基于高通測序方法的遼河流域水生植物微生物群落吸附試驗

張 磊

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

水生植物對河流水質具有一定程度的凈化作用，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生產初級者，對水生態系統的機構和功能影響較為明顯[3]。水生植物可對污染物進行吸附的同時，通過光合作用為水生生物棲息和產卵提供條件。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[4]。近些年來，高通測序方法被廣泛應用于河流水生植物微生物群落吸附分析[5-11]，但在遼河流域還未得到相關應用，遼河為遼寧省第一大河，是遼寧母親河，其河流生態一直是社會關注的熱點問題，為加大對遼河流域的生態保護和修復，遼寧省制定了許多遼河生態保護的措施，遼河流域的生態功能得到不同程度的改善和修復[12]。但生態治理措施中于水生植物微生物群落對污染物吸附分析的研究還較少，多個研究成果均表明[13-15]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。本文采用高通測序方法對遼河流域5種典型水生植物不同季節的微生物群落進行吸附試驗分析，分析其對水質吸附的影響。研究成果對于遼河流域水生態保護和修復規劃具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.2 現場采樣測定情況

以遼河流域5種水生植物為研究對象，水體樣本和水生植物均來自于大凌河流域。各樣本采集的時間分別為2019年3月(春季)、2019年8月(夏季)、2019年11月(秋季)以及2019年12月(冬季)。 夏季和秋季現場采樣和測定如圖1所示。

圖1 夏季和秋季現場采樣和測定場景

1.3 水質的測定

對遼河流域個水質監測站的水質進行了試驗測定，水質測定情況見表1，結合不同季節的水質測定數據，對采樣區域不同水生植物的污染物吸附率進行了分析，數據主要室內試驗測定得到，試驗結果見表2。

表1 水質監測站水質測定結果

表2 各季節不同類型水生植物污染物削減量結果

1.4 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測序分布分析，將不同測序劃分為多個菌群多樣性指數，測序閾值在13%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，以不同類型序列為代表，采用RDP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，可表示為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，結果見表3。

表3 遼河流域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，對遼河流域色球藻科、大螺旋藻、環狀扇形藻、北方橋彎藻以及短棘盤星藻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 遼河流域種典型水生植物不同季節多樣性指數分析結果

遼河流域各個季節色球藻科多樣性指數均高于其他類型水生植物，為遼河流域多樣指數最高的水生植物，各典型水生植物夏季的覆蓋指數最大，進

入冬季后覆蓋度指數最小，呈現明顯的季節性變化特征。從水生植物適宜性評價的Shannon指數和Simpon指數可看出，在遼河流域夏季和秋季水生植物的豐富度和覆蓋度指數均高于其他兩個季節，具有較高的適宜性，各藻類生物吸附特征要高于水生植物浮葉表層。

2.2 微生物數量測定結果

對遼河流域5種典型水生植物微生物吸附密度行測定分析，結果見表5。

表5 遼河流域5種典型水生植物單位密度下生物群落數量測定結果

色球藻科作為遼河流域覆蓋度較高的水生植物其微生物吸附的數量也較大，其次為大螺旋藻，短棘盤星藻由于覆蓋指數較低，其微生物吸附的數量和密度均較低。受水生植物季節生長變化，其不同季節微生物吸附的數量和密度也存在明顯的季節性變化，夏季水生植物吸附密度最高，而進入秋季和冬季后微生物吸附數量遞減較為明顯。浮葉類植物表層微生物吸附數量較低，但進入秋季后短棘盤星作為遼河流域典型浮葉植物其微生物吸附數量要高于其他類型水生植物。

3 微生物吸附群落結構分析

3.1 微生物群落豐富度分析

對不同季節遼河流域5種典型水生植物的微生物群落豐富度進行了對比分析，分析結果見表6。

通過采樣測定分析，變形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂桿菌、桿菌、疣微菌為遼河流域各典型水生植物主要吸附的菌類植物，其豐富度之和占總菌類微生物的比例高達90%以上，不同水生植物微生物菌落呈現較為明顯的季節變化特征，其中變形菌為夏季和秋季第一優勢菌種微生物，而冬季和春季其優勢度有所下降，桿菌的優勢隨著冬季氣溫的降低而有所提高。

3.2 微生物群落優屬度分析結果

對遼河流域各典型水生植物的微生物吸附群落結構的優屬度進行分析，結果見表7。

從各典型水生植物的菌類微生物的優勢度分析結果可看出，夏季和秋季各類微生物優屬度均好于其他季節，受到水生植物生長以及分泌物關聯影響，冬季和春季各菌類微生物呈現一定的專一宿主變化。受到光合作用影響沉水藻類植物的菌類微生物優屬度有所增加。季節溫度對其菌類微生物群落結構的影響要高于其植物類型的變化影響。水生植物初期菌類發育隨機度較大，通過對周圍水體養分快速吸收來加速生長，其吸附群落結構變化相對較為穩定。水溫的遞減使得各類水生植物微生物吸收養分有所減少，也加速了菌類微生物的衰亡速率。也表明水生植物微生物吸附受水溫環境影響較大。

3.3 附著微生物群落與水環境相關性度分析結果

結合環境因子相關分析方法對遼河流域各季節5種典型水生植物吸附的微生物數量與水環境因子進行相關性分析，結果見表8。

從可看出，各類型微生物菌類數量在春季與TP、TN、pH均為負相關，與COD呈現正相關，且與TN相關系數最高。各菌類水量在夏季豐富度指數均較高，且與各類水環境因子均為正相關。夏季由于水溫較高其微生物菌類吸附的數量相對較大，其與水環境因子的相關系數要高于其他季節。秋季各類型微生物菌類與TN、TP負相關性較為明顯，冬季由于水溫較低，其微生物菌類吸附數量較少，使得其水環境因子的相關性較低。

表8 遼河流域各季節水生植物附著微生物群落與水環境相關性分析結果

4 結論

(1)變形菌門對有機碳和重金屬降解有顯著效果，主要吸附在藻類水生植物根系上，建議可增加夏季和秋季遼河流域藻類水生植物數量，提高變形菌類微生物的吸附密度。

(2)桿菌對水體中有機物的降解具有一定的效果，其主要吸附于浮葉類植物，因此建議在秋季可適當增加短棘盤星的數量，從而提高桿菌類微生物的吸附密度，降低遼河流域水體有機物的濃度。

(3)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，尤其是在夏季其和TN、TP呈現正相關性，因此其對于水生植物生態適宜數量還需進一步探討。