硫酸盐还原细菌对蓝藻水华厌氧分解的适应性响应研究

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湖泊富营养化能够导致蓝藻水华爆发,而蓝藻水华厌氧分解过程将进一步导致水体厌氧,甚至引发湖泛问题,破坏湖泊水生态系统。硫酸盐还原菌(SRB)是硫元素生物地球化学循环的重要参与者,能够在厌氧条件下将藻源溶解性有机物分解,同时将硫酸根还原为可溶性硫化物(∑H2S)。探究SRB对蓝藻水华厌氧分解的适应性响应有助于进一步认识SRB在湖泛中的重要作用以及SRB应对湖泊环境变化的适应机制。本文选取中国第三大淡水湖——太湖中典型藻型湖湾竺山湾为研究对象。2019年6月,竺山湾(31°24.335′N,120°01.762′E)发生了湖泛,采集了该位点处表层上覆水(SW)、底层上覆水(BW)和表层1-10cm沉积物样品。2019年7月该位点水体表观上正常,无湖泛发生,再次采集该位点SW、BW和表层沉积物样品。通过分析上覆水和沉积物样品的理化指标,结合室内模拟实验,探究了湖泛和非湖泛期SRB硫酸盐还原活性的差异性,同时通过高通量测序技术和三维荧光手段,分析了SRB群落结构变化特征以及硫酸盐还原过程中有色溶解有机物(CDOM)组分和相对含量的动态变化特征。本研究的主要结论如下:(1)湖泛期上覆水中氮、磷元素浓度明显高于非湖泛期。湖泛期表层上覆水(SW)会产生大量∑H2S,最大浓度高达1.24±0.12 mg L-1,且∑H2S通过和沉积物中的铁结合形成固体硫化物而扩散到表层沉积物中。另外,是否另外添加有机底物乙酸对硫酸盐还原速率(SRR)不存在显著影响(P>0.05),表明蓝藻水华厌氧分解为上覆水中SRB提供了充足的有机物,这可能是太湖中SRR显著高于其他许多淡水半对流湖泊的主要原因。另外,本研究中表层上覆水和底层上覆水的细胞比硫酸盐还原速率(cs SRR)没有显著性差异(P>0.05),这表明淡水湖泊不同深度上覆水中SRB的还原代谢能力接近,生理界限狭窄。(2)微生物高通量测序结果表明,湖泛和非湖泛期各SRB属群落结构存在显著差异(P<0.05)。Desulfomicrobium和Desulfovibrio属微生物是湖泛时上覆水中主要的SRB,而Desulfobulbus、Desulfoobacca和Desulfatiglans属则广泛存在于湖泛期和非湖泛期的沉积物中。微生物共存网络分析表明SRB是微生物共存网络中特征节点之一,且SRB和相关功能微生物相互作用存在多样性,而且这种相互作用的强弱与SRB相对丰度没有直接关系。另外共存网络也表明每个SRB属会与不同细菌结合以实现特定的功能,即各SRB属在淡水湖泊微生物群落中的生态作用存在差异。SRB可能通过调节自身酶活性和新陈代谢以维持细胞生理活动,以及通过改变其相邻节点以适应湖泛。(3)室内模拟实验研究了硫酸根浓度升高对SRB参与藻源性有机物分解过程中有色溶解有机物(CDOM)组分和相对丰度的变化。结果表明,蓝藻水华厌氧分解过程中产生了CDOM的4个荧光组分,组分1为类酪氨酸、组分2和组分3为类色氨酸、组分4为类腐殖质。这4个组分中,组分1到组分4的荧光强度依次递减,实验过程中未添加硫酸根的对照组(CK)在第8天测得的组分1类酪氨酸含量最高。除组分1类酪氨酸在实验过程中保持上升趋势,其他3个组分的荧光强度都显示为先上升后下降。另外,硫酸盐浓度对各荧光组分没有显著影响。高通量测序结果显示在CK组和添加120mg/L硫酸根实验组(120S)中,SRB属种类和相对丰度都是随着培养时间逐渐变多,表明硫酸盐还原反应需要多种SRB属共同作用,同时硫酸盐还原反应也会刺激多数SRB属生长。另外,SRB(如Desulfovibrio、Desulfomicrobium、Desulfobulbus、Desulfohalovibrio等)在微生物属种数量和相对丰度中占绝对优势。同时,不同SRB属在群落结构分布上也存在差异。在各实验组中,脱硫弧菌属(Desulfovibrio)和脱硫微菌属(Desulfomicrobium)的平均相对丰度始终最大,脱硫弧菌属(Desulfovibrio)相对丰度和硫酸盐浓度成反比。本研究中多数SRB属群落结构和硫酸盐还原反应程度正相关,而脱硫弧菌属(Desulfovibrio)生长受到硫酸盐还原反应的抑制。综上所述,湖泛发生后蓝藻水华的厌氧分解为SRB提供了充足的有机底物,促进了硫酸盐还原过程,且对不同深度的上覆水和沉积物中SRB活性和群落结构的影响不同。另外,蓝藻水华厌氧分解改变了SRB与其他微生物之间的相互作用。本文研究了湖泛发生前后SRB活性及群落结构的差异性,下一步需深入探究蓝藻水华的萌发、发展、形成和消亡整个过程中SRB的活性和群落变化特征。
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