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细菌在水环境中的作用十分重要,它们是有机物的首要分解者并能把有机物矿化成能被浮游植物用来进行初级生产的无机化合物。作为许多原生动物的食物,它们也可能是水生微食物网中重要的营养环节,因为它们可以把浮游植物分泌的可溶性有机物转变成可以传递到更高营养级的颗粒。不同环境条件下沉积物中微生物种群的差异极大,且不同的生物群落对水-沉积物界面营养盐迁移、转化途径、效率的影响亦不相同。因此,作为湖泊内源污染释放的发生点和必经通道,水-沉积物界面的细菌群落对湖泊生态系统的生物地球化学循环和能量流动具有极其重要的作用。
太湖是一个典型的大型浅水富营养化湖泊。太湖生态类型多样,主要有:水质较好和水草占优的草型湖区以及水质较差和蓝藻水华频发的藻型湖区。其中藻型湖区,水体富营养化严重,蓝藻水华频繁爆发。而由于湖面面积大、水浅,太湖底泥易受风浪搅动,悬浮物易再悬浮,导致水体和沉积物的理化性质、微生物群落容易改变。那么,在同一生境中,太湖两个不同的生态环境中沉积物细菌群落组成是否存在差异?水动力扰动和水华蓝藻降解对太湖水-沉积物界面的细菌群落结构有着怎样的影响?
本文首先通过野外调查研究,分析了草、藻型湖区沉积物细菌群落结构的季节、空间和垂直差异以及太湖沉积物细菌群落对台风过程的响应；然后通过室内和野外模拟实验,研究了水动力扰动和水华蓝藻降解对水-沉积物界面细菌群落结构的影响。具体内容和结果如下:
(1)2009年2月和8月研究了太湖沉积物细菌群落基因组成的季节、空间和垂直变化。结果表明太湖不同生态类型(草、藻型)湖区沉积物中细菌群落结构存在显著的季节和空间差异；且随沉积物深度的增加,存在显著的垂直分布差异。选取4个沉积物细菌样品:草、藻型湖区的表层和中层样品,构建16S rRNA克隆文库,分析太湖沉积物主要的建群种。草型湖区表层沉积物细菌种群以Deltaproteobacteria(27.8％)、Verrucomicrobia,(13.9％)、Acidobacteria(13.9％)、Bacteroidetes(11.1％)、Gammaproteobacteria(11.1％)、Betaproteobacteria(8.3％)和Chloroflexi为主,细菌OP10仅仅存在于此湖区,而藻型湖区表层沉积物细菌种群以Betaproteobacteria(23.3％)、Deltaproteobacteria(20.9％)、Gammaproteobacteria(11.6％)、Acidobacteria(11.6％)、Chloroflexi(2.3％)、Bacteroidetes(2.3％)、Vermcomicrobia(2.3％)为主,细菌Cyanobacteria、Alphaproteobacteria和Planctomycetes仅仅存在于这个湖区；草型湖区中层沉积物细菌种群以Betaproteobacteria(48.7％)、Epsiloproteobacteria(23.1％)、Acidobacteria(7.7％)、Deltaproteobacteria(5.1％)、Bacteroidetes(5.1％)、Chloroflexi(2.6％)为主,而藻型湖区中层沉积物细菌种群以Betaproteobacteria(78.1%)、Deltaproteobacteria(12.5％)、Acidobacteria(3.1％)为主。典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)表明,Temp与TP和表层沉积物细菌群落时空动态变化具有显著的相关性；OM与pH和沉积物细菌群落垂直分布动态变化具有显著的相关性。
(2)2009年8月7-13日,选择一次完整的台风(Morakot)过程,在太湖野外原位收集一系列表层沉积物样品,PCR-DGGE分析细菌群落结构,通过对主要特异性DGGE条带的回收及测序,进行细菌种类鉴定,揭示台风过程中沉积物细菌群落结构的变化。分析结果表明,台风过程对沉积物细菌群落结构有一定的影响,台风中期沉积物样品中有两种细菌:拟杆菌门(Bacteroidetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae,亚硝酸盐氧化细菌)会突然大量地出现或激增,但这种影响是快速而短暂的。冗余分析((redundancy analyses,RDA)表明,台风过程中OM和沉积物细菌群落的动态变化具有显著的相关性。
(3)室内模拟太湖野外两个风速(小风:3-5 m/s,大风:>8 m/s)引起的水动力扰动,分析了水体细菌群落结构对扰动的响应和恢复过程。结果表明,3-5 m/s和>8 m/s风速引起的水动力扰动都会增加水体中附着细菌多样性,且>8 m/s引起的增加量显著高于3-5 m/s；虽然水体中浮游细菌多样性也会随着扰动的加强而增加,但两者引起的变化量没有显著差异。通过对细菌16S rRNA克隆文库分析结果显示,两个扰动前和扰动结束停止4天后水体附着细菌群落组成仍然存在明显的差异,扰动前附着细菌克隆文库的OTUs数是21个,细菌丰度(SChao1)为32,Shannon-Wiener指数是2.42,而3-5 m/s风速停止4天后,克隆文库的OTUs数是50个,细菌丰度(SChao1)为109.5,Shannon-Wiener指数是3.64,而>8 m/s风速停止4天后,克隆文库的OTUs数是30个,细菌丰度(SChao1)为114.3,Shannon-Wiener指数是2.62。这些结果表明细菌群落对水动力扰动响应的恢复过程是极其缓慢的或者不可逆转的。典范对应分析(canonical correspondence analysis,CCA)表明,在水动力扰动过程中,DOC和附着细菌群落动态变化具有显著的相关性:DOC、Turb和浮游细菌群落动态变化具有显著的相关性。
(4)野外原位模拟水华蓝藻降解实验结果表明,高浓度(2000μg/L)和中浓度(200μg/L)水华蓝藻,其降解过程水体中附着和浮游细菌多样性是不断变化的,呈现出随着时间是逐渐增加的趋势,且前者引起的增加量显著高于后者；而低浓度(20μg/L)水华蓝藻降解过程中附着和浮游细菌多样性无显著变化。高浓度水华蓝藻降解2天后附着细菌中变形菌门(Proteobacteria)的alpha-、beta-和gamma-亚纲中的一些属发生了不同基因型的演替,降解后一种分解微囊藻毒素的特异性细菌-鞘脂单胞菌属Sphingomonas大量地出现,表明太湖水华蓝藻降解过程中可能会有大量藻毒素的产生。三种浓度水华蓝藻降解后沉积物中细菌多样性仅仅只有高浓度组增加,降解前后沉积物中细菌群落结构差异明显,某个优势细菌种群消失了,另一些优势细菌种群又重新出现。典范对应分析(canonical correspondenceanalysis,CCA)表明,在水华蓝藻降解过程中,pH、Chl-a与OM和沉积物细菌群落动态变化具有显著的相关性。