不同磷酸盐输入方式对寡营养海水中浮游细菌群落结构和功能的影响

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随着现代化工农业生产的快速发展及沿海地区人口的剧增,大量工农业废水和生活污水排入海洋系统,尤其是河流入海的河口区。近岸海域的富营养化已成为全球范围内一个突出的生态环境问题。海洋生态系统中主要的最终限制性营养元素是磷,而以磷酸盐为主的磷元素是海洋环境中的重要限制性营养因子,研究寡营养海水中过量磷酸盐输入对浮游细菌群落的影响有助于综合了解沿海水域不断扩大的营养富积产生的微生态效应。  本研究通过构建寡营养海水生态微宇宙,分别设置对照组和单一营养物质-磷酸盐输入处理组,其中磷酸盐以两种不同的方式输入:1)一次性磷酸盐输入方式;2)间歇性磷酸盐输入方式,即每两天间歇性输入,培养周期为16天,最终两个体系中磷酸盐总输入量相同。在培养周期的第0(只采集对照组水样)、2、4、8和16天对所有处理进行采样,并基于16S rRNA基因的高通量测序和Biolog-Eco技术研究寡营养海水体系中浮游细菌群落结构和功能对磷酸盐输入的动态响应模式。  本研究结果发现,在科分类阶元上,红细菌科(Rhodobacteraceae)、嗜甲基菌科(Methylophilaceae)和黄杆菌科(Flavobacteriaceae)相对丰度随磷酸盐浓度升高而降低,而腐螺旋菌科(Saprospiraceae)相对丰度与磷酸盐浓度呈显著正相关。细菌群落的α-多样性随培养时间显著变化,磷酸盐输入对其影响则不显著,但是在培养周期终点(第16天),磷酸盐的输入显著增加了Pielou均匀度和Shannon多样性指数。主坐标分析(Principal coordinates analysis,PCoA)显示,不同磷酸盐输入方式下浮游细菌群落结构有着相似的时间演替规律。细菌群落相似性双因素交互分析(Two-way crossed analysis of similarity,ANOSIM)表明,磷酸盐输入显著影响了细菌群落结构(RANOSIM=0.466,P=0.001),相比于一次性磷酸盐输入方式(RANOSIM=0.350,P=0.002),间歇性磷酸盐输入方式(RANOSIM=0.669,P=0.001)对细菌群落结构变异的影响更大。浮游细菌群落结构变异受pH、DO、NO2-、NH4+、PO43-和TP的影响,其中PO43-对细菌群落结构变异的贡献最小。另外,浮游细菌群落结构符合相似性-时间衰减模型(Time-decay model),同时磷酸盐的输入加快了细菌群落周转率(Turnover rate)。对细菌群落功能的研究结果发现,过量磷酸盐不仅抑制浮游细菌群落的碳源利用能力,也降低群落代谢多样性。主成分分析(Principal component analysis,PCA)显示,第16天中一次性磷酸盐输入组与对照组和连续性输入组的细菌群落对碳源代谢的特征有显著差异。RELATE分析结果显示细菌群落结构和群落功能两者之间有显著地相关性(Spearman’s rank correlation,ρ=0.370,P=0.001)。本研究结果有助于了解寡营养海水中浮游细菌群落结构和功能对过量磷酸盐输入的动态响应模式,对科学地评价和预测因磷酸盐输入过量而引起的海洋生态环境变化趋势具有重要意义。
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