鄱阳湖水体和沉积物细菌群落时空动态与构建过程研究

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近年来,受气候变化和人为活动的影响,湖泊生态系统面临着面积萎缩、水文节律改变以及生物多样性降低等一系列生态问题,限制了湖泊生态功能的发挥。细菌作为湖泊生态系统重要组成成分,在维持湖泊生态系统稳定和生态功能发挥过程中起着重要的作用,揭示影响细菌群落多样性分布模式和调节群落多样性的主要因素是预测湖泊生态系统对环境变化响应的关键。然而,目前对于调节湖泊生态系统中细菌群落长期变化的生态机制仍然知之甚少。基于此,本研究以我国最大的淡水湖泊—鄱阳湖为研究对象,通过整理课题组历年监测数据、National Center for Biotechnology Information数据库检索和野外样本采集的方式,获得了2014-2021年鄱阳湖水体以及沉积物中细菌群落的16S r RNA基因测序数据。分析了水体和沉积物中细菌群落的时空动态特征及其影响因素,初步探究了确定性过程和随机性过程在湖泊细菌群落构建过程的相对贡献。本研究的主要结论如下:(1)鄱阳湖区域气象水文条件在2010-2021年发生了一定的变化。区域地表年平均气温(0.25°C/10年)、春季气温(1.5°C/10年)和冬季气温(2.1°C/10年)气温显著上升,其中冬季气温的上升速率最快,对鄱阳湖区域地表气温上升起主要贡献。年均地表风速呈现出下降的趋势,而年降水量和年均水位没有明显变化。(2)鄱阳湖水体和沉积物的理化性质均表现出较强的时空异质性。水体中总磷、总有机碳和硝态氮浓度在2014-2021年之间表现出逐渐上升的趋势,而总氮和氨态氮浓度则表现出下降的趋势。沉积物中总磷浓度在2014-2021年之间逐渐增加,而总氮、氨态氮和硝态氮浓度则表现出逐年下降的趋势。(3)鄱阳湖水体细菌群落结构和构建过程在2014-2021年之间呈现出明显的时空异质性。变形菌门(Proteobacteria;47.5%)、放线菌门(Actinobacteria;25%)、拟杆菌门(Bacteroidetes;10.9%)以及蓝细菌门(Cyanobacteria;6.2%)是水体中的优势细菌门。受总氮、总有机碳和p H的影响,水体细菌群落多样性在不同时空下表现出显著差异。随着采样年限的变化,群落α多样性表现出先上升后下降的趋势,在2018年达到最大。在季节变化上,群落α多样性在春季最高,夏季最低。在空间分布上,不同湖区群落α多样性也呈现出明显差异,相较于南北湖区和蝶形湖,入湖河口的α多样性最高。水体细菌群落结构受到月平均气温和水位的显著影响。季节变化对水体细菌群落结构的影响强于采样年限和区域。零模型分析结果表明,确定性过程主导了水体细菌群落构建过程,其中均质选择的相对贡献最大。此外,为探究温度对细菌群落的影响,按照气温将样品分为三组:小于15°C,15-25°C和大于25°C。结果表明温度显著影响了水体细菌群落多样性、群落构建和群落种间作用关系。温度上升在一定程度上增加了群落的α多样性,但降低了群落的β多样性。随着温度的升高,蓝细菌门的相对丰度显著上升,而拟杆菌门丰度显著降低。Lefse分析进一步揭示了拟杆菌门、酸杆菌门和蓝细菌门分别为小于15°C、15-25°C和大于25°C样本组的重要指示生物类群。微生物共现网络复杂性在小于15°C时最低,大于25°C时最高。随机性过程对微生物群落构建的贡献在15-25°C组中最高。(4)鄱阳湖沉积物细菌群落结构和构建过程在2014-2021年之间呈现出明显的时空异质性。变形菌门(Proteobacteria;32.3%)、酸杆菌门(Acidobacteria;16.4%)、拟杆菌门(Bacteroidota;8%)和绿湾菌门(Chloroflexi;5.8%)是沉积物中的优势细菌门。受到年降雨量、年均气温和总氮的影响,不同时空沉积物细菌群落的α多样性表现出显著差异。随着采样年限的变化,沉积物细菌群落α多样性表现出先上升后下降的趋势。而在空间分布上,入湖河口细菌群落的α多样性显著高于南北湖区和各蝶形湖。p H和总氮是影响沉积物细菌群落的主要环境因素,采样年限、季节和区域对沉积物细菌群落结构的影响较小。此外,沉积物细菌群落表现出显著的距离衰减模式。零模型分析结果表明,确定性过程主导了沉积物细菌的群落构建,其中变量选择的相对贡献最大。年均气温和年降水量显著影响了沉积物群落构建中确定性与随机性过程的平衡。(5)鄱阳湖水体和沉积物细菌群落的结构差异显著。相较于沉积物,水体细菌群落具有较低的α多样性和较高的β多样性。水体和沉积物细菌群落相对丰度最高的都是变形菌门,不同的是,水体群落中含有较高丰度的放线菌、拟杆菌门和蓝细菌门,而沉积物中含有较高丰度的酸杆菌门、绿湾菌门和疣微菌门。FAPROTAX功能预测的结果表明,沉积物中的细菌群落表现出更高的化能异养、烃类降解以及氮循环相关功能潜力,而水体中的光营养和需氧化学异养功能更为丰富。综上所述,鄱阳湖水体和沉积物细菌群落结构与构建过程在2014-2021年间发生了明显变化,温度是影响水体细菌群落结构和构建过程的重要因素。以上研究结果扩大了我们对湖泊生态系统细菌群落的时空动态、构建过程和驱动因素的理解,并为群落细菌群落演替的潜在机制提供了线索。
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