宁武天池湖泊群细菌群落多样性的时空格局及驱动机制

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受人类活动和气候变化影响,华北山地湖泊面积和水位出现不同程度的下降,湖泊生态系统的生物多样性和结构发生了相应的变化。深入研究湖泊微生物群落多样性和功能受环境因子的影响机制,可以为阐明湖泊生态系统对气候变化和人类活动的响应机制提供基础。本文利用高通量测序、实时定量PCR(q-PCR)和DGGE方法对山西宁武山地湖泊群公海(GH)、马营海(MYH)和琵琶海(PPH)水体细菌群落多样性时空格局开展研究,探究湖泊细菌群落多样性时空动态及其维持机制;以氮循环反硝化功能基因(nirK和nirS)为标记,用q-PCR的方法分析了湖泊群反硝化细菌群落丰度的时空动态及其驱动机制。结果表明:(1)水体理化参数在GH、MYH和PPH间差异显著(P<0.05),且一些理化参数的季节变化趋势相同。其中PPH的p H值平均最小(6.864),而有机碳含量最大(27.856 mg/L);GH的离子浓度较高,而MYH中相对较低。(2)不同湖泊和不同季节的细菌群落α多样性具有显著差异,这种差异性主要与水体可溶解氧(DO)和铵态氮(NH4+)浓度显著相关(P<0.05)。不同湖泊和不同季节的细菌群落组成差异显著,主要是受到水体NH4+浓度和空间距离的显著影响。湖泊群细菌群落结构具有明显的空间分布格局,这种空间分布格局受到环境选择和扩散限制的双重影响,而环境选择是主要的驱动力,其中水体氮浓度、DO、电导率(EC)和水温(T)是影响湖泊细菌群落多样性格局的主导因子。(3)公海湖中,细菌群落丰度具有显著的时空动态特征。8月份的丰度最高,为2.23×107 copies m L-1;10月份最低,为7.61×106 copies m L-1;在水体中层(2 m、4 m和6 m)的丰度较高,平均为1.38×107 copies m L-1;表层和底层(0 m和8 m)相对较低,为1.11×107 copies m L-1。细菌群落α多样性指数在各月份和不同深度间均有显著性差异(P<0.05),从4月份到12月份,整体上呈现先减少后增加的趋势。PERMANOVA分析结果表明,不同深度之间细菌群落的β多样性具有极显著差异(P<0.001)。冗余分析和方差分解结果表明,水体中细菌群落的β多样性格局是环境选择和扩散限制共同作用的结果,环境选择的相对作用更强,其中水体无机氮浓度是主要的影响因子。(4)三个湖泊水体中的nirK和nirS基因丰度(拷贝数)分别在5.17×105 copies m L-1和4.35×102 copies m L-1以上,表明宁武山地湖泊中编码nirK和nirS的反硝化细菌群落丰度较高。nirK与nirS基因的丰度有极显著线性正相关关系(P<0.001),且在所有采样点nirK基因的丰度显著高于nirS基因的丰度,这表明在亚硝酸盐还原过程中含有nirK基因的细菌群落可能比含有nirS基因的细菌群落发挥更重要的作用。(5)反硝化细菌丰度的动态特征及其驱动机制。三个湖泊间含有nirK和nirS功能基因的反硝化细菌群落的丰度有显著性差异(P<0.05)。每个湖泊反硝化细菌群落的丰度均有显著的季节变化特征(P<0.05)。这种变化主要与环境因素显著相关。逐步回归分析结果表明,不同湖泊中NO3-、NH4+和T对nirK和nirS的影响最为显著;不同季节的DO、NH4+、NO2-和NO3-浓度变化对反硝化细菌群落的影响最为显著(P<0.05)。这说明虽然大部分含nirK和nirS基因的反硝化微生物群落丰度呈显著正相关,但对环境因子的响应有差异,反映了这类细菌对环境变化的适应性机制的差异。本研究为揭示亚高山湖泊生态系统对气候变化和人类活动的响应机制提供了数据支持,对内陆湖泊水资源管理和可持续利用具有重要意义。
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