大凌河流域典型水生植物微生物群落吸附特征试验分析

赵小龙

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

水生植物对河流水质具有一定程度的水体净化作用，尤其是对重金属和氮磷污染物具有较为明显的吸附作用[1]。细菌微生物主要吸附在植物的表面，和水生植物松散或紧密结合在一起形成具有共生的细菌微生物[2]。水生植物作为生态系统机构的初级生产者，对水生态系统的机构和功能影响较为明显[3]。水生植物可吸附污染物，通过光合作用为水生生物栖息和产卵提供条件[4]。沉水和浮叶植物通过漂浮叶面为微生物群落提供吸附空间，微生物与生物膜之间存在紧密联系，相互影响。近些年来，许多学者采用各种方法对水域浮游植物群落时空变化特征与环境因子的关系进行深入探讨，其中高通测序方法应用较为成熟和广泛，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态功能结构的改善[5-7]。

大凌河是辽宁西部地区第一大河，在全国流域生态保护建设的大背景下，大凌河流域生态功能和影响研究也取得较为丰富的成果[8]。但是对于较为重要的水生植物的微生物吸附特征分析还较少，为对大凌河生态保护和修复提供参考依据，本文对大凌河流域5种典型水生植物，通过高通测序方法，对其生物群落的吸附特征进行分析。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

以大凌河流域五刺金鱼藻、格菱、狐尾藻、水蓼及芦苇5种水生植物为研究对象，水体样本和水生植物均来自大凌河流域。各样本采集的时间分别为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 水质的测定

对采样区域水质指标进行测定，水质参数见表1。结合不同季节的水质测定数据，并通过室内试验对采样区域不同水生植物的污染物吸附情况进行了解，见表2。

表1 不同采样区域的水质参数

表2 各季节不同类型水生植物污染物削减量结果

1.3 生物群落的测定

采样高通测序方法对不同水生植物的生物群落进行测定。以采用高通测序方法后各样本长度为横坐标，以其对应不同长度的数值为纵坐标，进行不同长度序列的测序分布分析。不同测序划分为多个OTU(菌群多样性指数)，测序阈值在1%～3%可表示为微生物物种，微生物的属以5%OTU来表示，微生物的纲以15%OTU来表示，以不同类型序列长度最长为序列代表，采用RDP(BP神经网络预测样本)训练数据库为样本数据系列进行注释，得到不同OTU原始分类数据系列，由于原始数据系列含有的OTU数据系列较少，序列的置信水平较低，对样品中测定的不同微生物的数目和丰度进行统计，随着高通测序数据样本序列的增加，对样本曲线进行稀释，当稀释后曲线逐步平稳后，则表明测序样本序列已经足够。对高通测序进行校正，分析其微生物的覆盖指数，校正结果见表3。

表3 不同水生植物的生物群落高通测序分析结果

2 不同水生植物附着微生物多样性及密度试验结果

2.1 微生物多样性指数分析结果

采用高通测序方法，对大凌河流域五刺金鱼藻、格菱、狐尾藻、水蓼及芦苇5种水生植物在不同季节的多样性指数进行分析，结果见表4。

表4 不同季节各水生植物的多样性指数分析结果

从OTU和Chao(菌种丰富度)指数可看出，各季节中五刺金鱼藻和狐尾藻的附着生物群落的多样性指数均高于其他水生植物，夏季和秋季各水生植物的覆盖指数均较高，在冬季覆盖指数达到最低值，Shannon(生物量丰富度)指数和Simpon(生物种类覆盖度)指数表示为各水生植物附着生物的适宜性。从分析结果可以看出，大凌河流域各典型水生植物适宜指数存在明显的季节性差异，夏季和秋季适宜指数较高，藻类附着生物的群落适宜性高于浮叶植物表层，微生物群落在浮叶植物根部的结构与其表面存在明显差异。

2.2 微生物密度测定结果

对不同季节各水生植物表层和根部单位质量微生物附着群落密度进行了测定，测定结果见表5、表6。

表5 各水生植物表面单位质量微生物附着群落密度测定结果

表6 各水生植物根部单位质量微生物附着群落密度测定结果

从各水生植物表层单位质量微生物附着群落密度测定结果可看出，五刺金鱼藻表层微生物附着密度最大，其次为狐尾藻，水蓼和芦苇表层微生物附着密度最低。各季节不同水生植物表层微生物附着密度差异性较大，这主要和植物生长结构有关。夏季属于藻类易生长季节，因此，其微生物附着密度较大；而进入冬季和秋季，由于藻类受温度影响较大，不容易生长，微生物附着密度降低。而芦苇作为典型的浮叶植物，其微生物在其表层附着密度较小，但进入秋季后，芦苇相比于其他浮叶植物更为茂密。因此，其表层附着密度有所增加。从各水生植物根部微生物附着密度可看出，沉水植物如五刺金鱼藻、狐尾藻及格菱根系微生物附着密度，同样存在季节差异，但浮叶植物根系微生物附着群落密度有所降低。

3 不同水生植物附着微生物群落结构分析

3.1 附着微生物群落丰富度分析

不同季节各微生物附着密度有所不同，从而影响各微生物的群落结构。为此对不同季节微生物群落结构特征进行分析，结果见表7。

表7 不同季节各水生植物生物群落丰富度分析结果

在不同季节的样品中各分析45种菌类微生物，其中，变形菌、梭菌、柔膜菌、鞭脂杆菌、杆菌、疣微菌门的丰富度之和占据95%以上，为大凌河5种典型水生植物最为优势的菌类微生物。和各水生植物群落季节交替变化类似，其微生物群落结构存在明显的季节变化。夏季和秋季变形菌为第一优势菌种微生物；春季和冬季变形菌优势有所降低；随着冬季气温的逐步降低，杆菌的优势有所增加。

3.2 附着微生物群落分类水平分析

优属度主要表征生物群落的丰富程度，在各水生植物不同季节的群落结构特征分析的基础上，对其不同季节各水生植物附着微生物群落优属度(丰度)进行计算，结果见表8。

表8 不同季节水生植物附着微生物群落优属度比较

续表

从表8中可以看出，在各典型水生植物中夏季和秋季各类微生物菌类优属度均较好，这是由于夏季和秋季气温适合水生植物生长；春季和冬季各水生植物吸附的微生物菌类优属度有所变化，这主要和各水生植物生长及分泌的物质有关，呈现一定程度的专一宿主型。在植物生长初期菌类附着较为随机，而在快速生长期通过对水体周围养分进行汲取，使得菌类微生物群落结构较为稳定，而由于温度降低及养分的减少使得各水生植物吸附的微生物菌类衰亡，也说明微生物对环境影响敏感程度高于水生植物的类型。

3.3 附着微生物群落与水环境相关性分析

采用环境因子相关分析方法分析不同季节附着微生物群落指数与4种主要水环境指标的相关性，结果见表9。

表9 不同季节水生植物附着微生物群落与水环境相关性分析结果

将不同季节各水生植物的附着微生物菌落与TP、TN、pH值、CODMn进行相关性分析，发现在春季各微生物菌落与TP、TN、pH值均呈现负相关，与CODMn呈现正相关，和TN的负相关系数最高。夏季各微生物菌类与4种水环境指标均呈现正相关，相关性排序为TN>TP>pH值>CODMn,夏季温度较高，更有利于微生物菌类在水生植物上的吸附。秋季各水生植物微生物吸附菌类与TN、TP呈现负相关，与其他两个水环境指标呈现正相关，而在冬季由于温度降低，各水生植物吸附的微生物群落活性程度较低，使得水环境因子对其影响的程度也有所减小。

4 结 论

本文采用高通测序方法对大凌河流域水生植物微生物群落进行试验分析。根据微生物密度测定的数据及不同水生植物附着微生物群落结构分析可知，各微生物群落在不同季节丰度上存在明显差异性，其中水环境对生物群落的影响比植物类型要高，从而得出如下结论：

a.变形菌门为大凌河藻类植物优势菌种，其厌氧性较高，可对有机碳和重金属进行有效降解。因此，建议在夏季适当加大大凌河藻类植物数量，从而增加变形菌门在藻类植物的吸附密度，以改善水体中的有机碳和重金属含量。

b.杆菌对水体中有机物的降解作用较为明显，在水蓼根系吸附密度较大。因此，建议在秋季可适当增加水蓼水生植物的数量，提高水蓼根系密度，从而对水体中有机物的含量进行有效吸附和降解。

c.虽然微生物菌类对水体中有机碳、重金属以及有机物有生物降解作用，但其生态功能还需要进一步讨论，尤其是在夏季其与TN、TP呈现正相关性，因此，对于水生植物不同季节的生态适宜数量还需探讨，并不是各季节微生物菌类越多越好。

本研究成果可为恢复大凌河流域水生植物、修复流域水生态系统和防治水体富营养化提供参考。