白洋淀枝角類和橈足類調查及水環境因子分析

孫梟瓊崔鐵峰方楠王印開王宏偉

(1.河北大學 生命科學學院,生命科學與綠色發展研究院,河北 保定 071002；2.河北省唐山市曹妃甸區農業農村局,河北 唐山 063000)

浮游動物在能量傳遞與物質循環中起重要作用.枝角類和橈足類屬節肢動物門、甲殼綱,是其他無脊椎動物和魚類的餌料,可作為水環境變化的指示生物[1].同時,浮游動物在控制藻類生長,預防水華發生方面具有一定的作用.國內外對浮游動物的研究多集中于群落結構時空變化的生態調查,并以此反映水環境狀況[2-4],同時將其應用到指示湖泊、河流水質狀況和健康狀況評價[5-6].

由于浮游動物個體較小,且在采集時容易造成其肢體破損,對鑒定技術具有較高的要求.因此,在本研究中將傳統的形態學鑒定手段與分子生物學鑒定手段結合在一起,從而提高浮游動物鑒定的準確性.自DNA條形碼概念被提出及應用后,國內外學者多將其應用于生物學物種鑒定、食品安全檢測、醫學等各個領域,其在浮游動物鑒定中發揮重要作用.林元燒等[7]采集膠州灣青島海域中華哲水蚤(Sinocalanussinensis),成功提取并分析其線粒體COI基因.申欣等[8]應用生物信息學輔助以分子標記技術比較了南極磷蝦(Euphausiasuperba)與泛浮游動物和后生浮游動物的線粒體基因組.Bucklin等[9]在北大西洋環流中心的美國東部馬尾藻海進行研究中,應用DNA 條形碼技術共鑒定出4門175種浮游動物,并分析了其生物多樣性,由此可見,DNA 條形碼技術作為新型的生物鑒定手段得到廣泛應用.

白洋淀作為華北地區最大的淡水湖泊,在洪水儲存、氣候調節、生態環境改善等方面發揮重要的作用[10-11].近年來,學者對白洋淀流域研究多集中于水環境、沉積物和生物群落結構時空變化[12-15].由于白洋淀淀區在歷史上多次出現干淀現象且現與其直接溝通的入淀河流僅為府河,使得其成為府河所攜帶物質的“匯”,加以淀區居民日常生產活動等對其產生較大影響[16].對白洋淀長期的生態環境監測和水生生物資源研究為水利工程的實施和雄安新區的建設提供參考.

1 材料與方法

1.1 樣本的采集與處理

枝角類和橈足類于2018年8月采于白洋淀流域,根據上下游河流及進出水情況,共設30個樣點:白洋淀1、白洋淀2、前塘淀、后塘淀、聚龍淀、孟家淀、胡家洼、泛魚淀、鰣鯸淀、平陽淀、池魚淀、撈王淀、大麥淀、唐家淀、龍王淀、光淀、王家寨、燒車淀(2個)、大鴨圈、八大淀、麥淀、藻苲淀(4個)、羊角淀、馬棚淀、三角淀、灣簍淀.具體采樣點位置如圖1所示.用浮游動物網[17]在淀區采集浮游動物并置于樣品瓶中,加入體積分數75%的乙醇保存.室內鏡檢、拍照、計數.

圖1 白洋淀采樣點站位Fig.1 Sample sites in Baiyangdian Lake

1.2 DNA提取、PCR擴增及測序分析

采用裂解法和試劑盒法進行DNA 提取.對所提取DNA 質量濃度及純度檢測,質量濃度控制在100～300μg/m L,OD260/OD280值控制在1.8～2.1[18].對其進行COI目的基因擴增,使用瓊脂糖凝膠電泳檢測是否擴增出目的條帶.將所擴增出的目的條帶樣品送至測序公司測序[19].

使用Bio Edit軟件查看測序所得浮游動物線粒體COI基因序列質量并對其進行編輯,將雜峰序列及序列兩頭不穩定堿基序列進行剪切.編輯后的浮游動物線粒體COI基因使用MEGAX6.4軟件對齊序列,基于Kimura 2-parameter模型對所拼接成功的COI基因序列構建NJ系統發育樹,并對各分支進行1 000次的重復檢驗構建系統發育樹[20]及分析遺傳距離[21].

2 結果

2.1鑒定結果

2018年8月于白洋淀30個站點通過形態學鑒定方法結合DNA 條形碼技術共鑒定出枝角類3科5屬8種,橈足類4科9屬14種.枝角類和橈足類名錄如表1.

表1 白洋淀枝角類和橈足類名錄Tab.1 List of Cladocera and Copepoda samples in Baiyangdian Lake

2.2 枝角類和橈足類系統發育樹

測序后共拼接出21條序列,枝角類共拼接出14條序列,橈足類共拼接出7條序列.根據它們的COI序列建立的鄰接(NJ)系統發育樹如圖2所示.

系統發育樹首先分為2大分支,分別為枝角目和橈足綱.在枝角類中裸腹溞單獨聚為1支,而僧帽溞和棘爪低額溞聚為1支.在橈足類中,首先被分出來的是鏢水蚤屬,而劍水蚤形成1個大的分支,在劍水蚤所匯成的分支中,共分為2個小的分支,分別為廣布中劍水蚤和跨立小劍水蚤.所得的聚類結果與形態鑒別結果基本一致.但在發育樹中呈現的大型溞單獨聚為1支,與預想結果具有差異.

圖2 枝角類和橈足類NJ系統發育樹Fig.2 NJ phylogenetic tree of Cladocera and Copepoda

2.3 物種分布與環境相關性分析

2.3.1 典型相關性分析排序

根據各樣點枝角類和橈足類分布情況與水環境因子進行典型相關性分析(CCA).結果如表2所示.

表2 枝角類和橈足類分布與環境因子的CCATab.2 CCA of environmental factors and distribution of Cladocera and Copepoda

依據CCA 結果(表2),4個排序軸對分布變異性(本征值)的解釋度逐漸減小,其中主成分軸(3、4排序軸)所能解釋的數據比重達42.64%；另外物種分布與環境因子之間的相關系數非常高,介于0.88～0.97,共解釋兩者總方差的62.55%,表明此結果能較好地反映枝角類和橈足類分布與環境因子之間的關系.

2.3.2 環境因素與CCA 排序

根據枝角類和橈足類分布進行了環境因子顯著性檢驗和CCA.結果如表3和圖3所示.

表3 環境因子解釋的顯著性檢驗結果Tab.3 Interpretation results for significance test of environmental factors

圖3 枝角類和橈足類與環境因子的CCA排序Fig.3 CCA sequencing diagram of environmental factors with Cladocera and Copepoda

由排序分析可知,環境因子Zn含量對于枝角類和橈足類的分布有顯著影響.枝角類的分布與Zn、S、NH+4、Pb和Cu含量呈正相關,其中橈足類近鄰劍水蚤、等刺溫劍水蚤、跨立小劍水蚤、草綠刺劍水蚤的分布和S、Cu、Zn含量呈正相關；而模式有爪猛水蚤、臺灣溫劍水蚤和透明溫劍水蚤的分布與P、石油烴、Chla、Cd和Pb含量呈正相關；蟲宿溫劍水蚤的分布與Mn O-4、NO-3、As含量及溫度(T)呈正相關.對于2018年7～8月的水環境因子進行主成分分析,見圖3.共分為4個主成分,累計方差貢獻率62.55%.第1主成分與酸堿度(p H)、濁度、DO 和NO-3含量有關,方差貢獻率為18.29%,第2主成分與Cu、S、Zn和NH+4含量有關,方差貢獻率為16.84%,第3主成分與Chla、Pb和石油烴含量有關,方差貢獻率為15.06%,第4主成分與溫度(T)、Mn O-4和As含量有關,方差貢獻率為12.36%.

3 討論與分析

枝角類系統發育樹顯示,裸腹溞、棘爪低額溞和僧帽溞在1個主分支上,大型溞單獨在另1個主分支上.這和預期的結果存在差異,由于裸腹溞、低額溞、僧帽溞和大型溞都隸屬于溞科,預期結果是4種溞都在同一分支.出現這種結果的原因可能是由于建立系統發育樹的序列經過剪切比對后基因之間差異減小[22].由此判斷,根據單一基因所獲得的序列獲得的DNA 條形碼和由此建立的系統發育樹還需進一步精準確認,因此應該使用2個或多個基因共同完成系統發育樹的構建,以達到更好的鑒定效果[23].橈足類系統發育樹顯示,依靠DNA 條形碼技術對枝角類和橈足類進行鑒定可以取得較好的效果[24-25].

除捕食、競爭等生物因子外,各水環境因子對浮游動物的群落組成及演替具有重要作用.如溫度對浮游動物影響相對較大,夏季水溫相對其他季節較高,20℃以上溞屬的數量一般很低[26].而較高的溫度在限制枝角類數量的同時又通過影響水中的食物資源以及生存環境促進橈足類幼體的生長發育[27].p H 均表現為弱堿性,且各采樣位點變化不大,對枝角類和橈足類分布影響較小.

部分水環境因子是湖泊本身所具有的,而大部分水環境因子變化與人們的活動息息相關.白洋淀流域環境的變化,不單單是由于水利工程活動的影響,在白洋淀流域附近居住的村民的人為影響也應該考量進去.白洋淀淀區存在人口密度大、開發強度高的現象,也導致了白洋淀流域環境的復雜性.在居民活動中家禽畜養殖、餐飲業、旅游業占較大比例,生活廢水等未經處理直接入淀現象大為存在,導致淀中營養鹽含量較高[28].營養鹽對浮游動物具有重要的影響,通過影響浮游植物數量以及Chla含量的變化從而間接影響浮游動物的密度與生物量[29],同時浮游動物的豐度和密度會隨水體富營養化的加重而增加,橈足類浮游動物的豐度和密度增加明顯,枝角類浮游動物的豐度和密度會隨水體富營養化的加重而減少[30].本研究中,從圖3中可以看出枝角類與環境中P含量呈負相關.這也與李娟[31]等在太湖所研究的浮游動物與水環境因子相關性所得結論相一致.大部分樣點中占據優勢的種類為橈足類中的透明溫劍水蚤及等刺溫劍水蚤,這也與當地P、NH+4含量較高的實際情況相符.但采樣位點藻苲淀3、藻苲淀4的P含量相對于其他位點較高,但其優勢物種透明溫劍水蚤相對較少,這與浮游動物根據溫度及光照強度在水體中進行垂直運動的生活習性有關[32].綜上兩點,證實了枝角類存在數量及種類相對于橈足類較少的浮游動物分布狀況.

根據檢驗得到的環境因子的顯著性檢驗結果見表3.Zn對枝角類和橈足類分布的解釋度為9.1%,并對枝角類和橈足類的分布具有顯著影響(P＜0.05),說明它是枝角類和橈足類區域性分布差異的主要原因.同時S和Pb也對枝角類和橈足類空間分布有一定影響,但未達到顯著水平.Zn、Pb、S含量相對較高的樣點主要集中于白洋淀1、白洋淀2、燒車淀1、燒車淀2、唐家淀、藻苲淀2樣點,水體中的重金屬離子及酸性物質主要來自淀區的生活廢水、餐飲業廢水、農藥殘留及旅游業垃圾排放[33].低濃度的重金屬對浮游動物所產生的效果不明顯,但高濃度的Zn和Pb等重金屬通過抑制浮游動物的攝食、生長活動以及休眠卵的發育來影響其生存率并不同程度地富集于生物體內,通過食物鏈的形式傳遞給更高級的消費者[34].但不同的浮游生物對重金屬的耐受程度不同,從而所作出的反應也不同[35].

由此得出,每個物種的生長都受不同水環境因子影響,相同水環境因子對不同物種的分布影響存在差異[36].綜上,可根據在不同位點枝角類和橈足類物種群落組成及演替來判斷該區域水環境因子變化,以此來監測水質變化情況[37],為白洋淀流域水環境監測與評價提供數據支持.

致謝:感謝河北省海洋與水產科學研究院海洋漁業生態環境監測站肖國華研究員提供環境數據.