱形图表示各样点的物种数。从图中得出,2号和14号样点共有物种数最多为196;6号和7号、1号和5号、2号和6号以及11号和17号样点间的共有物种数最少为9。11号样点的特有物种数150,在所有样点中最多;5号样点的特有物种数仅有21,在所有样点中最少。

图6

图6   纳木错各样点间浮游细菌种类多集合维恩图

Fig. 6   Multi-set Venn diagram of bacterioplankton on species at different sampling sites in Nam Co lake


3.5 浮游细菌群落与环境因子相关性分析

通过对纳木错浮游细菌群落α-多样性指数与环境因子进行Spearman相关性分析显示(图7),pH与丰富度指数Chao1和ACE指数呈显著正相关(P<0.05);TDS与EC和Sal呈极显著正相关(P<0.01),与NH4+-N和TP呈极显著负相关(P<0.01),与TN呈显著负相关(P<0.05);EC与NH4+-N和TP呈极显著负相关(P<0.01),但与Sal呈极显著正相关(P<0.01);Sal与NH4+-N和TP呈极显著负相关(P<0.01),与TN呈显著负相关(P<0.05);NH4+-N与TP和TN呈极显著正相关(P<0.01);Shannon-Wiener多样性指数与Simpson多样性指数、chao1和ACE丰富度指数呈极显著正相关(P<0.01);Simpson多样性指数与Chao1和ACE丰富度指数呈极显著正相关(P<0.01);Chao1和ACE丰富度指数呈极显著正相关(P<0.01)。T和COD与各个α-多样性指数和环境因子之间没有相关性。

图7

图7   纳木错水体浮游细菌α-多样性指数与理化因子的相关性(H表示Shannon-Wiener多样性指数,D表示Simpson多样性指数)

Fig. 7   Correlation between bacterioplanktonic α-diversity indexes and physical and chemical factors in Nam Co lake water(H represents Shannon-Wiener diversity index, and D represents Simpson diversity index)


对纳木错水体浮游细菌群落门水平上物种丰度排名前10的物种进行DCA分析,结果排序轴梯度最大值小于3,故采用RDA分析。利用蒙特卡拟合方法对环境因子进行显著性检验,通过筛选得出。如图8所示,TDS(F=2.7,P=0.002)、Sal(F=3.8,P=0.006)为极显著解释性变量,对群落变异的解释率为分别为25.5%和30.7%。因此TDS和Sal是影响纳木错水体浮游细菌群落结构的主要环境因子。第一、二排序轴物种-环境累计方差的解释率分别为47.59%和21.00%;物种-环境因子的相关系数分别为0.8976和0.8373;前两轴累计方差为68.59%;表明前两轴能较好地反映夏季纳木错沿岸表层水体浮游细菌相对丰度与各环境因子的关系,且主要由第一排序轴决定。第一排序轴与TDS和Sal呈负相关;第二排序轴与TDS和Sal呈正相关;放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、脱硫杆菌门(Desulfobacterota)和不明细菌(unidentified bacteria)与TDS、Sal呈正相关;疣微菌门(Verrucomicrobiota)、蓝藻菌门和变形菌门与TDS和Sal呈负相关。

图8

图8   纳木错水体浮游细菌门分类群落与环境因子的冗余分析

Fig. 8   Redundancy analysis of phylum taxonomic community of bacterioplankton and environmental factors in Nam Co lake water


3.6 群落共现网络拓扑特征

通过群落共线网络(图9)表明,纳木错水体浮游细菌群落生态网络节点和边的数量分别是150和1 250,平均路径长度为2.861。在生态网络中,87.92%的边为正相关关系,说明细菌群落之间的协同作用强于竞争作用。其中,平均聚类系数为0.638,图密度为0.112。说明浮游细菌群落之间的相互作用较为复杂。网络的模块化为0.610,根据贪婪算法,纳木错湖中浮游细菌网络可被分解为12个模块。作为代表网络紧密关系程度的中心性参数,该网络图的接近中心性为0.4778。

图9

图9   纳木错水体浮游细菌群落分子生态网络

Fig. 9   Molecular ecological network of bacterioplanktonic community in Nam Co lake water


3.7 PICRUSt2功能预测分析

PICRUSt2主要是16S扩增子结果样品中细菌群落的功能组成进行预测,通过KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库进行比对。通过对纳木错不同样点浮游细菌功能组成进行预测,共获得6类生物代谢功能分析[一级功能层,图10(a)]:代谢(metabolism)、遗传信息处理(genetic information processing)、环境信息处理(environmental information processing)、细胞过程(cellular processes)、人类疾病(human diseases)和有机系统(organismal systems)。其中,代谢、遗传信息处理、环境信息处理和细胞过程为其主要组成。占比分别为49.00%~52.42%、14.27%~18.24%、11.42%~15.78%和2.90%~4.29%。不同样点浮游细菌功能预测比较分析表明,代谢功能层预测基因拷贝数平均占比最高(50.79%),依次为遗传信息处理(15.86%)>环境信息处理(14.07%)>细胞过程(3.70%)>人类疾病(1.01%)>有机系统(0.86%)。除了以上6类生物代谢功能分析,unclassified为未分类的功能,它的占比也较高(13.53%)。本文同时对预测基因二级功能层进行分析[图10(b)],膜运输(membrane transport)、氨基酸代谢(amino acid metabolism)、碳水化合物代谢(carbohydrate metabolism)、繁殖和修复(replication and repair)、能量代谢(energy metabolism)等41个二级功能组成。

图10

图10   纳木错不同样点浮游细菌一级(a)和二级(b)功能层预测

Fig. 10   The first (a) and second (b) function layer predictions of bacterioplanktonic community at different sampling sites in Nam Co lake


4 讨论

4.1 浮游细菌群落结构

纳木错浮游细菌群落结构组成显示,在门水平上,变形菌门、拟杆菌门、放线菌门是优势类群,与盐湖生态系统中的典型类群一致,并符合湖泊等咸水水体中浮游细菌群落组成的规律28-29。变形菌门作为纳木错中分布最广泛的细菌类群,在6号、12号和17号变形菌门的含量均在75%以上。研究发现,变形菌门的适应能力较强,它可以利用水中的氮和磷等污染物,常被作为污水处理厂活性污泥系统中的主要菌群30。在纳木错中,变形菌门的优势类群为γ-变形菌和α-变形菌。γ-变形菌是主要脱氮菌群之一,可以作为去除水体中过量氮元素的菌群29。研究还发现,γ-变形菌还是冷适应细菌,纳木错由于其特殊的地理环境、低温和高海拔,以及青藏高原经历了显著的氮(N)沉积和降水增加,这导致了大量的冷适应γ-变形菌的积累2931-32。α-变形菌含量也较高,研究发现,这类细菌主要生存在寡营养型湖泊当中,纳木错属于寡营养型湖泊18-19,为这类细菌的生存提供了适宜环境33。本研究发现,在纳木错中β-变形菌含量较低,而之前研究表明β-变形菌在极端贫瘠的湖泊中十分罕见,主要生存在富营养性的湖泊当中34。纳木错属于贫营养性湖泊18-19,推测这可能导致β-变形菌群落分布较少的原因之一。拟杆菌门作为纳木错第二大优势菌群,拟杆菌门是盐湖中的主要类群35,根据纳木错盐度的大小,可知纳木错属于盐湖18-19,这为拟杆菌门提供了良好的生存环境,导致其在纳木错中含量较高。放线菌门作为纳木错中的第三大类群。一般生存在碱性湖泊当中,纳木错的pH值为9.49,属于碱性湖泊,适宜放线菌门生存。放线菌门可以利用葡萄糖,具有异养硝化作用,在营养和能量循环中起着关键作用36

在属水平上,高通量测序结果显示,噬氢菌属和嗜冷菌属含量较高,这与刘晓波等18在2008年对纳木错水体浮游细菌群落研究结果有所不同。推测可能是纳木错的环境条件的变化对纳木错浮游细菌群落组成长产生了较大影响,导致水体浮游细菌群落结构发生了变化37-38。噬氢菌属的细菌能够利用氢氧化物作为能源和碳源,部分种类有分解高分子有机物的功能,部分种具有耐寒和嗜寒的特征,在河口沉积物及南北极等多种环境中都分离出该属的细菌39;在加拿大低温土壤中也发现存在噬氢菌属细菌,它可以在低温环境下将联苯作为主要的碳源40;Prasad等41曾在研究北极地区Kongsfjorden海湾细菌多样性和生态功能时发现,嗜冷菌属不仅存在耐冷环境中,在盐度较高的环境中也有该类细菌的相关报道,还发现这类细菌还可能会产生脂肪酶等一系列产物。hgclclade和CL500-29 marine group也为优势类群。有研究表明,hgclclade和CL500-29 marine group较为适宜在高营养盐水体中生长和繁殖,这两类细菌与浮游植物之间关系密切,尤其和蓝藻联系紧密42。但本研究却发现这两类菌属与营养盐之间没有正相关关系,导致这一类现象的原因可能和纳木错所处的高寒、低氧等特殊生境有关系。hgclclade对低氧环境具有耐受性,能够利用水体中的低浓度溶解有机碳,对水体的净化有重要作用43

4.2 浮游细菌群落结构对理化因子的响应

水体理化特性对于浮游细菌群落组成具有较大的影响44-45,冗余分析结果显示TDS和Sal是显著影响纳木错浮游细菌群落分布的环境因子(P<0.01),这与Liu等19在2010年研究的结果不同。研究表明,TDS通过影响水体的透明度,来影响水体中以光能作为能源的硝化和反硝化类细菌的繁殖。当TDS升高时,浊度随之升高,水体透明度降低,导致水体中浮游细菌能够接受到的光照强度减弱,从而导致水体中硝化和反硝化细菌生物量减少;反之,当TDS降低时,水体中光照充足,从而促进了水体中浮游细菌群落的繁殖44。在本研究中发现,多类浮游细菌群落与TDS浓度呈明显的正相关关系,造成这种现象的原因可能与纳木错处于青藏高原这一地理环境有关,这与处于低海拔的湖泊有差异。纳木错水的一部分来源于冰川融水,水体本身TDS值较小,再加上外界的干扰很小,浑浊度小,湖水清澈。推测可能是当水体TDS值较低时,小范围的升高并不会影响浮游细菌的繁殖效率;相反,当TDS本身处于临界值左右时,在一定范围内的增加可能会对细菌的增长产生影响。

盐度对纳木错浮游细菌群落分布起着重要作用,是影响其分布格局的主要环境因子45。随着盐度的梯度变化,纳木错表层水体浮游细菌的丰度在不同样点展现出明显的变化梯度。在不同样点,浮游细菌丰度与盐度水平呈现不同的相关性。李佳岭等46研究珠江河口浮游细菌生态过程进行研究后发现,盐度和营养盐是影响水体浮游细菌群落分布格局的两个主要因素。通过研究盐度对浮游细菌群落分布的影响,发现盐度对Candidatus BrocadiaCandidatus Scalindua等厌氧氨氧化细菌类群的丰度有一定的影响,且厌氧氨氧化细菌类群在盐度较高的湖泊数量较多。而对纳木错中浮游细菌类群鉴定后发现,在纳木错中发现了Candidatus BrocadiaCandidatus Scalindua等厌氧氨氧化细菌类群,预测纳木错的高盐环境是它们得以生存的原因之一。

4.3 水体浮游细菌群落的共现网络

在生态系统中,微生物类群之间的相互作用比物种相对丰度和多样性对生态系统循环过程贡献更大。在共现网络中,两个节点间边的正、负相关性分别代表相连物种之间的互惠和竞争关系47。研究发现,在纳木错水体浮游细菌群落共现网络节点之间正相关所占比例为87.92%,表明门级水平上细菌种群之间的互利共生关系强于它们之间的竞争关系。网络模块化表明,纳木错水体浮游细菌群落网络具有模块化结构;平均路径长度与已报道的显示“小世界”特性的网络平均路径长度在类似范围,说明所构建的网络具有“小世界”属性48。网络的拓扑结构特征可以反映浮游细菌种群之间的连通性,若网络连通性较高,则说明细菌种群对于环境干扰反应更为迅速和敏感49。纳木错浮游细菌种群间连通性较强,说明纳木错浮游细菌群落对环境变化反应较为迅速和敏感,对纳木错乃至青藏高原气候变化具有一定指示作用。

5 结论

(1)高通量测结果表明纳木错水体浮游细菌主要由80门、176纲、333目、474科、685属组成。优势菌门为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门;优势属为噬氢菌属和嗜冷菌属。

(2)TDS和Sal是驱动浮游细菌群落变化最显著的环境因子。

(3)放线菌门和拟杆菌门是纳木错浮游细菌群网络构建的关键节点,纳木错浮游细菌群落的分布会受到多个因素的共同影响,并非由单一因素决定。

(4)对浮游细菌群落的功能组成进行PICRUSTt2预测,发现共由6类一级生物代谢通路和41个二级功能组成,其中代谢、遗传信息处理为其主要一级代谢通路,weight NSTI平均值为0.125,表现出了较好的预测效果。

参考文献

Tandon KBaatar BChiang P Wet al.

A large-scale survey of the bacterial communities in lakes of western Mongolia with varying salinity regimes

[J]. Microorganisms, 2020811): 1729.

[本文引用: 2]

Storesund J ELanzèn ANordmann E Let al.

Planctomycetes as a vital constituent of the microbial communities inhabiting different layers of the meromictic lake Sælenvannet (Norway)

[J]. Microorganisms, 202088): 1150.

[本文引用: 2]

Shang YongquanWu XiaoyangWang Xibaoet al.

Factors affecting seasonal variation of microbial community structure in Hulun Lake, China

[J]. Science of the Total Environment, 2022805150294.

[本文引用: 2]

Li WenbaoGuo XinZhang Boyaoet al.

Characteristics of planktonic bacteria community between summer and winter surface water in Dali Lake

[J]. Environmental Science, 20214212): 5814-5825.

[本文引用: 1]

李文宝郭鑫张博尧.

达里湖表层水体浮游细菌群落结构的夏-冬季节差异

[J]. 环境科学, 20214212): 5814-5825.

[本文引用: 1]

Li WenbaoYang XuTian Yananet al.

Changes in the bacterioplankton community between “ice” and “water” in the frozen Dali Lake

[J]. Environmental Science, 2021425): 2276-2286.

[本文引用: 1]

李文宝杨旭田雅楠.

冰封状态下达里湖冰-水中浮游细菌群落结构差异

[J]. 环境科学, 2021425): 2276-2286.

[本文引用: 1]

Xibin Wu YunchengChen Liangqianget al.

Characteristics of the bacterioplankton community and their relationships with water quality in Chishui River basin

[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 20214111): 4596-4605.

[本文引用: 1]

吕锡斌吴云成陈良强.

赤水河流域浮游细菌群落特征及其与水质的关系

[J]. 环境科学学报, 20214111): 4596-4605.

[本文引用: 1]

Ji MukanKong WeidongYue Linyanet al.

Salinity reduces bacterial diversity, but increases network complexity in Tibetan Plateau lakes

[J]. FEMS Microbiology Ecology, 20199512): fiz190.

[本文引用: 2]

Corno GModenutti B ECallieri Cet al.

Bacterial diversity and morphology in deep ultraoligotrophic Andean lakes: role of UVR on vertical distribution

[J]. Limnology and Oceanography, 2009544): 1098-1112.

[本文引用: 1]

Jin YanQiu YingDong Zhiet al.

Environmental interpretation of spatial variation of planktonic bacterial communities in the North Canal River

[J]. China Environmental Science, 2021413): 1378-1386.

[本文引用: 1]

靳燕邱莹董志.

北运河浮游细菌集合群落空间变化的环境解释

[J]. 中国环境科学, 2021413): 1378-1386.

[本文引用: 1]

Luo TongyangGao QinghuaDong Conget al.

Bacterial community structure in Baiyangdian Lake in summer and its relationship with environmental factors

[J]. Freshwater Fisheries, 2021511): 96-102.

[本文引用: 1]

罗同阳高庆华董聪.

白洋淀水域夏季细菌群落结构及与环境因子的关系

[J]. 淡水渔业, 2021511): 96-102.

[本文引用: 1]

Yu YanWang YueyueFang Duxianet al.

Bacterial diversity in surface sediments of Baiyangdian Lake and its influencing factors

[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021153): 1121-1130.

于妍王悦悦方杜贤.

白洋淀表层沉积物细菌多样性及影响因素

[J]. 环境工程学报, 2021153): 1121-1130.

Zhang LeiShen TingtingGao Guanget al.

Bacterial community structure and diversity in Chaohu Lake

[J]. Journal of Hydroecology, 2018396): 52-57.

张磊沈婷婷高光.

巢湖水体细菌群落结构及多样性研究

[J]. 水生态学杂志, 2018396): 52-57.

Du WanlinSun JinhuiYongzhan Maiet al.

Spatial and temporal distribution characteristics of bacterioplankton community structure in the downstream of Pearl River

[J]. Journal of Lake Sciences, 2020322): 380-394.

[本文引用: 1]

杜宛璘孙金辉麦永湛.

珠江下游浮游细菌群落结构的时空分布特征

[J]. 湖泊科学, 2020322): 380-394.

[本文引用: 1]

Liu KeshaoYao TandongPearce D Aet al.

Bacteria in the lakes of the Tibetan Plateau and polarregions

[J]. Science of the Total Environment, 2020754142248.

[本文引用: 1]

Liu Huacong.

Bacterial diversity of plankton and sediment in plateau lake

[D]. Guilin, GuangxiGuilin University of Technology2020.

[本文引用: 1]

刘桦聪.

高原湖泊浮游、沉积物细菌多样性研究

[D]. 广西桂林桂林理工大学2020.

[本文引用: 1]

Deng YangYu LiyanZhang Yuqin.

Bacterial diversity in the soil surrounding the karst plateau lakes in Guizhou

[J]. Biotic Resources, 2019413): 215-227.

[本文引用: 1]

邓阳余利岩张玉琴.

环贵州喀斯特高原湖泊环境中的细菌多样性

[J]. 生物资源, 2019413): 215-227.

[本文引用: 1]

Li MingGuo JiaLiu Yujieet al.

An review on research of bacteria community structure in lakes on Qinghai-Tibet Plateau

[J]. Journal of Earth Environment, 201342): 1287-1300.

[本文引用: 1]

李明郭嘉刘玉杰.

青藏高原湖泊细菌种群结构的研究综述

[J]. 地球环境学报, 201342): 1287-1300.

[本文引用: 1]

Liu XiaoboKang ShichangLiu Yongqinet al.

Microbial community structures in the Nam Co lake, Tibetan Plateau, and comparison with other alpine lakes

[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2008306): 1041-1047.

[本文引用: 7]

刘晓波康世昌刘勇勤.

青藏高原纳木错湖细菌群落特征及其与高山湖泊的对比

[J]. 冰川冻土, 2008306): 1041-1047.

[本文引用: 7]

Liu XiaoboYao TandongKang Shichanget al.

Bacterial community of the largest oligosaline lake

[J]. Geomicrobiology Journal, 201027669-682.

[本文引用: 6]

Zhong ZhipingLiu YingMiao Liliet al.

Prokaryotic community structure driven by salinity and ionic concentrations in plateau lakes of the Tibetan Plateau

[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2016826): 1846-1858.

[本文引用: 1]

Liu YangLiu QiTian Yuluet al.

Characteristics of bacterioplankton community with relations to environmental parameters in upstream and midstream of the Luanhe River, China

[J]. Acta Ecologica Sinica, 20224212): 5103-5114.

[本文引用: 1]

刘洋刘琦田雨露.

滦河干流中上游浮游细菌群落多样性及其影响因素

[J]. 生态学报, 20224212): 5103-5114.

[本文引用: 1]

Xiong JinboLiu YongqinLin Xianguiet al.

Geographic distance and pH drive bacterial distribution in alkaline lake sediments across Tibetan Plateau

[J]. Environmental Microbiology, 2012149): 2457-2466.

[本文引用: 1]

Liu ZhiqiPan BaozhuHan Xuet al.

Water Environmental characteristics and water quality assessment of lakes in Tibetan Plateau

[J/OL]. Environmental Science, 20222022-09-27]. .

[本文引用: 2]

刘智琦潘保柱韩谞.

青藏高原湖泊水环境特征及水质评价

[J/OL]. 环境科学, 20222022-09-27]. .

[本文引用: 2]

Zhang WeiBahadur AliSajjad Wasimet al.

Bacterial diversity and community composition distribution in cold-desert habitats of Qinghai-Tibet Plateau, China

[J]. Microorganisms, 202192): 262.

[本文引用: 2]

Wu YanhongGuo LinanFan Lanxinet al.

Lake ice phenology of the Nam Co at Tibetan Plateau: remote sensing and modelling

[J]. National Remote Sensing Bulletin, 2022261): 193-200.

[本文引用: 1]

吴艳红郭立男范兰馨.

青藏高原纳木错湖冰物候变化遥感监测与模拟

[J]. 遥感学报, 2022261): 193-200.

[本文引用: 1]

Meng HuadanshangXue WenkaiXue Zhaoet al.

Characteristics and effective factors of bacterial community in surface water along the coast of Namtso lake

[J]. Biotic Resources, 2022445): 432-444.

[本文引用: 1]

孟华旦尚薛文凯薛曌.

纳木措湖沿岸表层水细菌群落特征及影响因素

[J]. 生物资源, 2022445): 432-444.

[本文引用: 1]

Zhang ZhengxianLiu YiLi Yunet al.

Lake ecosystem health assessment using a novel hybrid decision-making framework in the Nam Co, Qinghai-Tibet Plateau

[J]. Science of the Total Environment, 2022808152087.

[本文引用: 1]

Zheng YanyanGuo XiaofangHao Zhaoet al.

Characteristics of culturable bacterial community in coastal water of lake Nam Co in spring

[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2022363): 178-186.

[本文引用: 3]

郑艳艳郭小芳郝兆.

纳木措春季沿岸水体可培养细菌群落特征

[J]. 干旱区资源与环境, 2022363): 178-186.

[本文引用: 3]

Zhang QianqianJian ShenglongLi Kemaoet al.

Community structure of bacterioplankton and its relationship with environmental factors in the upper reaches of the Heihe River in Qinghai Plateau

[J]. Environmental Microbiology, 2021232): 1210-1221.

[本文引用: 3]

Li YaliYang ZhengjianXu Youet al.

Community structure of planktonic bacteria and its driving factors along the upstream area of Qingjiang River in Lichuan City, Hubei Province

[J]. Chinese Journal of Ecology, 20203911): 3756-3765.

[本文引用: 1]

李亚莉杨正健许尤.

清江上游利川段浮游细菌群落结构特征及其影响因素

[J]. 生态学杂志, 20203911): 3756-3765.

[本文引用: 1]

Koch HDürwald ASchweder Tet al.

Biphasic cellular adaptations and ecological implications of Alteromonas macleodii degrading a mixture of algal polysaccharides

[J]. The ISME Journal, 2019131): 92-103.

[本文引用: 1]

Zheng ShizhanZhou ShouhengYang Wenet al.

Spatial and temporal changes of bacterioplankton community and function in Zhejiang and Fujian coastal ecological pasture technology demonstration areas

[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2022628): 3024-3038.

[本文引用: 1]

郑施展周绶珩杨文.

浙闽沿海生态牧场技术示范区浮游细菌群落和功能的时空变化

[J]. 微生物学报, 2022628): 3024-3038.

[本文引用: 1]

Wu LanGe GangGong Shijieet al.

Genetic diversity and composition of bacterial community in water of Poyang Lake

[J]. Research of Environmental Sciences, 20092210): 1145-1149.

[本文引用: 1]

吴兰葛刚龚世杰.

鄱阳湖水体细菌群落组成及遗传多样性

[J]. 环境科学研究, 20092210): 1145-1149.

[本文引用: 1]

Chen GuangzheJiang XingyuHu Yang.

Characteristics of bacterial communities and their co-occurrence networks in lake ecosystem with different trophic states

[J]. Research of Environmental Sciences, 2020332): 375-384.

[本文引用: 1]

陈光哲姜星宇胡洋.

不同营养程度湖泊中细菌群落组成及其分子生态网络特征

[J]. 环境科学研究, 2020332): 375-384.

[本文引用: 1]

Jiang HongchenDong HailiangZhang Gengxinet al.

Microbial diversity in water and sediment of Lake Chaka, an athalassohaline lake in northwestern China

[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2006726): 3832-3845.

[本文引用: 1]

Zhou LeiLi YusenHuang Xiandeet al.

Spatial distribution of bacterioplankton community in Hongchaojiang Reservoir and its relationship with environmental factors

[J]. Acta Microbiologica Sinica, 20206010): 2253-2264.

[本文引用: 1]

周磊李育森黄仙德.

洪潮江水库浮游细菌群落空间分布及其与环境因子的关系

[J]. 微生物学报, 20206010): 2253-2264.

[本文引用: 1]

Singh S KSingh S KTripathi V Ret al.

A novel psychrotrophic, solvent tolerant Pseudomonas putida SKG-1 and solvent stability of its psychro-thermoalkalistable protease

[J]. Process Biochemistry, 2011467): 1430-1435.

[本文引用: 1]

Langille M GZaneveld JCaporaso J Get al.

Predictive functional profiling of microbial communities using 16S rRNA marker gene sequences

[J]. Nature Biotechnology, 2013319): 814-821.

[本文引用: 1]

Kmpfer PSchulze RJckel Uet al.

Hydrogenophaga defluvii sp. nov. and Hydrogenophaga atypica sp. nov., isolated from activated sludge

[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 200555341-344.

[本文引用: 1]

Lambo A JPatel T R.

Isolation and characterization of a biphenyl-utilizing psychrotrophic bacterium, Hydrogenophaga taeniospiralis IA3-A, that cometabolize dichlorobiphenyls and polychlorinated biphenyl congeners in Aroclor 1221

[J]. Journal of Basic Microbiology, 2006462): 94-107.

[本文引用: 1]

Prasad SManasa PBuddhi Set al.

Diversity and bioprospective potential (cold-active enzymes) of cultivable marine bacteria from the subarctic glacial Fjord, Kongsfjorden

[J]. Current Microbiology, 2014682): 233-238.

[本文引用: 1]

Liu ChenyuZhu YananWang Jihuaet al.

Impact of tail water discharged on bacterial community structure in river in different seasons

[J]. Research of Environmental Sciences, 2018315): 893-900.

[本文引用: 1]

刘晨宇祝亚楠王继华.

不同季节尾水排放对河道细菌群落结构的影响

[J]. 环境科学研究, 2018315): 893-900.

[本文引用: 1]

Liu JiweiFu BingbingYang Hongmeiet al.

Phylogenetic shifts of bacterioplankton community composition along the Pearl Estuary: the potential impact of hypoxia and nutrients

[J]. Frontiers in Microbiology, 2015664.

[本文引用: 1]

Wang Songge.

Bacterioplanktonic community’s structure and their influencing factors in the Pearl River Estuary

[D]. ShanghaiShanghai Ocean University2019.

[本文引用: 2]

王松鸽.

珠江河口浮游细菌群落结构及影响因素

[D]. 上海上海海洋大学2019.

[本文引用: 2]

Wang WenjingSheng Yanqing.

Influences of salinity on the bacterial community composition in overlying water of Yuniao River

[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2022385): 628-635.

[本文引用: 2]

王文静盛彦清.

盐度对鱼鸟河上覆水细菌群落结构的影响

[J]. 生态与农村环境学报, 2022385): 628-635.

[本文引用: 2]

Li JialingMou XiaozhenLi Wenjun.

Advances in ecological research of Pearl River Estuarine bacterioplankton

[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2018584): 598-607.

[本文引用: 1]

李佳岭牟晓真李文均.

珠江河口的浮游细菌生态学研究进展

[J]. 微生物学报, 2018584): 598-607.

[本文引用: 1]

Lupatini MSuleiman A K AJacques R J Set al.

Network topology reveals high connectance levels and few key microbial genera within soils

[J/OL]. Frontiers in Environmental Science, 20142022-09-27]..

[本文引用: 1]

Selbmann LEgidi EIsola Det al.

Biodiversity evolution and adaptation of fungi in extreme environments

[J]. Plant Biosystems, 20131471): 237-246.

[本文引用: 1]

Wan TianHe MengxiaRen Jiehuiet al.

Environmental response and ecological function prediction of aquatic bacterial communities in the Weihe River basin

[J]. Environmental Science, 2019408): 3588-3595.

[本文引用: 1]

万甜何梦夏任杰辉.

渭河流域水体细菌群落的环境响应及生态功能预测

[J]. 环境科学, 2019408): 3588-3595.

[本文引用: 1]

/