三峡库区支流蓝藻水华对浮游细菌群落组成的影响

毛 莉 张 明 白 芳 崔懿安 施军琼 吴忠兴（西南大学生命科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，北碚 400715）

三峡库区支流蓝藻水华对浮游细菌群落组成的影响

毛 莉 张 明 白 芳 崔懿安 施军琼 吴忠兴
（西南大学生命科学学院，三峡库区生态环境教育部重点实验室，北碚 400715）

摘要：为探究蓝藻水华生消过程对浮游细菌群落组成的影响，对三峡库区小江支流进行了采样检测，结果表明小江采样点的水华优势蓝藻主要为水华鱼腥藻和铜绿微囊藻，水华中期藻细胞密度分别达6.22×109和8.77×108个/L，占总生物量的67%和26%。水华中、末期，浮游细菌群落变化显著。其中，水华中期主要以玫瑰单胞菌（Roseomona）等属细菌为主，水华末期则以芽孢杆菌（Bacillus）等属细菌为优势，且变形菌门（Proteobacteria）及放线菌门（Actinobacteria）细菌相对丰度明显增加，暗示了细菌群落组成与库区支流蓝藻水华生消变化可能具有相关性。

关键词：蓝藻水华； 浮游细菌； 三峡库区； 小江； 高通量测序

彭溪河（小江）为三峡库区北岸最大支流，自2003年三峡水库蓄水后，受高水位影响，回水区的水文情势发生了变化，流速减缓，水环境参数与自然环境有很大区别［1］。受回水顶托的库湾和支流富营养化加重的影响，小江藻类生物量不断增加，局部时段多次发生水华［2］，其环境问题已成为社会各界关注的焦点。近年来关于小江水华暴发的报道时有发生［3，4］。且在2007—2009年对蓬溪河回水区水质进行检测的研究显示，彭溪河水体中总氮（TN）、总磷（TP）浓度较高，全年都呈现富营养水平或者重度富营养水平。

蓝藻水华是水体富营养化的一种表征，从20世纪以来，伴随着农业的集约化，世界上的很多淡水湖都出现蓝藻水华现象［5］。蓝藻水华的发生引起了许多不利的影响，如:水体缺氧、恶臭［6］。部分蓝藻能产生藻毒素，具有促癌效应，直接威胁人们的健康和生存［7］。因此，对蓝藻水华的生消机制研究一直是研究的重点。

20世纪80 年代以来，细菌与藻类的相互关系作用受到人们极大的关注［8—10］。大量研究表明:在藻菌共合体中，藻类生长产生的有机质会为细菌的生长提供有利条件，同时，细菌在生长过程中，通过分解转化有机质，可为藻类生长提供营养盐和必要的生长因子，继而影响藻类的生长。此外，在藻类和细菌之间还存在一些非常隐秘的生态学相互作用，例如，产生他感物质的相互抑制［11］以及对营养物和微量元素的相互竞争等［12］。庞兴红等［13］、邢鹏等［14］通过对太湖5个观测点采集浮游细菌及浮游藻类样本，表明春末夏初浮游细菌与浮游藻类群落演替具有较高的相关性。以上概述说明藻和细菌之间存在着紧密的联系，藻类的暴发很可能与相关细菌的群落结构存在着对应关系。但关于小江水华发生和细菌之间的相互作用并未见相关文献报道，因此，本实验以三峡库区回水区支流-小江作为研究对象，旨在研究夏季蓝藻水华暴发时，浮游微生物群落在种类、数目及优势种等方面的相关动态变化。

1 材料与方法

1.1 样点

分别于2014年8月2日（水华中期）和8月17日（水华末期），对小江进行水样采集。采样点见图 1，其坐标为30°57′14.15″ N，108°42′6.93″ E。

图 1 小江样品采集地点

1.2 水体理化指标的测定

用多参数水质分析仪DS5/DS5X（Hydrolab，美国）现场测定水温、pH、电导率、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）和浊度，透明度（SD）用塞氏盘测量。

水体中碱度、总氮、总磷、正磷酸盐、铵态氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、可溶性硅酸盐、高锰酸盐指数、叶绿素a等指标测定方法参照《水和废水监测分析方法》。

1.3 浮游植物定性及定量分析

浮游植物定性样品用25#浮游生物网进行采集。取表层水样1 L，用 Lugol 溶液固定后，沉淀96h，将水样浓缩至30 mL，保存并计数。浮游植物定性、定量分析均使用Nikon E-Ci显微镜，物种的鉴定参照中国淡水藻志和《中国淡水藻分类》等资料。浮游植物定量采用浮游植物计数框。

1.4 细菌总数及群落结构分析

现场所取250 mL水样经0.22 μm滤膜现场抽滤，低温下保存后并送至诺禾致源公司对16S rDNA的V4区进行高通量测序。经Illumina MiSeq测序平台，利用双末端测序（Paired-End）的方法，构建小片段文库进行双末端测序。并通过对Reads拼接过滤，获得 OTUs（Operational Taxonomic Units）聚类，并进行物种注释及丰度分析［15—19］。

1.5 数据处理及分析

对藻类及细菌的计数结果进行加权求均值，并采用EXCEL及Orgin8.6进行图表的绘制。

2 结果

2.1 浮游植物群落结构的变化

如图 2所示，水华中期，共检出藻类5门20属，包括蓝藻门（7属），硅藻门（4属），绿藻门（6属），甲藻门（1属），裸藻门（1属）。其中所占比例最大的是蓝藻门，所占比例为98.45%； 优势种为水华鱼腥藻，其藻细胞数为6.22×109个/L，所占比例为66.8%，其次为铜绿微囊藻，其藻细胞数为8.77×108个/L，所占比例为26.4%。而水华末期，共检出6门13属，包括绿藻门（5属），硅藻门（2属），隐藻门（1属），蓝藻门（3属），甲藻门（1属）。其中所占比例最大的是绿藻门，所占比例为54.01%。优势种为四尾栅藻，所占比例为40.49%，其次为尖针杆藻，所占比例为17.07%。

2.2 采样期间理化指标

两次采样的主要环境参数的变化如表 1，两次采样结果进行比较分析发现透明度、溶解氧显著降低，其分别下降了27%和51.5%（P<0.05，ANOVA）。总氮、可溶性总氮及硝酸盐氮分别增加了54.3%、28.1%和111.1%，而氨氮则降低75.5%（P<0.05，ANOVA）。总磷、正磷酸盐、叶绿素浓度均出现略微下降，但并未表现出显著差异（P>0.05，ANOVA）。

2.3 水华不同阶段细菌OTUs、丰度及群落变化

图 2 小江浮游植物群落结构组成

Illumina MiSeq测序分析结果表明，水华中期检测到OTUs数1286个，水华末期OTUs数目1437个，其中共有OTUs数1026个。水华中期共检测到5670个物种，而水华末期物种数为5009。相对丰度最高的前十个门的分布结果如图 3B所示，相比水华中期，水华末期变形菌门（Proteobacteria）相对丰度由26.85%增加至50.24%，放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度由10.90%增至14.83%，厚壁菌门（Firmicutes）的相对丰度也上升了0.98%； 而拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度则由8.70%降低至4.89%，蓝细菌门（Cyanobacteria）的相对丰富度则由第一次的37.59%显著降低至15.85%。

丰度排名前35的属及其在每个样品中的丰度信息如图 4所示，图中横向为样品信息，纵向为物种注释信息，图中左侧的聚类树为物种聚类树； 中间热图对应的值为每一行物种相对丰度经过标准化处理后得到的Z值（为样品在该分类上的相对丰度和所有样品在该分类的平均相对丰度的差除以所有样品在该分类上的标准差所得到的值）。在水华中期水样中，有14个属的相对热度大于0，其中Candidatus aquiluna和Luteolibacter-革兰氏阴性好氧细菌、Limnothrix、Dolichospermum的相对丰度最高，其次为Roseomonas、Cylindrospermopsis和Fluviicola。而与水华中期相比，水华末期Roseo-monas、Cylindrospermopsis、Candidatus_aquiluna、Fluviicola、Luteolibacter、Limnothrix和Dolichosperm的相对丰度显著下降。而Novosphingobium、Exiguobacterium、Opitutus、Nitrospira、Bacillus、Methylotenera的相对丰度则明显增加。

3 讨论

水华发生过程是一个复杂的动态过程，其受许多因素影响，如营养盐［2 0］、水文气象［2 1］、温度［22，23］、光强［24］、风浪［25］等，但水体富营养化被认为是水华发生的重要原因［26］。然而，采样期间，小江浮游藻类主要的优势种由蓝藻门的鱼腥藻转变为绿藻门的四尾栅藻，群落结构发生了显著变化（图 2）。而两次采样的营养盐含量中，差别不显著，暗示采样期间浮游群落结构的变化与营养盐含量的变化无显著相关性。

浮游植物周期性的剧烈增长会导致细胞外自由态有机物的大量输入［27，28］。而旺盛生长的藻类所释放的有机碳则可以作为细菌高效利用的底物［29，30］。且研究表明细菌对有机质的这种分解矿化作用，不仅促进了水生态系统中元素的循环，更是加速了水体中浮游藻类群落结构发生变化［31］。本研究两次采样的细菌数目相比，水华末期OTUs数目比第一次采样有所增加，且物种数目也有所下降，这结果也与前人的研究结果是一致的［32］，暗示了细菌丰度及种类变化可能影响浮游植物组成。

表 1 样点理化参数Tab.1 Physical and chemical parameters in sample sites

图 3 样品的物种相对丰度

细菌和藻类之间的作用是相互的，它们可能因竞争营养物质而相互抑制，也可能相互利用与促进，甚至相互依赖形成复杂的共生系统［33］。本研究中16S高通量测序的结果发现，第二次采样中蓝藻门的相对丰度则显著降低（图 3A），这与前面浮游植物群落结构的变化结果是一致的。此外，变形菌门和放线菌门的相对丰度均增加，表明更多的营养物质被细菌所吸收，从而使得其丰度出现增加。水华不同时期细菌群落组成是不同细菌生理特征适应环境的反映，细菌群落的变化是环境因子变化的结果。Bacteroides类群中的微生物广泛分布于厌氧环境中，并具有降解一系列复杂有机高分子的能力，包括碳水化合物及蛋白质，所以在水华暴发期间其相对丰度较高［34］。在本实验中，拟杆菌门Bacteroidetes的相对丰度由8.70%降低至4.89%，进一步支持了前面叶绿素a含量降低的结果。研究发现富营养化淡水湖泊有机聚集体上附着细菌优势门类为β-变形菌纲（34%）、α-变形菌纲（15%）、拟杆菌门（11%）及浮霉菌门（Planctomycetes，10%）［35］。本实验发现，两次采样的16S高通量测序的结果中，变形菌门、拟杆菌门及浮霉菌门均占据一定比例（图 4），而理化指标中所测定的营养盐含量也并未出现显著差别，表明小江在本实验期间处于富营养化状态。

图 4 物种丰度聚类比较

细菌在分解有机质的过程中，能够产生对某些藻类生长起抑制作用的有毒物质，从而使另一些藻类生长旺盛，成为优势种［36］。在本实验中，第二次所采样品与第一次相比，蓝细菌菌群的Cylindrospermopsi、Limnothrix和Dolichospermum的相对丰度显著下降，这与前面的浮游植物群落结构变化是一致的，但Exiguobacterium和Bacillus相对丰度明显增加，暗示这些细菌数目的增加促使了浮游植物群落优势种由蓝藻向绿藻转变。此外，研究表明当铜绿微囊藻（ Microcystis aeruginosa ）与芽孢杆菌混合培养时，微囊藻的生长受到明显的抑制，但是否Bacillus会抑制蓝藻的生长，还需要进一步的验证。

4 结论

本实验的结果发现三峡库区支流小江在夏季两次采样期间，其优势种由蓝藻门的鱼腥藻向绿藻门的四尾栅藻转变，相应的水体中细菌菌群也发生了显著的变化，随着水体生物量的降低，部分好氧细菌的数目显著增加，这表明在小江水体中，细菌群落的变化与浮游藻类的群落结构改变具有一定的相关性，这为进一步的研究奠定基础。

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THE EFFECT OF CYANOBACTERIAL BLOOM TO PLANKTONIC BACTERIA COMMUNITY COMPOSITION IN TRIBUTARY OF THE THREE GORGES RESERVOIR

MAO Li，ZHANG Min，BAI Fang，CUI Yi-An，SHI Jun-Qiong and WU Zhong-Xing
（Key Laboratony of Eco-envionments in Three Gorges Reservoir Region（Ministry of Education），School of Life Science，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Abstract:To explore the effect of cyanobacterial blooms to the planktonic bacteria community composition，a sample survey was conducted in Xiaojiang River，a tributary of the Three Gorges Reservoir.We found that Anabaena flosaquae and Microcystis aeruginosa were the dominant species of cyanobacterial blooms with 67% and 26% of tota species in the Xiaojiang River，respectively.The density of cells is 6.22×109/L and 8.77×108/L，respectively.During the process of cyanobacterial blooms，the community of planktonic bacteria changed significantly.The dominant bacteria in mid and end of blooms were Roseomonas and Bacillus respectively.In addition，the relative abundance of Proteobacteria and Actinobacteria increased significantly in the end of blooms.These results suggest the correlation between the planktonic bacterial community composition and cyanobacterial blooms.

Key words:Cyanobacterial blooms； Planktonic bacteria； The Three Gorges Reservoir； Xiaojiang River； High throughput sequencing

中图分类号：Q145+.2

文献标识码：A

文章编号：1000-3207（2016）03-0609-06

doi:10.7541/2016.82

收稿日期：2015-08-03；

修订日期：2016-01-10

基金项目：西南大学国家级大学生创新训练项目（201410635044）； 中央高校基本业务费专项资金（XDJK2016C111）资助［Supported by the Southwest University National Training Program of Innovation for Undergraduates（201410635044）； Fundamental Research Funds for the Central Universities（XDJK2016C111）］

作者简介：毛莉（1994—），女，四川乐山人； 本科生； 研究方向为藻类生理学。E-mail:maoli199401@163.com

通信作者：施军琼（1977—），女，博士； 主要从事藻类生理生态及分子系统学研究。E-mail:shijunqiong@163.com