基于高通测序方法的辽河流域水生植物微生物群落吸附试验

张 磊

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

水生植物对河流水质具有一定程度的净化作用，尤其是对重金属和氮磷污染物具有较为明显的吸附作用[1]。细菌微生物主要吸附在植物的表面，和水生植物松散或紧密结合在一起形成具有共生的细菌微生物[2]。水生植物作为生态系统机构的生产初级者，对水生态系统的机构和功能影响较为明显[3]。水生植物可对污染物进行吸附的同时，通过光合作用为水生生物栖息和产卵提供条件。沉水和浮叶植物通过漂浮叶面为微生物群落提供吸附空间，微生物与生物膜之间存在紧密联系，相互影响[4]。近些年来，高通测序方法被广泛应用于河流水生植物微生物群落吸附分析[5-11]，但在辽河流域还未得到相关应用，辽河为辽宁省第一大河，是辽宁母亲河，其河流生态一直是社会关注的热点问题，为加大对辽河流域的生态保护和修复，辽宁省制定了许多辽河生态保护的措施，辽河流域的生态功能得到不同程度的改善和修复[12]。但生态治理措施中于水生植物微生物群落对污染物吸附分析的研究还较少，多个研究成果均表明[13-15]水生植物生物群落吸附作用有助于流域水生态功能结构的改善。本文采用高通测序方法对辽河流域5种典型水生植物不同季节的微生物群落进行吸附试验分析，分析其对水质吸附的影响。研究成果对于辽河流域水生态保护和修复规划具有重要参考价值。

1 材料与方法

1.2 现场采样测定情况

以辽河流域5种水生植物为研究对象，水体样本和水生植物均来自于大凌河流域。各样本采集的时间分别为2019年3月(春季)、2019年8月(夏季)、2019年11月(秋季)以及2019年12月(冬季)。 夏季和秋季现场采样和测定如图1所示。

图1 夏季和秋季现场采样和测定场景

1.3 水质的测定

对辽河流域个水质监测站的水质进行了试验测定，水质测定情况见表1，结合不同季节的水质测定数据，对采样区域不同水生植物的污染物吸附率进行了分析，数据主要室内试验测定得到，试验结果见表2。

表1 水质监测站水质测定结果

表2 各季节不同类型水生植物污染物削减量结果

1.4 生物群落的测定

采样高通测序方法对不同水生植物的生物群落进行测定，以各样本长度为横坐标，以其对应不同长度的数值为纵坐标进行测序分布分析，将不同测序划分为多个菌群多样性指数，测序阈值在13%可表示为微生物物种，微生物的属以5%OTU来表示，微生物的纲以15%OTU来表示，以不同类型序列为代表，采用RDP训练数据库为样本数据系列进行注释，得到不同OTU原始分类数据系列，由于原始数据系列含有的OTU数据系列较少，序列的置信水平较低，对样品中测定的不同微生物的数目和丰度进行统计，随着高通测序数据样本序列的增加，对样本曲线进行稀释，当稀释后曲线逐步平稳后，可表示为测序样本序列已经足够。对高通测序进行校正，分析其微生物的覆盖指数，结果见表3。

表3 辽河流域不同水生植物的生物群落高通测序分析结果

2 不同水生植物附着微生物多样性及密度试验结果

2.1 微生物多样性指数分析结果

采用高通测序方法，对辽河流域色球藻科、大螺旋藻、环状扇形藻、北方桥弯藻以及短棘盘星藻5种水生植物在不同季节的多样性指数进行分析，结果见表4。

表4 辽河流域种典型水生植物不同季节多样性指数分析结果

辽河流域各个季节色球藻科多样性指数均高于其他类型水生植物，为辽河流域多样指数最高的水生植物，各典型水生植物夏季的覆盖指数最大，进

入冬季后覆盖度指数最小，呈现明显的季节性变化特征。从水生植物适宜性评价的Shannon指数和Simpon指数可看出，在辽河流域夏季和秋季水生植物的丰富度和覆盖度指数均高于其他两个季节，具有较高的适宜性，各藻类生物吸附特征要高于水生植物浮叶表层。

2.2 微生物数量测定结果

对辽河流域5种典型水生植物微生物吸附密度行测定分析，结果见表5。

表5 辽河流域5种典型水生植物单位密度下生物群落数量测定结果

色球藻科作为辽河流域覆盖度较高的水生植物其微生物吸附的数量也较大，其次为大螺旋藻，短棘盘星藻由于覆盖指数较低，其微生物吸附的数量和密度均较低。受水生植物季节生长变化，其不同季节微生物吸附的数量和密度也存在明显的季节性变化，夏季水生植物吸附密度最高，而进入秋季和冬季后微生物吸附数量递减较为明显。浮叶类植物表层微生物吸附数量较低，但进入秋季后短棘盘星作为辽河流域典型浮叶植物其微生物吸附数量要高于其他类型水生植物。

3 微生物吸附群落结构分析

3.1 微生物群落丰富度分析

对不同季节辽河流域5种典型水生植物的微生物群落丰富度进行了对比分析，分析结果见表6。

通过采样测定分析，变形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂杆菌、杆菌、疣微菌为辽河流域各典型水生植物主要吸附的菌类植物，其丰富度之和占总菌类微生物的比例高达90%以上，不同水生植物微生物菌落呈现较为明显的季节变化特征，其中变形菌为夏季和秋季第一优势菌种微生物，而冬季和春季其优势度有所下降，杆菌的优势随着冬季气温的降低而有所提高。

3.2 微生物群落优属度分析结果

对辽河流域各典型水生植物的微生物吸附群落结构的优属度进行分析，结果见表7。

从各典型水生植物的菌类微生物的优势度分析结果可看出，夏季和秋季各类微生物优属度均好于其他季节，受到水生植物生长以及分泌物关联影响，冬季和春季各菌类微生物呈现一定的专一宿主变化。受到光合作用影响沉水藻类植物的菌类微生物优属度有所增加。季节温度对其菌类微生物群落结构的影响要高于其植物类型的变化影响。水生植物初期菌类发育随机度较大，通过对周围水体养分快速吸收来加速生长，其吸附群落结构变化相对较为稳定。水温的递减使得各类水生植物微生物吸收养分有所减少，也加速了菌类微生物的衰亡速率。也表明水生植物微生物吸附受水温环境影响较大。

3.3 附着微生物群落与水环境相关性度分析结果

结合环境因子相关分析方法对辽河流域各季节5种典型水生植物吸附的微生物数量与水环境因子进行相关性分析，结果见表8。

从可看出，各类型微生物菌类数量在春季与TP、TN、pH均为负相关，与COD呈现正相关，且与TN相关系数最高。各菌类水量在夏季丰富度指数均较高，且与各类水环境因子均为正相关。夏季由于水温较高其微生物菌类吸附的数量相对较大，其与水环境因子的相关系数要高于其他季节。秋季各类型微生物菌类与TN、TP负相关性较为明显，冬季由于水温较低，其微生物菌类吸附数量较少，使得其水环境因子的相关性较低。

表8 辽河流域各季节水生植物附着微生物群落与水环境相关性分析结果

4 结论

(1)变形菌门对有机碳和重金属降解有显著效果，主要吸附在藻类水生植物根系上，建议可增加夏季和秋季辽河流域藻类水生植物数量，提高变形菌类微生物的吸附密度。

(2)杆菌对水体中有机物的降解具有一定的效果，其主要吸附于浮叶类植物，因此建议在秋季可适当增加短棘盘星的数量，从而提高杆菌类微生物的吸附密度，降低辽河流域水体有机物的浓度。

(3)微生物菌类对水体中有机碳、重金属以及有机物有生物降解作用，但其生态功能还需要进一步讨论，尤其是在夏季其和TN、TP呈现正相关性，因此其对于水生植物生态适宜数量还需进一步探讨。