大凌河流域典型水生植物微生物群落吸附特征試驗分析

趙小龍

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

水生植物對河流水質具有一定程度的水體凈化作用，尤其是對重金屬和氮磷污染物具有較為明顯的吸附作用[1]。細菌微生物主要吸附在植物的表面，和水生植物松散或緊密結合在一起形成具有共生的細菌微生物[2]。水生植物作為生態系統機構的初級生產者，對水生態系統的機構和功能影響較為明顯[3]。水生植物可吸附污染物，通過光合作用為水生生物棲息和產卵提供條件[4]。沉水和浮葉植物通過漂浮葉面為微生物群落提供吸附空間，微生物與生物膜之間存在緊密聯系，相互影響。近些年來，許多學者采用各種方法對水域浮游植物群落時空變化特征與環境因子的關系進行深入探討，其中高通測序方法應用較為成熟和廣泛，研究成果均表明水生植物生物群落吸附作用有助于流域水生態功能結構的改善[5-7]。

大凌河是遼寧西部地區第一大河，在全國流域生態保護建設的大背景下，大凌河流域生態功能和影響研究也取得較為豐富的成果[8]。但是對于較為重要的水生植物的微生物吸附特征分析還較少，為對大凌河生態保護和修復提供參考依據，本文對大凌河流域5種典型水生植物，通過高通測序方法，對其生物群落的吸附特征進行分析。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

以大凌河流域五刺金魚藻、格菱、狐尾藻、水蓼及蘆葦5種水生植物為研究對象，水體樣本和水生植物均來自大凌河流域。各樣本采集的時間分別為2018年4月(春季)、2018年7月(夏季)、2018年10月(秋季)以及2018年12月(冬季)。

1.2 水質的測定

對采樣區域水質指標進行測定，水質參數見表1。結合不同季節的水質測定數據，并通過室內試驗對采樣區域不同水生植物的污染物吸附情況進行了解，見表2。

表1 不同采樣區域的水質參數

表2 各季節不同類型水生植物污染物削減量結果

1.3 生物群落的測定

采樣高通測序方法對不同水生植物的生物群落進行測定。以采用高通測序方法后各樣本長度為橫坐標，以其對應不同長度的數值為縱坐標，進行不同長度序列的測序分布分析。不同測序劃分為多個OTU(菌群多樣性指數)，測序閾值在1%～3%可表示為微生物物種，微生物的屬以5%OTU來表示，微生物的綱以15%OTU來表示，以不同類型序列長度最長為序列代表，采用RDP(BP神經網絡預測樣本)訓練數據庫為樣本數據系列進行注釋，得到不同OTU原始分類數據系列，由于原始數據系列含有的OTU數據系列較少，序列的置信水平較低，對樣品中測定的不同微生物的數目和豐度進行統計，隨著高通測序數據樣本序列的增加，對樣本曲線進行稀釋，當稀釋后曲線逐步平穩后，則表明測序樣本序列已經足夠。對高通測序進行校正，分析其微生物的覆蓋指數，校正結果見表3。

表3 不同水生植物的生物群落高通測序分析結果

2 不同水生植物附著微生物多樣性及密度試驗結果

2.1 微生物多樣性指數分析結果

采用高通測序方法，對大凌河流域五刺金魚藻、格菱、狐尾藻、水蓼及蘆葦5種水生植物在不同季節的多樣性指數進行分析，結果見表4。

表4 不同季節各水生植物的多樣性指數分析結果

從OTU和Chao(菌種豐富度)指數可看出，各季節中五刺金魚藻和狐尾藻的附著生物群落的多樣性指數均高于其他水生植物，夏季和秋季各水生植物的覆蓋指數均較高，在冬季覆蓋指數達到最低值，Shannon(生物量豐富度)指數和Simpon(生物種類覆蓋度)指數表示為各水生植物附著生物的適宜性。從分析結果可以看出，大凌河流域各典型水生植物適宜指數存在明顯的季節性差異，夏季和秋季適宜指數較高，藻類附著生物的群落適宜性高于浮葉植物表層，微生物群落在浮葉植物根部的結構與其表面存在明顯差異。

2.2 微生物密度測定結果

對不同季節各水生植物表層和根部單位質量微生物附著群落密度進行了測定，測定結果見表5、表6。

表5 各水生植物表面單位質量微生物附著群落密度測定結果

表6 各水生植物根部單位質量微生物附著群落密度測定結果

從各水生植物表層單位質量微生物附著群落密度測定結果可看出，五刺金魚藻表層微生物附著密度最大，其次為狐尾藻，水蓼和蘆葦表層微生物附著密度最低。各季節不同水生植物表層微生物附著密度差異性較大，這主要和植物生長結構有關。夏季屬于藻類易生長季節，因此，其微生物附著密度較大；而進入冬季和秋季，由于藻類受溫度影響較大，不容易生長，微生物附著密度降低。而蘆葦作為典型的浮葉植物，其微生物在其表層附著密度較小，但進入秋季后，蘆葦相比于其他浮葉植物更為茂密。因此，其表層附著密度有所增加。從各水生植物根部微生物附著密度可看出，沉水植物如五刺金魚藻、狐尾藻及格菱根系微生物附著密度，同樣存在季節差異，但浮葉植物根系微生物附著群落密度有所降低。

3 不同水生植物附著微生物群落結構分析

3.1 附著微生物群落豐富度分析

不同季節各微生物附著密度有所不同，從而影響各微生物的群落結構。為此對不同季節微生物群落結構特征進行分析，結果見表7。

表7 不同季節各水生植物生物群落豐富度分析結果

在不同季節的樣品中各分析45種菌類微生物，其中，變形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂桿菌、桿菌、疣微菌門的豐富度之和占據95%以上，為大凌河5種典型水生植物最為優勢的菌類微生物。和各水生植物群落季節交替變化類似，其微生物群落結構存在明顯的季節變化。夏季和秋季變形菌為第一優勢菌種微生物；春季和冬季變形菌優勢有所降低；隨著冬季氣溫的逐步降低，桿菌的優勢有所增加。

3.2 附著微生物群落分類水平分析

優屬度主要表征生物群落的豐富程度，在各水生植物不同季節的群落結構特征分析的基礎上，對其不同季節各水生植物附著微生物群落優屬度(豐度)進行計算，結果見表8。

表8 不同季節水生植物附著微生物群落優屬度比較

續表

從表8中可以看出，在各典型水生植物中夏季和秋季各類微生物菌類優屬度均較好，這是由于夏季和秋季氣溫適合水生植物生長；春季和冬季各水生植物吸附的微生物菌類優屬度有所變化，這主要和各水生植物生長及分泌的物質有關，呈現一定程度的專一宿主型。在植物生長初期菌類附著較為隨機，而在快速生長期通過對水體周圍養分進行汲取，使得菌類微生物群落結構較為穩定，而由于溫度降低及養分的減少使得各水生植物吸附的微生物菌類衰亡，也說明微生物對環境影響敏感程度高于水生植物的類型。

3.3 附著微生物群落與水環境相關性分析

采用環境因子相關分析方法分析不同季節附著微生物群落指數與4種主要水環境指標的相關性，結果見表9。

表9 不同季節水生植物附著微生物群落與水環境相關性分析結果

將不同季節各水生植物的附著微生物菌落與TP、TN、pH值、CODMn進行相關性分析，發現在春季各微生物菌落與TP、TN、pH值均呈現負相關，與CODMn呈現正相關，和TN的負相關系數最高。夏季各微生物菌類與4種水環境指標均呈現正相關，相關性排序為TN>TP>pH值>CODMn,夏季溫度較高，更有利于微生物菌類在水生植物上的吸附。秋季各水生植物微生物吸附菌類與TN、TP呈現負相關，與其他兩個水環境指標呈現正相關，而在冬季由于溫度降低，各水生植物吸附的微生物群落活性程度較低，使得水環境因子對其影響的程度也有所減小。

4 結 論

本文采用高通測序方法對大凌河流域水生植物微生物群落進行試驗分析。根據微生物密度測定的數據及不同水生植物附著微生物群落結構分析可知，各微生物群落在不同季節豐度上存在明顯差異性，其中水環境對生物群落的影響比植物類型要高，從而得出如下結論：

a.變形菌門為大凌河藻類植物優勢菌種，其厭氧性較高，可對有機碳和重金屬進行有效降解。因此，建議在夏季適當加大大凌河藻類植物數量，從而增加變形菌門在藻類植物的吸附密度，以改善水體中的有機碳和重金屬含量。

b.桿菌對水體中有機物的降解作用較為明顯，在水蓼根系吸附密度較大。因此，建議在秋季可適當增加水蓼水生植物的數量，提高水蓼根系密度，從而對水體中有機物的含量進行有效吸附和降解。

c.雖然微生物菌類對水體中有機碳、重金屬以及有機物有生物降解作用，但其生態功能還需要進一步討論，尤其是在夏季其與TN、TP呈現正相關性，因此，對于水生植物不同季節的生態適宜數量還需探討，并不是各季節微生物菌類越多越好。

本研究成果可為恢復大凌河流域水生植物、修復流域水生態系統和防治水體富營養化提供參考。