共存丝状藻对穗花狐尾藻附着细菌和水中浮游细菌群落结构的影响

杨 惠， 武 静， 曹琨琨， 李聪慧， 骆锟峰， 李带雨， 高云霓

（河南师范大学水产学院， 河南新乡453007）

沉水植物不仅能够起到净化水体环境的作用，还具备良好的观赏价值，能够为各种水生动物提供良好的生活栖息场所，在沉水植物表面通常存在大量微生物群落，例如附着藻类、附着细菌、真菌、原生动物、有机碎屑等，还包括衰老和死亡的细胞以及一些无机颗粒[1]，其中附着细菌占主要地位，且组成复杂，很多学者把它们作为一个整体进行研究，且把这个整体称为沉水植物附植生物群落 (epiphytic community)或生物膜(biofilm)。沉水植物与这些附着微生物存在复杂的关系，沉水植物会分泌化感物质，影响其表面附着微生物群落，导致附生细菌群落的多样性和宿主的专一性[2]。

沉水植物附着微生物会随植物种类不同而发生变化，篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum）表面放线菌门和拟杆菌门为优势菌[3]，穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum）和穿叶眼子菜（Potamogeton perfoliatus）表面Cytophaga属、Flavobacter属细菌丰度较高[4]，太湖轮叶黑藻（Hydrilla verticillata）附着细菌主要包括α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲、δ-变形菌纲，苦草附着细菌主要包括α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲[2]。附植细菌群落特征易受到多种因素影响，如沉水植物种类、植物生长状态等生物因素和水温、光照、溶氧、pH、营养等非生物因素[5]。

丝状藻常伴随着沉水植物大量生长，严重影响沉水植物的生长和水体净化效果[6]，但相关机制还不清楚。为此，本研究选取沉水植物穗花狐尾藻，基于附植微生物和浮游微生物多样性探讨丝状藻对穗花狐尾藻的影响，为浅水湖泊沉水植物恢复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验设计

从湖北洪湖（N29.82°,E113.48°）采集穗花狐尾藻，挑选长势良好且均一的植株，分成两组在相同条件下培养，一组生长过程中，丝状藻很少，为穗花狐尾藻单独生长组，命名为C1#，另一组生长过程中，丝状藻大量生长，为与丝状藻共存生长组，命名为C2#，待生长3月后，采集两组植物的附着细菌和水柱中的浮游细菌。

1.2 水质样品采集和测定

现场采用便携式水质分析仪（HACH）测定pH和溶氧（DO），另采集水样1 L，过0.45 μm滤膜后测定其他水质指标。其中，总溶解性碳（TOC）用Multi 3100 TOC分析仪测定，化学需氧量（COD）、磷酸根（PO4-P）、铵态氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等水化指标参照国标方法测定。

1.3 附着细菌和浮游细菌样品采集

戴上无菌乳胶手套收集狐尾藻植株，C1#组和C2#组穗花狐尾藻鲜重分别为87.34 g和81.59 g，用无菌棉签均匀刮取狐尾藻表面附着物，每组三个平行，刮取完成后立刻将其放进无菌的10 mL离心管中，-80℃保存。

将500 mL种植水经0.22 μm滤膜抽滤，收集滤膜，每组三个平行，将其放入无菌的10 mL离心管中，即为浮游细菌样品，-80℃保存。

1.4 附着细菌和浮游细菌DNA 提取和PCR 扩增

2 结果

2.1 水质状况

狐尾藻单独生长组（C1#）水体pH和DO分别为10.08 mg/L和12.09 mg/L，均高于与丝状藻共存生长组（C2#），同时TOC、COD、PO4-P、NH3-N、TN、TP含量也呈现相同规律（表1）。

2.2 穗花狐尾藻附着细菌群落结构特征

狐尾藻单独生长组（C1#）附着细菌共检出17门，与丝状藻共存生长组（C2#）附着细菌共检出24门，其中变形菌门（Proteobacteria）在两组中均为优势菌，而拟杆菌门（Bacteroidetes）、Patescibacteria、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和浮霉菌门（Planctomycetes）在C2#中占比更高，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)在C1#中占比更高（图1）。

图1 两处理组附着细菌组成（门水平）

表1 两处理组水质状况

狐尾藻单独生长组（C1#）附着细菌共检出188个属，与丝状藻共存生长组（C2#）附着细菌共检出371个属。Rhodobacter、Truepera、norank_o__SepB-3、Gemmatimonas、unclassified_c__Alphaproteobacteria、Fuku-N57、SD04E11、Hyphomicrobium在两组中同时存在，但在C1#中丰度高于C2#。CL500-3、norank_c__Subgroup_6、Cyanobium_PCC-6307、Dinghuibacter、norank_f__Chitinophagaceae在C1#丰度较高，在C2#中丰度很低或几乎不存在（图2）。

图2 两处理组附着细菌优势属热图

C2#组的Shannon指数和Chao指数均明显大于C1#组(图3)，表明C2#组细菌群落多样性和丰富度更高。

图3 两处理组附着细菌群落Shannon指数（a）和Chao指数（b）

2.3 穗花狐尾藻种植水中浮游细菌群落结构

狐尾藻单独生长组（C1#）共检出浮游细菌23门，与丝状藻共存生长组（C2#）共检出浮游细菌25门，其中变形菌门和放线菌门均占优势，C1#组中拟杆菌门丰度高于C2#（图4）。

图4 两处理组浮游细菌组成（门水平）

狐尾藻单独生长组（C1#）水柱中共检出浮游细菌305属，丝状藻共存生长组（C2#）共检出浮游细菌362属，其 中Bacillus、Rhodobacter、norank_f__NS9_marine_group、Lacibacter、noank_f__Methylophilaceae、norank_o__Candidatus、_Kaiserbacteria、noank_f__NS11-12_marine_group、unclassified_f__Rhodobacteraceae、norank_o__PeM15在C1#中丰度高于C2#组，Acinetobacter、Hydrogenophaga在C2#中丰度较高，整体看来，C1#和C2#组浮游细菌属的组成相似（图5）。

狐尾藻单独生长组（C1#）和与丝状藻共存生长组（C2#）浮游细菌群落的Shannon指数和Chao指数无显著性差异(图6)。

图5 两处理组浮游细菌优势属热图

图6 两处理组浮游细菌群落Shannon指数（a）和Chao指数（b）

3 讨论

本研究发现丝状藻大量附着时，沉水植物穗花狐尾藻附着细菌群落表现出明显变化，而水柱中浮游细菌群落结构无显著变化。不同沉水植物叶片形态、化学成分和分泌的化感物质都会影响沉水植物附着生物的组成，但是丝状藻对沉水植物附着微生物影响的研究较少。丝状绿藻具有较强的适应能力和生命力，在合适的营养条件下就可以大量生长，水体中营养缺乏的条件下，丝状藻会将有限的营养成分吸收，从而抑制其他水生植物的生长，而且丝状藻比沉水植物更能耐受高浓度的营养盐水平，所以更容易生长存活。水体中营养盐浓度越高，丝状藻繁殖越快，而沉水植物的生长就会受到严重影响，而且当丝状藻死亡腐烂之后会向水体中释放大量的有害物质，会对其他水生生物的生活造成严重影响[6]。本研究发现丝状藻可能通过影响沉水植物附着细菌群落组成影响沉水植物生长和功能。

在附着细菌门类水平上，何聃[7]等的研究发现α-变形菌、β-变形菌、拟杆菌、放线菌、Planctomycetes、蓝藻等门类在沉水植物表面普遍存在，本研究中变形菌、放线菌和蓝藻门在穗花狐尾藻表面也都有发现，且变形菌门在两个处理组中都是优势菌。马杰[3]的研究发现，变形菌门也为篦齿眼子菜附着细菌的主要门类，但是由于沉水植物叶片化学组成成分不尽相同，且会分泌化感物质和物理结构的不同，因此会导致沉水植物附着细菌的差异性。Hempel 等研究发现，浮霉菌门在轮藻表面丰度很高，但是在多酚类物质含量丰富的狐尾藻上却基本没有发现[4]，但是在丝状藻生长旺盛的处理组中，穗花狐尾藻附着细菌中发现了浮霉菌门，我们猜测丝状藻附着在穗花狐尾藻表面对其生长造成了影响，使其分泌的多酚类物质减少，从而降低了对浮霉菌门的抑制作用。拟杆菌在丝状藻生长旺盛的处理组中丰度明显高于健康生长的狐尾藻组，有研究表明，水体营养盐水平越高，拟杆菌门丰度也越高[8]，但是在本研究中，丝状藻生长旺盛的处理组的水体中营养水平较低，拟杆菌门的丰度却明显较高，我们猜测附着的拟杆菌不仅与水体营养盐浓度密切相关，与狐尾藻自身分泌的化感物质也有关系。

从狐尾藻附着细菌的属水平来看，norank_c__Subgroup_6 ( 酸 杆 菌 门 )、Cyanobi -um_PCC-6307、norank_f__Chitinophagaceae（拟杆菌门 ）、norank_f__Steroidobacteraceae、norank_c__Gracilibacteria这5属在丝状藻生长旺盛组丰度较高，而在单独生长的狐尾藻组丰度很低或者几乎不存在。norank_c__Subgroup_6属于酸杆菌门，是根际土壤中唯一的潜在宿主，norank_f__Chitinophagaceae属于拟杆菌门，其与多环芳烃类物质芘在水中的消散呈正相关关系。

本研究中，丝状藻生长旺盛组细菌群落组成较多样且细菌丰富度高，我们猜测，这是由于穗花狐尾藻会分泌化感物质，如花青素、酚类等物质，丝状藻附着在其表面会影响这些化学物质的分泌，从而导致狐尾藻表面细菌表现出多样性，即丝状藻的大量附着会对沉水植物的生物膜造成影响。

水体中的浮游细菌会沉积在沉水植物表面，也是沉水植物附生细菌的重要来源，而且沉水植物的附生细菌也可能悬浮在水体中，水体中浮游细菌的组成与沉水植物表面附着细菌组成非常相似，只是在属或种的水平上有所不同。任丽娟[9]等研究表明变形菌门、蓝细菌门、拟杆菌门、放线菌门和疣微菌门5个门类是湖泊水体中最主要的细菌门类，与沉水植物表面附着细菌主要门类组成相似，在本研究中，浮游细菌的优势门类是相同的，主要是变形菌门、放线菌门，其中狐尾藻单独生长组水体的浮游细菌中拟杆菌门丰度高于丝状藻生长旺盛的处理组。有研究表明水体营养盐水平越高，细菌群落结构更为多 样[10]，与本研究结果一致。在细菌属水平，丝状藻生长旺盛的处理组水柱中浮游细菌种类更为丰富，但是两组浮游细菌群落的Shannon指数和Chao指数没有显著性差异，表明两组中浮游细菌群落组成无明显差异。

4 结论

丝状藻附着在穗花狐尾藻表面，影响其表面细菌群落结构组成，丝状藻生长旺盛的处理组，穗花狐尾藻附着细菌群落结构组成更为多样，丰度更高，而水柱中浮游细菌群落结构组成无明显变化。