鄱阳湖不同生活方式浮游细菌在群落结构和生态功能上的分化研究

作     者：和梦洁 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴兰;马燕天

授予年度：2022年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071005[理学-微生物学] 

主      题：鄱阳湖 自由悬浮态细菌 颗粒附着态细菌 细菌群落结构 功能基因 

摘      要：在湖泊生态系统中,浮游细菌往往会通过各种各样的途径对空间和营养物质进行竞争,占据不同的微生态位,从而形成自由生活或者附着在颗粒上生活的浮游细菌群落——自由悬浮态细菌(FLB)和颗粒附着态细菌(PAB),这种不同的生活方式可能使其群落结构和生态功能存在差异。然而,已有研究大多集中在不同生活方式浮游细菌群落结构的解析上,而对于生活方式与生态功能的联系仍然知之甚少。因此,本研究聚焦于淡水湖泊中不同生活方式浮游细菌在群落结构和生态功能上的分化,探究影响浮游细菌生活方式选择和生态功能分化的主要因素,以期揭示浮游细菌生活方式对淡水湖泊生态系统中生物地球化学循环的影响。本研究以我国最大的淡水湖泊—鄱阳湖为研究对象,采集了整个水文周期(涨水期、丰水期、退水期和枯水期)的表层水、上覆水和沉积物样品,通过分级过滤的方法获得两种不同生活方式的水体微生物——颗粒附着态细菌(PAB)和自由悬浮态细菌(FLB)。通过高通量测序技术和荧光定量PCR分析了水体中颗粒附着态和自由悬浮态细菌的群落结构以及参与C、N、P、S代谢的相关功能基因丰度,并将其与沉积物细菌群落进行比较。在此基础上,通过冗余分析探究了环境参数对细菌群落生活方式和生态功能的影响。得到的主要结论如下:(1)鄱阳湖表层水中不同生活方式的浮游细菌群落多样性、群落组成和生态功能均存在着显著的差异。对于α多样性来说,FLB群落多样性显著低于PAB群落。对于群落组成来说,变形菌门、拟杆菌门、蓝藻门、酸杆菌门、浮霉菌门、绿弯菌门和芽单胞菌门在PAB群落中的相对丰度显著较高,而放线菌门和厚壁菌门在FLB群落中的相对丰度显著较高;在属水平上,Mesorhizobium、Cyanobium＿PCC-6307、Flavobacterium、Rhizobiales＿Incertae＿Sedis＿uncultured、Novosphingobium和Pseudorhodobacter在PAB群落中的相对丰度显著较高,而hgc Iclade、Sporichthyaceae＿ge、Limnohabitans、Methylobacterium、Sphingomonas和Polynucleobacter在FLB群落中的相对丰度显著较高。基于FAPROTAX数据库的功能预测结果表明,表层水PAB和FLB群落均含有高丰度的化能异养及需氧型化能异养功能,除此之外,表层水PAB群落还含有大量的光营养功能及硝酸盐还原功能,而表层水FLB群落还含有一些动物共生体、人类相关的病原体,存在少量的芳香族化合物、烃、脂肪族非甲烷烃、芳族烃降解功能,此外,还含有一些甲基营养功能,尤其是甲醇氧化。为了验证功能预测的结果,我们对表层水PAB和FLB群落的功能基因进行了定量分析,发现PAB群落在碳固定、产甲烷、甲烷氧化以及氨氧化功能中发挥着更重要的作用,而FLB群落在甲醇氧化、亚硝酸盐氧化以及氧化亚氮还原方面发挥着更重要的作用。冗余分析表明,对表层水PAB群落结构影响最大的环境变量是Tm(水温),其次是DO(溶解氧)、NH-N(氨态氮)以及NO-N(硝态氮),对其生态功能造成显著影响的环境变量是NH-N、AP(速效磷)、Cond(电导率)、TP(总磷)。对FLB群落结构影响最大的环境变量也是Tm,其次是NO-N、DTN(溶解态总氮)和TP,对其生态功能造成主要影响的环境变量是NH-N、Cond、p H、Tm。(2)鄱阳湖上覆水中不同生活方式的浮游细菌群落多样性、群落组成和生态功能也存在着显著的差异。对于α多样性来说,PAB群落多样性显著高于FLB群落。对于群落组成来说,拟杆菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、硝化螺旋菌门和粘球菌门在PAB群落中的相对丰度显著较高,而放线菌门和髌骨细菌门在FLB群落中的相对丰度显著较高;在属水平上,Flavobacterium在PAB群落中的相对丰度显著较高,而Enhydrobacter、Limnohabitans、CL500-29marinegroup、hgc Iclade在FLB群落中的相对丰度显著较高。基于FAPROTAX数据库的功能预测结果表明,上覆水PAB和FLB群落均含有高丰度的化能异养及需氧型化能异养功能,除此之外,上覆水PAB群落还含有大量的光营养功能,而上覆FLB群落还含有一些人类相关的病原体,存在少量的烃降解功能,此外,还含有一些甲基营养功能,尤其是甲醇氧化。为了验证功能预测的结果,我们对上覆水PAB和FLB群落的功能基因进行了定量分析,发现PAB群落在碳固定、产甲烷、甲烷氧化、氮固定、亚硝酸盐氧化以及氨氧化功能中发挥着更重要的作用,而FLB群落在甲醇氧化方面发挥着更重要的作用。冗余分析表明,对上覆水PAB群落结构影响最大的环境变量是Tm,其次是Cond、AP以及DTP(溶解性总磷),对其生态功能造成主要影响的环境变量是NH-N、TP、AP、SD(透明度);对FLB群落结构影响最大的环境变量也是Tm,其次是SD、Cond和p H,对其生态功能造成主要影响的环境变量是p H、Chla(叶绿素a)、NO-N。(3)在垂直方向上,我们发现无论是PAB还是FLB群落,表层水和上覆水在细菌群落多样性、群落组成和生态功能上均表现出极大的相似性,与沉积物细菌群落的差异显著。对于群落多样性来说,沉积物细菌群落多样性显著高于浮游细菌群落,此外上覆水体中PAB群落多样性显著高于表层水PAB群落,更接近于沉积物细菌群落的多样性。对于群落组成来说,水体PAB群落中含有较高丰度的变形菌门和拟杆菌门,水体FLB群落中均含有较高丰度的放线菌门,而沉积物细菌群落中含有较多的酸杆菌门、绿弯菌门、MBNT15门等。属水平上,水体PAB群落中含有大量的Flavobacterium属和Cyanobium＿PCC-6307属,水体FLB群落中含有大量的hgc I＿clade属,而积物细菌群落中则含有较高丰度的SC-I-84属。功能预测的结果表明,无论是在表层水还是上覆水,PAB群落均含有大量的光营养功能,FLB群落均含有一些动物共生体、人类相关的病原体,以及一些甲基营养功能,尤其是甲醇氧化功能,而沉积物细菌群落则含有一些发酵功能,硝酸盐还原功能以及芳香族化合物降解功能。综上所述,我们的研究发现鄱阳湖不同生活方式的浮游细菌(自由悬浮态细菌和颗粒附着态细菌)在群落结构和生态功能上存在分化,其中自由悬浮态细菌群落含有大量的放线菌(尤其是hgc I＿clade属),可以利用水体中的小分子溶解性有机物,主要执行甲醇氧化功能以及亚硝酸盐氧化和氧化亚氮还原功能。颗粒附着态细菌群落中含有大量的Flavobacterium属和Cyanobium＿PCC-6307属使其能够更好的附着在颗粒有机质上,并获取更多的碳源,主要执行碳固定、产甲烷和甲烷氧化功能以及氮固定、氨氧化功能。此外,我们还发现沉积物细菌群落含有大量的SC-I-84属细菌(变形菌门),也含有较高丰度的碳固定和氮固定基因。本研究的结果阐明了鄱阳湖生态系统中不同生活方式的浮游细菌在群落结构和生态功能上的分化,对于全面研究湖泊环境中微生物介导的生态过程和生物地球化学循环具有重要意义。