全 文 ：第 26 卷第 6期
2006 年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 6
Jun. , 2006
东湖沉积物中微生物磷脂的垂向分布
冯 峰1, 2 ,方 涛1 ,刘剑彤1, *
( 11 中国科学院水生生物研究所,武汉 430072; 21 中国科学院研究生院,北京 100039)
基金项目:国家 973项目资助项目(2002CB412300) ;国家 863项目资助项目( 2002AA601013)
收稿日期: 2005-09-11;修订日期: 2006-05-12
作者简介:冯 峰( 1982~ ) ,男,河南卢氏人,硕士生,主要从事湖泊生态学研究. E-mail: fengf- 2005@163. com
* 通讯作者 Corresponding author. E-mail : jt liu@ ihb. ac. cn
Foundation item: The project was supported by Nat ional 973 Project( 2002CB412300) ; National 863 Project (2002AA601013)
Received date: 2005-09-11; Accepted date: 2006-05-12
Biography: FENG Feng, Master candidate, mainly engaged in lake ecology. E-mail : f engf- 2005@ 163. com
摘要:以武汉东湖柱状沉积物为研究对象, 利用磷脂法测定了 3 个采样点各层的微生物量, 同时测定了沉积物中各层的 pH, 简
要分析了沉积物中磷脂含量的垂向分布与 pH 垂向分布的相关性。结果表明: 各样点沉积物中磷脂平均含量分别为: 1 号点
591 40nmolPg#dw, 2号点为 201 56nmolPg#dw, 3 号点为 31157nmolPg#dw。在沉积物的垂向分布上, 微生物量与 pH 均随着沉积物深度
的增加而降低,并且存在很高的相关系数。
关键词:东湖; 沉积物;微生物量; 磷脂
文章编号: 1000-0933(2006) 06-1758-05 中图分类号: Q143, Q938. 8 文献标识码: A
The vertical distribution of sedimentary microbial biomass in Lake Donghu by
phospholipid methods
FENG Feng
1, 2
, FANG Tao
1
, LIU Jian-Tong
1, * (11 Institute of Hydrobiology , Chinese Academy of Sci ences , Wuhan 430072, China ; 21Graduate
School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China ) . Acta Ecologica Sinica, 2006, 26( 6) : 1758~ 1762.
Abstract: Sediment samples for phospholipid and pH analysis were collected from three sites in Lake Donghu. Lipids were
recovered from all samples by chloroform-methanol extraction. Briefly, the sediment samples were mixed with chloroform,
methanol, and phosphate buffer ( pH 714) at a ratio of 1B2B018 in colorimetrical tube, incubated for 2h, then subjected to
centrifugation. The lipid-containing solvent ( chloroform) was transferred into separatory funnels. Then partitioned by adding
chloroform and buffer till the final ratio of chloroform-methano-l buffer was 1B1B019. The mixture was allowed to separate for 24h.
The lower organic phase was decanted into a test tube and then dried under a gentle steam of nitrogen. Phosphate was liberated
from lipids by perchloric acid digestion and heated to 200e for 2h. Finally, inorganic phosphate released by digestion was
determined by the method of Van Veldhoven and Mannaerts. Meanwhile, the pH value of sediments was measured in situ and the
relativity between pH value and concentrations of phospholipids was analyzed.
The results showed that the highest concentration of microbial phospholipids occurred in Station 1, which suffered from heavy
domestic sewerage and the average concentration is 59140nmolPg# dw. The lowest concentration of microbial phospholipids
presented in Stat ion 2, which is located at the centre of Lake Donghu and its concentration is 20156nmolPg#dw. Station 3 was in
the middle with its concentration at 31157nmolPg# dw. Vert ical distribution of three sample sites indicated that microbial
phospholipids decreased along with sediment depth. At the top 10cm layer of the sediments, all of the sampling sites in Lake
Donghu were very high. However, along with the increasing of the depth of sediment, the concentrations of microbial
phospholipids of the three sampling sites showed great changes, because of the long time precipitation of nutritious matters, the
concentrations of microbial phospholipids in station 1 were still high, but it decreased obviously in Station 2 and Station 3, because
they are far from heavy domestic sewerage. The pH value of sediments also decreased along with depth and the correlation
coefficient between them was high, which were r1= 019492, r 2= 017376 and r3= 019050 respectively.
Considering the important effect of the concentrat ion of nutrit ious matters for microbial growth, systemat ic analyzing the
relativities between the concentration of microbial phospholipids and biogenicmatters, such as total nitrogen, total phosphorus etc,
as well as environmental factor should be done in further study.
Key words: Lake Donghu; sediments; microbial biomass; phospholipid
湖泊是一个具有高度生物活性的特殊环境,有机质的微生物降解是湖泊生源物质得以再生的主要途径。
在传统的微生物生物量的测定中,平板菌落计数法( CFU)或最大可能自然数法(MPN)计算的微生物的生物量
只能代表能够在培养基中生长的那一部分,直接计数法则不能区别活的生物量和死的生物量[ 1]。这些方法测
定的生物量只能提供微生物群落信息的一小部分, 分离鉴定到的微生物只占环境微生物总数的 0. 1% ~
10%
[2] 。
在适宜的条件下自然微生物群落中细胞磷脂 ( phospholipid)含量与总微生物量有着相对稳定的比例关
系[ 3]。因为磷脂类化合物主要存在于所有活细胞膜中,细胞中磷脂的含量在自然条件下(正常的生理条件下)
恒定[ 4]。一旦微生物细胞死亡,其中的磷脂类化合物能够快速转化和降解,所以磷脂类化合物可以作为微生
物生物量的指标。在国外,利用磷脂来估测土壤或沉积物中的微生物生物量,在很早就有报导,如White 等人
于1979年进行了提取磷脂来确定河口沉积物微生物生物量的研究[ 5] , Findlay 等人则于 1989年用磷脂分析法
测定了深海沉积物中的微生物生物量[ 6] , Frostegard 等人也运用磷脂的总含量检测了不同有机成分土壤的微
生物生物量[ 7]。国内则仅见一些综述性文章,研究性报导尚不多见。
图 1 东湖采样位置
Fig. 1 Location of sampling in Lake Donghu, Wuhan
本文以东湖柱状沉积物为研究对象,分析了沉积物中磷脂含量的垂向分布, 估算了沉积物中微生物的生
物量, 并对沉积物中的微生物量与 pH 的相关性进行了简要的探讨, 为湖泊生态学和富营养化机理的研究提
供了科学依据。
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
东湖( 30b22cN, 114b23cE)是一个典型的富营养湖泊, 位于武汉市武昌区东北部, 是长江中游一个中型浅
水湖泊,水域面积在水位2015m时为 2719km2 ,平均水深约 2121m, 最大水深4175m。由于多年来人工围堤的结
果, 已被划分成许多小湖区, 目前最大湖区是郭郑湖, 面积 12134km2。是东湖富营养化较为严重的湖区 [ 8] 。
本研究在郭郑湖区设 3个采样点,其中 1号点( 30b321922cN, 114b211572cE)位于排污区, 2号点( 30b321989cN,
114b221679cE)处于湖心位置, 3号点( 30b321949cN, 114b231607cE)靠近磨山风景区,如图 1所示。
1. 2 样品采集与处理
分别于 2004-11, 2004-12和2005-3用自制的柱状采
泥器采集 3个采样点 0~ 30cm的样品,以 2cm每层现场
分割, 并测定各层的 pH,测定完成后迅速将样品放入聚
乙烯塑料袋中密封保存, 随后用便携式冰箱低温运回实
验室冷冻保存。将冷冻后的样品放进冷冻干燥仪冷冻
干燥 24h后,研磨过 100目筛, - 20 e 冰箱中保存, 以待
分析。
1. 3 脂类萃取
脂类的萃取方法采用改进的 Bligh 和 Dyer 萃取方
法[ 5,9] 。简要步骤如下: 称取适量样品放入 100ml 的比
色管中, 加 4ml 的磷酸缓冲液 (用 1molPL HCl 中和
111411gPL 的K2HPO4#3H2O到 pH 为 714为止) , 然后加
17596期 冯峰 等:东湖沉积物中微生物磷脂的垂向分布
上10ml的甲醇和 5ml的氯仿,混合均匀后超声萃取 2h, 将超声萃取过后的样品连同溶液移入离心管中, 随后
再在原先的比色管中加入 4ml的磷酸缓冲液, 10ml的甲醇和5ml的氯仿, 洗涤残渣及容器,震荡充分后一并移
入离心管中, 4500rPmin离心 15min,离心后的上清液移入 125ml的分液漏斗中,并向分液漏斗中加 10ml磷酸缓
冲液和10ml氯仿,震荡混合均匀,静置 24h后,分液漏斗中的溶液分层,上层无色,下层棕黄色。
收集下层的有机相, 移入试管中,加热(不超过 40 e )并用氮气吹干有机相,氯仿必须完全除去否则可能
会在消解过程中引起爆炸。干燥后的脂类可以在充入氮气后于- 20 e 条件下保存。
1. 4 磷脂消解与含量测定
向经氮气吹干后仅含脂类的试管中加入 35%的高氯酸(浓高氯酸加水 1B1混合) 115ml, 并在试管顶部放
上小漏斗,加热到 200 e 消解 2h1消解后的消化液为无色澄清液体。冷却后的消化液转入 25ml的比色管中,
并用蒸馏水冲洗试管壁 2~ 3次,冲洗液全部转入比色管中,定容至 10ml; 加 1滴酚酞指示剂, 用 10molPLNaOH
溶液滴定至溶液刚显红色为止, 再用 1molPLH2SO4 滴定至红色消失, 随后定容至 25ml, 向比色管中加入
015ml10%抗坏血酸溶液,混匀。30s后加1ml钼酸盐溶液充分混匀,放置15min。用20mm 比色皿,于 700nm波
长处,测定其吸光值。
115 标准曲线的绘制
标准曲线的绘制参考总磷的钼酸铵分光光度法[ 10] 。
2 结果和讨论
2. 1 3个采样点沉积物 pH 的垂直分布
如图 2所示, 3个采样点柱状沉积物的 pH值具有同步变化趋势,其大小随深度的增加而逐渐下降并最终
趋于稳定。在沉积物表层 3个采样点的 pH值比较接近, 约为 715。稳定后 1号点 pH 值约为 6198, 2号点 pH
值约为6157, 3号点 pH 值约为 6176, 三者关系是 1号点> 3号点> 2号点。
212 3个采样点沉积物中磷脂含量的垂向分布
每个样品的磷脂含量均平行测定 3次,最后取平均值并计算标准差, 如图 3所示。在 3个采样点磷脂的
垂直分布上,表层沉积物的磷脂含量非常高, 其中 1 号点磷脂含量为 10116nmolPg dw, 2 号点为 84197nmolP
g dw, 3号点为 107119nmolPg dw。
图 2 3个采样点沉积物 pH 的垂直分布
Fig. 2 Vert ical profiles of pH in sediments of three sampling sites
随着深度的增加,微生物磷脂含量都呈明显的下降
趋势, 这与Haglund等研究发现微生物的活性与数目均
随着沉积物深度的增加而下降相一致[ 11] 。在表层 10cm
部分,各样点的磷脂含量均较高, 而在 10cm 以下的部
分,则只有 1号点仍呈高的磷脂含量, 而 2号和 3号点
的磷脂含量则明显减少, 并且在垂向分布上无太大变
化。由于 1号点处于有大量生活污水排入的湖湾区, 湖
湾使得水流速缓慢, 大量的外源营养物质不能够及时扩
散到郭郑湖整个湖区, 大部分都会沉淀下来, 这样各种
营养物质含量在沉积物的垂向分布上都非常的高[ 12] ,
丰富的营养物质给微生物提供了充足的养分,因此其磷
脂含量在垂直分布上就显得非常的高。对于 2号点和
3号点, 处于远离湖湾区的地方,受水体的混合稀释作
用及浮游生物对营养成分吸收的影响, 能够沉淀下来特
别是在底层所能沉淀的有机质就很少, 因而其磷脂含在底层部分就下降很快。
2. 3 沉积物中磷脂含量与微生物生物量的对应关系
通常用一个平均转换因子将磷脂脂肪酸的量转换为细胞的数量, 由于受到各种环境生态因子的限制,目
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图 3 3个采样点沉积物磷脂含量的垂直分布
Fig. 3 Vertical profiles of phospholipid in sediments of three sampling sites
前还没有一个统一的定论。White等通过对大肠杆菌( E1 coli )等的分析,计算出其转换因子介于 4 @ 107 ~ 2 @
10
9 个Pnmol之间,为克服纯培养不能反映出环境中真实条件的限制[ 13,14] , Findlay 等经过对沉积物进行多次加
富培养,将回收到的细胞经过洗涤后计算出其中磷脂含量和微生物数量的转换因子为 1nmol 磷相当于 314 @
10
7 个微生物细胞[ 15]。尽管不同生境下的自然群落中微生物个体大小不同, 种属不同,这个转换因子并不能
非常准确地反映出群落中的微生物量, 但是由于本方法与直接计数法和MPN法相比,该方法能够提供活微生
物生物量的较完整的信息,并且操作相对简便,因而是一种快捷、可靠的分析方法,本试验中 3平行的标准差
较低也从一个侧面证明了其可靠性。从表 1磷脂含量按照Findlay 给出的转换因子估算出各样点的平均微生
物量为 1号点2102 @ 109 个Pg dw, 2号点为 7100 @ 108个Pg dw, 3号点为 1107 @ 109个Pg dw。3个采样点微生物
量的关系是1号点> 3号点> 2号点。
表 1 东湖三个采样点的磷脂含量( nmolPg dw)
Table 1 Concentrations of phospholipid in sediments of three sampling
sites( nmolPg dw)
磷脂含量Phospholipid
concentrations
1号点
Stat ion 1
2号点
Station 2
3号点
Stat ion 3
范围 Range 23176~ 101108 5194~ 84197 4162~ 107119
平均值 Mean 59140 20156 31157
2. 4 沉积物微生物量与 pH 的相关性分析
沉积物中的微生物在水体营养物质的循环和能
量的流动中具有极其重要的作用,其含量与生长环境
中的营养盐含量有重要关系, 同时,微生物的生物量
又受到环境因素, 特别是 pH 的影响, 因此, 对各种因
素与微生物量之间的相关性分析就显得很重要。3个
采样点微生物量与 pH 的相关系数分别是: 1号点 r=
019492, 2号点 r= 017376, 3号点 r= 019050,从相关性分析中可以看出, 3个采样点的 pH 与微生物量存在很高
的相关性,但是由此并不能确定是 pH 的高低影响了微生物量, 还是微生物量的高低影响了 pH,此外, 微生物
生长环境中的营养盐含量也对微生物量有着重要影响,因而有必要对参与生源要素循环的微生物量与环境影
响因素的关系进行系统的试验,同时对于生源要素的垂向分布和微生物的垂向分布的相关性也需要进行深入
的探讨。
3 结论
(1)利用磷脂法测定东湖柱状沉积物中 3个采样点的平均微生物磷脂含量分别为: 1号点 59140 nmolPg
17616期 冯峰 等:东湖沉积物中微生物磷脂的垂向分布
dw, 2号点为 20156nmolPg dw, 3号点为 31157nmolPg dw。3个采样点微生物磷脂含量的关系是 1号点> 3号点
> 2号点。
( 2)在微生物磷脂的垂向分布上,表层 10cm部分各样点磷脂含量均较高,深层部分则随着营养盐含量的
不同而差别显著。磷脂含量与 pH 均随着沉积物深度的增加而降低,并且存在很高的相关系数, 考虑到碳、
氮、磷等其它生源因素的影响,有必要对参与生源要素循环的微生物量与环境因素的关系进行系统的研究。
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