全 文 ：第 35 卷第 14 期
2015年 7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.14
Jul.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑项目(2010BAC68B02); 大连市科技计划项目(2011E11SF007)
收稿日期:2013鄄12鄄29; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄09鄄09
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yqsun@ dlmu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201312293053
郭建国, 赵龙浩, 徐 丹, 孙野青.洪水对大凌河河流浮游细菌群落的影响.生态学报,2015,35(14):4777鄄4783.
Guo J G, Zhao L H, Xu D, Sun Y Q.Effect of the flood on the bacterial community of bacteriaplankton in Daling River.Acta Ecologica Sinica,2015,35
(14):4777鄄4783.
洪水对大凌河河流浮游细菌群落的影响
郭建国, 赵龙浩, 徐 丹, 孙野青*
大连海事大学环境系统生物学研究所, 大连摇 116026
摘要:洪水是一种突发性强、破坏力大的自然灾害,它不仅造成巨大的经济损失,而且对生态环境也有严重危害。 在地球生物化
学过程中起重要作用的微生物是否也受到影响值得深入研究。 2012年采集了洪水暴发前后辽宁省锦州段大凌河表层水样,利
用 DGGE技术,结合 PCA和 RDA分析研究了洪水对河流表层水中细菌群落的影响。 结果表明:(1)洪水发生前后河流表层水
中的细菌群落发生了改变:洪水发生前河流中细菌群落结构与河段所处的自然环境有很大的相关性,而洪水发生后这一现象消
失。 (2)洪水发生前,影响细菌群落结构的主要环境因素是 pH和盐度,而洪水发生后,影响细菌群落结构的主要环境因素是总
磷。 这一研究结果提示洪水通过改变河流表层水环境特性对其中的细菌群落进行重塑。
关键词:细菌群落; 洪水; DGGE; 表层水
Effect of the flood on the bacterial community of bacteriaplankton in Daling River
GUO Jianguo, ZHAO Longhao, XU Dan, SUN Yeqing*
Institute of Environmental Systems Biology, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
Abstract: The flood often causes damage to human and the environment. In order to determine whether the flood can affect
the bacterial community which plays an important role in the process of geobiochemistry, we collected the surface water
samples along Daling River before and after the flood in 2012. We analyzed the bacterial community of the samples using
DGGE, combined with statistic methods PCA and RDA. The results were as follows: (1) The flood had a great effect on the
bacterial community of bacteriaplankton in the river. Before the flood occured, the PCA result showed that samples formed
clusters according to their natural habitat types, while this relationship disppeared after the flood. ( 2) The bacterial
community was primely shaped by pH and salinity which was determined in other studies as well before the flood, while the
main explanatory environmental factor was total phosphorus after the flood. Therefore,we came to a conclusion that the flood
can shape the bacterial community by the shift of the environmental characteristic such as total phosphorus.
Key Words: bacterial community; flood; DGGE; surface water
洪水是由于气候的原因导致局部地区大雨、暴雨或大范围较长时间的霪雨天气所致,它是人类生产生活
以及社会经济发展的威胁之一。 洪水不仅造成大量房屋倒塌和农田被淹,危害到人民生命财产的安全,还对
生态环境造成巨大的影响[1]。 洪水可以造成严重的水土流失;可以携带大量泥沙、农药残留物以及工业废渣
等大量污染物进入河流[2],使河道污染物总量增加;可以影响动植物栖息地的环境,而且影响动植物的生存
和繁衍[3];可以冲洗盐碱化土壤表面的盐碱,补充沼泽和湖泊的水量,改进植物的生长状态和生物多样性
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条件[1,4]。
微生物是地球上进行物质循环的生物地球化学过程的主力军,微生物群落的构成直接影响它们的功
能[5鄄6]。 洪水作为一种水流运动的突发状况,对河流是一种干扰,这种干扰是否会重塑河流中的微生物群落
的组成? 如果这种干扰可以改变微生物群落的结构,这种驱动因素是什么? 2012 年 8 月,受第 10 号台风"达
维"影响,辽宁省发生强降雨过程,发生了历史罕见的洪灾。 大凌河是受影响严重的河流,本研究选取的研究
区域位于锦州河口段,覆盖约 80km,河流宽度在 2—30m,深度在 0.5—3m。 收集了洪水暴发前后大凌河表层
水样,研究洪水干扰对河流浮游细菌群落的影响。
1摇 材料与方法
图 1摇 采样点分布图
Fig.1摇 Distribution of sampling sites in Daling River
1.1摇 实验材料
本研究的样品于 2012 年 5 月和 2012 年 8 月采自
辽宁省锦州段大凌河流域表层水,具体布点如图 1,本
研究沿河流共设 17个位点,采样点多数位于郊区,由于
当地各种改造工程的进行,有些位点只采集到 1 次,可
参见表 1。 水样经 300 目的无菌纱布过滤除去大型颗
粒和杂质,取 300ml,用 0.22um的硝酸纤维素膜过滤收
集微生物于滤膜上,滤膜在-80益冷冻保存。
1.2摇 实验方法
1.2.1摇 水样理化因素的测定
溶解氧(DO)由溶氧仪雷磁 GTB鄄 607A测定,pH值
由 pH计雷磁 THB鄄1测定,盐度 S 由盐度计测定,总氮
量、氨氮含量、总磷量、磷酸盐的测定参照《水质分析方
法国家标准汇编》中提供的方法进行。
1.2.2摇 DNA的提取
将水样滤膜从-80益冰箱中取出,将滤纸剪碎后,
利用 CTAB法提取 DNA[7]。 利用 Nanodrop对 DNA的纯度进行检测。
1.2.3摇 变性梯度凝胶电泳(DGGE)
DNA的浓度进行定量后,以提取的水样微生物 DNA为模板,用引物对 U968鄄GC鄄F(5忆CGCCCGGGGCGCG鄄
CCCCGGGCGGGGCGGGGGCAGGGGGGAACGCGAAGAACCTTAC3忆) 和 L1401鄄R ( 5忆 CGGTGTGTACAAGACC鄄
C3忆)扩增 16SrDNA 的 V6鄄V8 区,扩增程序如下:94益 5min,(94益 30s,55益 30s,72益 1min)30 cycles,72益
10min,4益保存。 PCR产物经琼脂糖凝胶电泳,利用灰度分析将上样量调整到 400 ng,进行变性梯度凝胶电
泳。 聚丙烯酰胺凝胶的浓度为 8%,变性浓度为 45%—65%。 电泳程序:120V 17h,60益保温。 电泳结束后,进
行硝酸银染色,然后利用 GS鄄800光密度扫描仪成像。
1.3摇 数据分析
DGGE图谱利用 Quantity one对主要条带进行灰度分析,导出相应的灰度值矩阵。 灰度值进行对数转化
后利用 Canoco4.5对矩阵数据进行 PCA分析,导出多样性数据进行分析;结合环境监测数据进行 RDA 分析,
分析结果进行蒙特卡罗检验,置换次数为 999,可以显著解释响应变量的环境变量被选入模型。 两次采集水
样间环境因素经 SPSS中单因素 ANOVA进行均值的显著性分析。
2摇 结果
2.1摇 洪水前后大凌河水样微生物群落的相似性分析
将样品根据位点的特征分为 5个区域:R0鄄R4为河流的上游段;R5为工业排污口;R6,R7 为河流下游段;
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R8,R9,R10为潮汐性淡水海水混合区;R10鄄R16为长期海水影响区,该区域在最小潮时仍然发生淡水海水的
混合。
所有水样 16SrDNA扩增产物经变性梯度凝胶电泳后得到指纹图谱,如图 2,条带分离清晰,样品间的主要
微生物不同,河流中的浮游细菌群落结构存在差异。
图 2摇 两次采集水样的微生物 16SrDNA的 DGGE指纹图
Fig.2摇 The DGGE fingerprints of microbial 16SrDNA in the samples collected in May 2012 and August 2012
为了进一步理解这种差异,对 2012 年 5 月和 2012 年 8 月的样品微生物群落组成进行了主成分分析
(图 3)。 2012年 5 月洪水发生前,大凌河表层水样按照样品采样点的环境特征分开,环境特征相似的样品的
微生物群落结构相似(图 3);2012年 8月洪水发生后,除工业排污口与其他位点的微生物群落结构有巨大差
异外,其余大凌河表层水样散在分布(图 3)。 以上研究表明洪水的发生改变了水流中的微生物群落结构。
图 3摇 两次采集水样微生物群落的 PCA分析
Fig.3摇 The PCA analysis of the microbial community in the samples
9774摇 14期 摇 摇 摇 郭建国摇 等:洪水对大凌河河流浮游细菌群落的影响 摇
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图 4摇 两次采集水样细菌群落的多样性分析
摇 Fig.4摇 The index of diversity analysis of the bacterial community
in the samples
对 5个区域中的微生物群落多样性进行了统计分
析,表明在洪水发生前大凌河河流表层水中的微生物群
落的香农指数 H忆有增加的趋势,特别是在海水影响区,
洪水发生后大凌河河流表层水中的微生物群落的多样
性指数有降低的趋势,海水影响区在洪水发生前后多样
性指数差异显著(P<0.05)(图 4)。 对河流表层细菌群
落的多样性指数进行分析,洪水发生后微生物群落的多
样性指数均值由 3.04降到 2.84,变异系数由 0郾 06 升到
0.11。
2.2摇 洪水前后大凌河水样微生物群落与环境变量间的
RDA分析
对各水样的溶氧、pH值、盐度、氨氮、总氮、磷酸盐、
总磷进行了测定(表 1)。 对两次样品的环境变量进行
均值比较,统计学分析表明:pH、S 存在极显著性差异
图 5摇 两次采集水样理化因素条形图
Fig.5摇 The bar graph of environmental variables
(P<0.01),TP 存在显著性差异(P<0.05),其他因素存
在差异,但不显著(图 5)。 可见洪水的发生对于水流环
境有很大的影响。
上述数据表明洪水发生前后,水环境发生了剧烈改
变,而其中的微生物群落结构也发生了变化,那么水样
中哪些环境变量能够解释微生物群落的结构? 本文利
用 RDA分析对这一问题进行了进一步研究。 在洪水发
生前,水流中微生物群落的结构主要受 pH 和 S 的影
响,在洪水发生后,水流中的微生物群落主要受 TP 的
影响(图 6)。
表 1摇 两次采集水样的理化因素的测定
Table 1摇 The physicochemical characteristic of samples collected in May 2012 and August 2012
时间
Time
位点
Site
溶解氧
Dissolved
oxygen
(DO)
pH
盐度
Salinity
(S)
氨氮 / (mg / L)
NH4 鄄N
总氮 / (mg / L)
Total nitrogen
(TN)
磷酸盐 / (mg / L)
PO3 鄄P
总磷 / (mg / L)
Total phosphorus
(TP)
2012鄄05 R0 8.3 3 0.87依0.031 2.733依0.115 0.67依0.036 0.83依0.083
R2 8.1 3 0.42依0.02 1.97依0.058 0.38依0.049 0.53依0.056
R5 7.5 3 3.45依0.1 3.93依0.306 0.67依0.036 0.73依0.056
R6 9.1 3 0.32依0.035 2.83依0.757 0.39依0.051 0.84依0.085
R7 9.1 3 0.11依0.012 2.1依0.2 0.63依0.045 0.83依0.055
R8 8.5 3 0.23依0.012 1.0依0.1 0.33依0.035 0.37依0.01
R10 8.5 3 0.26依0.035 2.37依0.252 0.28依0.023 0.36依0.072
R11 8.8 3 0.86依0.035 2.47依0.115 1.25依0.081 1.33依0.05
R12 8.8 8 0.12依0.02 1.67依0.058 0.45依0.051 0.74依0.029
R13 8.6 6 0.1依0.001 1.5依0.265 0.66依0.079 1.08依0.1
2012鄄08 R3 6.77 7.63 0.32 1.12依0.113 0.04依0.011 0.41依0.035
R4 1.92 7.71 0.3 1.31依0.06 2.17依0.181 0.03依0.002 0.5依0.08
R5 2.35 6.76 1.23 5.86依0.096 3.20依0. 2 0.09依0.015 1.49依0.09
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续表
时间
Time
位点
Site
溶解氧
Dissolved
oxygen
(DO)
pH
盐度
Salinity
(S)
氨氮 / (mg / L)
NH4 鄄N
总氮 / (mg / L)
Total nitrogen
(TN)
磷酸盐 / (mg / L)
PO3 鄄P
总磷 / (mg / L)
Total phosphorus
(TP)
R6 2.04 7.62 0.3 1.56依0.076 0.05依0.004 0.71依0.061
R8 7.48 8.28 0.92 1.2依0.142 1.53依0. 042 0.03依0.003 0.39依0.015
R9 4.21 7.7 0.36 1.19依0.087 2.83依0. 163 0.03依0.006 0.48依0.061
R10 3.84 7.7 0.45 1.13依0.046 1.70依0. 182 0.02依0.008 0.37依0.066
R11 4 7.75 0.44 1.34依0.093 1.40依0. 053 0.03依0.009 0.39依0.074
R12 4.18 7.79 0.4 1.23依0.128 0.02依0.003 0.32依0.044
R13 5.11 7.69 2.53 1.54依0.106 1.33依0. 115 0.03依0.003 0.31依0.036
R14 5.46 7.65 7.26 1.34依0.092 0.03依0.005 0.32依0.032
R15 5.77 7.72 5.78 1.26依0.078 0.02依0.004 0.32依0.026
R16 5.34 7.7 0.67 1.27依0.085 0.03依0.003 0.36依0.072
摇 摇 “ 冶为未测
图 6摇 两次采集水样微生物群落和环境变量的 RDA分析
Fig.6摇 The RDA analysis between the microbial community and the environmental variables
3摇 结论与讨论
微生物广泛地存在于各种环境中,在生物地球化学过程中发挥着重要作用。 微生物时刻受到各种自然压
力的选择[8鄄9]。 洪水作为一种剧烈的自然干扰对农业,畜牧业[10]及生态环境有很大的影响。 NATHAN R. DE
JAGER[11]发现随着洪水的发生频率和时间的增长,小树种减少,耐受性物种规模增大。 Chih鄄Ching Chung[12]
发现长江洪灾影响聚球藻属在中国东海表层水中的生态分布。 这些提示洪水可以对生态环境形成选择压力。
洪水发生前,PCA分析显示水样依据水流环境聚集在一起,分别为河流上游、排污口、河流下游、淡水海
水混合区、海水影响区五类。 有研究发现微生物群落的类型具有栖息地选择性[13鄄14]。 在洪水发生前,表层水
中的微生物群落结构非常符合这一现象,也说明河流表层微生物群落在各自的栖息环境中进行进化,形成了
环境依赖的特征。 对这 5个区域的微生物多样性的趋势分析也表明:洪水改变了微生物群落多样性沿河流的
升高的趋势,与环境因素的改变和洪水的稀释作用有关。 RDA 分析洪水发生前的环境因素对于表层水中微
生物群落结构的解释作用,发现 pH 和 S 是主要的环境解释因素。 pH 和 S 是已研究的环境因素中对生物群
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落的形成具有非常重要的因子[15鄄17]。 已有研究表明:土壤 pH对湿地植物的分布具有很大的影响[18],土壤微
生物群落对 pH变化敏感[19],海洋的酸化过程会影响海洋微生物的多样性[20]。 在水生态系统中,盐度可以控
制微生物的分布[21鄄22],形成明显的淡水微生物群和海水微生物群。 洪水发生前水流中微生物的解释变量为
pH和 S,也进一步说明该河段表层水中微生物群落形成了环境依赖性的结构。
洪水发生后,河道水位急速上升,水量增大,环境数据显示水流中的 pH 和 S 都明显下降,这与洪水的稀
释作用有关,氨氮、总氮、磷酸盐、总磷的浓度也发生变化。 对河流表层微生物群落的 PCA 分析表明:微生物
群落在洪水后各样点根据河道自然环境特征聚集的特点消失,而是趋于散在分布。 洪水流经农田,道路等将
非土著性微生物带入河道,而河流的稀释导致原环境中微生物浓度的稀释,在这种条件下微生物在改变的新
环境中迅速建立起新的群落结构,这也就解释了散在性分布的原因。 从 RDA 分析的结果中发现,洪水后,影
响微生物群落结构的主要解释变量为 TP。 而河流表层水中的 TP 在洪水发生前后有显著性差异。 磷是浮游
植物和细菌生长的必需元素,磷的缺失可以限制他们的生长[23]。 磷是农田的主要肥料之一,突发洪水将大量
农田中的磷元素带入河流,从而促进了微生物群落的重塑。 磷的富集是导致淡水和近海岸赤潮的发生的原因
之一[24鄄25]。 在一些富营养区海湾,磷是具有限制性的元素[26],突发洪水可能将大量磷元素带入,提高了风险。
结论:在自然条件下,河流表层水中的浮游细菌群落在各自的环境条件下进行进化,这种进化导致的结果
与所处生态位的环境特征相关,当强烈的外界因素如洪水介入后,会改变河流固有的环境特征,特别是限制性
元素磷的重新分布,从而对微生物群落造成重塑,重塑导致的微生物群落变化,会带来未知的危害,如赤潮等
灾害的发生,本研究可以为淡水和近海岸灾害的发生提供依据。
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