论文部分内容阅读
澧河隶属于淮河流域、颖河水系,起源于南阳市方城县,流经叶县、舞阳县,于漯河市源汇区汇入沙河。本文以澧河为研究对象,以16S rRNAV3-V4区为靶基因,基于Illumina平台进行高通量测序,采用生物信息学分析技术,系统研究了澧河水体、沿岸沉积物、荻草根际与非根际沉积物微生物多样性时空变化规律及其对环境因子的响应。研究结果如下:（1）在2020年10月-2021年8月间,沿澧河共设置18个采样点,连续四个季度共采集了 72个水样。水体环境因子测定结果表明,澧河水质整体表现良好,水质指标TP、COD、NH3-N和DO在秋季可达到地表水环境质量标准Ⅲ类,在冬季、春季和夏季为地表水环境质量标准Ⅳ类。本研究从72个水体样品中共获得有效序列5079452条,基于97%相似度可划分为8941个OTU。α多样性分析表明夏季微生物的α多样性最高,这是由于夏季降雨量较大,地表径流携带大量陆生微生物进入水体导致。基于环境因子和微生物群落相关性分析,结果表明水体中影响微生物群落结构的关键环境因子有溶解氧（DO）、温度（T）和总磷（TP）。澧河水体微生物种群结构在四个季度中表现出较大差异,其中变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）虽然在四个季度中均为优势菌群但随着季节的变化,其占比发生较大波动。此外,秋季和春季的优势菌群中出现了厚壁菌门（Firmicutes）,而冬天和夏天的优势菌群中分别出现了拟杆菌门（Bacteroidetes）和蓝藻菌门（CyanobacteriaChloroplast）。（2）本研究共设置16个沿岸沉积物采样点,连续四个季度共采集了 64个沉积物样品。沉积物样品环境因子测定结果分析表明,秋季样品氨氮（NH3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）和pH显著高于其他季节（p≤0.05）,其中亚硝酸盐氮（N O2-N）与夏季样品差异不显著;冬季样品总凯氏氮（TKN）、总磷（TP）和硝酸盐氮（NO3-N）含量显著高于其他季节（p≤0.05）,其中总凯氏氮（TKN）和总磷（TP）与夏季样品差异不显著,硝酸盐氮（NO3-N）与春季样品差异不显著;春季样品中硝酸盐氮（NO3-N）水平显著高于秋季和夏季（p≤0.05）。总有机碳（TOC）在不同季节样品中没有显著差异。本研究从64个沿岸沉积物样品中获得有效序列4826771条,基于97%相似度可划分为12211个OTU。α多样性分析表明秋季和夏季样品微生物丰富度显著高于冬季和春季。夏季样品多样性最高,秋季最低。基于环境因子和微生物群落相关性分析,结果表明沿岸沉积物中影响微生物群落结构的关键环境因子有氨氮（NH3-N）、硝酸盐氮（NO3-N）和p H。相较于水体样品,澧河沿岸沉积物微生物群落结构在四个季度中变化较小,但优势菌群占比依然随时空变化而变化,总体而言,四个季度中优势菌群均为变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和酸杆菌门（Acidobact eria）,特别的,在夏季时酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰度超过拟杆菌门（Bacteroidetes）。（3）本研究在4号采样点,采集澧河沿岸四个不同生境（河底沉积物、湿地沉积物、堤坝土壤和农田土壤）的沉积物/土壤柱状样,研究沉积物/土壤不同深度（表层0-10 cm,中层11-20 cm,底层21-30 cm）微生物群落结构多样性及其对环境因子的响应。环境因子测定结果表明,CS1组样品总凯氏氮（TKN）、总有机碳（TOC）、氨氮（NH3-N）和pH显著高于其他组（p≤0.05）,其中总有机碳（TOC）和pH与CS2组差异不显著;CS2组样品有机碳（TOC）和pH显著高于CS3组和CS4组（p≤0.05）;CS3组样品总磷（TP）显著高于其他组（p≤0.05）;CS4组样品硝酸盐氮（NO3-N）含量显著高于其他组（p≤0.05）。本研究从12个环境样品中共获得有效序列1527644条,基于97%相似度可划分为3530个OTU。α多样性分析表明CS3组中微生物的丰富度和多样性显著最低（p≤0.05）,CS2组和CS4组中微生物的多样性和丰富度显著最高（p≤0.05）,并且α多样性在不同的深度也存在较大的波动。基于环境因子和微生物群落相关性分析,结果表明沉积物/土壤柱状样中影响微生物群落结构的关键因子有总磷（TP）和硝酸盐氮（NO3-N）。微生物群落在不同的空间中表现出较大的差异,其中变形菌门（Proteobacteria）在四个分组中均为优势菌群且占比最高;拟杆菌门（Bacteroidetes）在CS1-CS3组中均为优势菌群,并且在CS1组和CS3组中出现了厚壁菌门（Firmicutes）,在CS2组出现了酸杆菌门（Acidobacteria）;在CS4组中,变形菌门（Proteobacteria）保持优势占比的同时,酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）成为了优势菌群。受环境因子变化和微生物扩散限制的影响,微生物在不同采样区域间的差异大于同一个采样点位不同深度间的差异。（4）本研究沿澧河沿岸选取5个采样点,分别采集了荻草根际/非根际沉积物样品。荻草根际沉积物理化参数在不同区域表现出一定差异性,S1组样品总凯氏氮（TKN）、总磷（TP）、总有机碳（TOC）、氨氮（NH3-N）和硝酸盐氮（NO3-N）显著高于其他组（p≤0.05）,其中总磷（TP）和氨氮（NH3-N）与S2组差异不显著;S2组硝酸盐氮（NO3-N）显著高于其他组（p≤0.05）;S3组pH与S4组差异不显著,但显著高于其他组（p≤0.05）;S4组亚硝酸盐氮（NO2-N）显著高于其他组（p≤0.05）。本研究从5个根际样品和5个非根际样品中共获得有效序列790155条,基于97%相似度可划分为3299个OTU。α多样性分析表明荻草根际沉积物的α多样性略高于非根际沉积物,但并没有显著差异。基于环境因子和微生物群落相关性分析,结果表明沿岸沉积物中影响微生物群落结构的关键环境因子有总凯氏氮（TKN）、氨氮（NH3-N）和pH。微生物群落在不同的空间中表现出较大的差异,变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）作为优势菌群在不同点位的占比存在较大的波动,但在荻草根际和非根际沉积物样品中差异不显著。植物会产生根际效应从而在根际富集大量微生物,然而结果显示荻草并没有产生显著的根际效应,这是由中性的pH范围降低了营养的可利用性导致的。对荻草根际与非根际沉积物中微生物对比分析发现,根际沉积物中存在大量的Dokdonella,该菌属为邻苯二甲酸酯的生物指示物,推测荻草能够分泌邻苯二甲酸酯,促进了Dokdonella在荻草根际的富集。本论文首次系统的研究了澧河流域微生物群落结构多样性,并分析了影响微生物群落结构变化的环境因子,为理解淡水生态环境中微生物群落分布夯实了基础,并为澧河流域水生态环境保护提供了可靠的数据。