不同水温分层水库沉积物间隙水营养盐垂向分布与细菌群落结构的关系王慎

1不同水温分层水库沉积物间隙水营养盐垂向分布与细菌群落结构的关系王慎1,张思思1，许尤1，官卓宇1，杨正健2*,刘德富1,2,马骏1(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，河湖生态修复与藻类利用湖北省重点实验室，武汉430068；2.三峡大学，三峡库区生态环境教育部工程研究中心，宜昌443002)摘要：为探究不同水温分层水库沉积物间隙水营养盐垂向分布规律及其与细菌群落结构的关系，运用16SrRNA高通量测序技术，分析了2018年1月澜沧江小湾、漫湾水库建库后沉积物细菌群落结构特征，并采用Cannoco软件对细菌群落与环境因子关系进行了冗余分析。结果表明，调查期间小湾水库水体表底温差3.3℃，最大温度梯度为0.2℃·m-1属于分层水体，漫湾表底温差0.1℃属于混合水体。小湾间隙水NH4+-N和NO3--N平均质量浓度分别为2.233mg·L-1和0.030mg·L-1，漫湾分别为2.569mg·L-1和0.016mg·L-1。间隙水NH4+-N在两个水库沉积物中均表现垂向向下减小的趋势，而NO3--N垂向变化则不明显但均在深层质量浓度最底，库区间比较来看，只有NO3--N具有极显著性差异，其中小湾明显高于漫湾。菌群分类发现，小湾与漫湾沉积物细菌群落具有相同的优势菌门和优势菌属，水温分层对间隙水营养盐及细菌群落结构无显著影响。而漫湾相比小湾沉积物中反硝化菌相对丰度更高，硝化菌和厌氧氨氧化菌相对丰度更低，同一库区沉积物深层中反硝化菌相对丰度较高，有机物降解菌、硝化菌、厌氧氨氧化菌和溶磷菌相对丰度较低，是造成沉积物营养盐库间差异和垂向差异的原因。关键词：澜沧江；分层沉积物；间隙水；营养盐；细菌群落中图分类号：X826文献标识码：A文章编号：0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201811116RelationshipBetweenVerticalDistributionofNutrientsandBacterialCommunityStructureinSedimentInterstitialWaterofStratifiedReservoirswithDifferentWaterTemperaturesWANGShen1,ZHANGSi-si1,XUYou1,GUANZhuo-yu1,YANGZheng-jian2*,LIUDe-fu1,2,MAJun1收稿日期：2018-11-16；修订日期：2019-01-07基金项目：国家自然科学基金项目(91647207，51509086)；国家重点研究计划项目(2016YFC0402204，2016YFC0401702)作者简介：王慎(1993～)，男，硕士研究生，主要研究方向为生态水利，E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]2019-01-2017:30:09(1.HubeiKeyLaboratoryofEcologicalRestorationofRiver-lakesandAlgalUtilization,SchoolofCivilEngineering,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China;2.EngineeringResearchCenterofEco-environmentinThreeGorgesReservoirRegion,MinistryofEducation,ThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)Abstract:InordertostudythetheRelationshipsbetweenverticaldistributionofnutrientsandbacterialcommunitystructureinsedimentinterstitialwaterofstratifiedreservoirswithdifferentwatertemperatures,MiSeqhigh-throughputsequencingwasusedtoanalyzeandcompareStructuralcharacteristicsofsedimentbacterialcommunityafterreservoirshavebeenbuilt．Andthentheredundancy(RDA)wasusedtoanalysisthebacterialcommunityandtheenvironmentalfactorsinCannocosoftware.TheresultsshowthatthetemperaturedifferencebetweensurfaceandbottomlayerofXiaowanreservoirwas3.3℃,themaximumthermalgradientwas0.2℃·m-1,whichwasatypicalstratifiedreservoir.ThetemperaturedifferencebetweensurfaceandbottomlayerofManwanReservoirwas0.1℃,whichwasatypicalmixedreservoir.TheaverageconcentrationsofNH4+-NandNO3--NinsedimentinterstitialwaterofXiaowanReservoirware2.233mg·L-1and0.030mg·L-1,whilethatofManwanware2.569mg·L-1and0.016mg·L-1.Indifferentreservoirs,theconcentrationofNH4+-Nshoweddownwardtrends,andthevariationofNO3--Nwasnotobvious,butthecontentofNO3--Nwastheleastinthedeeplayer.Incomparisonbetweenreservoirs,onlyNO3--Nhadasignificantdifference,inwhichtheXiaowanwasobviouslyhigherthantheManwan.ThebacterialcommunitystructureinXiaowanandManwanreservoirssedimentshadthesamedominantbacterialinphylum,classandgenuslevels.Thedifferenceofwatertemperaturesstratificationhadnosignificanteffectonnutrientandmicroorganisminsediment.Undertheinfluenceofotherfactors,thedenitrifyingbacteriainManwanReservoirsedimentswaremorethanthoseinXiaowanReservoir,andthenitrifyingbacteriaandtheanammoxbacteriainXiaowanReservoirsedimentwaremorethanthoseinManwanReservoir.Inthesamereservoir,thedenitrifyingbacteriainbottomofsedimentwaremore,andtheorganicdegradationbacteria,nitrifyingbacteria,anammoxbacteriaandphosphate-solubilizingbacteriawareless,whichisthereasonforthedifferenceofnutrientinverticalanddifferentreservoirs.Keywords:LancangRiver;stratifiedsediment;interstitialwater;nutrient;bacterialcommunity水库是人类调节和利用水资源的主要工程措施，具有防洪、发电、航运、拦沙等综合效益，但因水库改变了河流原来的水文过程，会对河流水体的水温、溶解氧、营养盐等诸多环境因子产生影响[1]。董世魁等[2]的研究表明水坝建设会促进沉积物中细颗粒和有机质质量浓度明显上升,使沉积物组分发生改变。沉积物作为微生物附着的主要介质，是营养物质代谢的重要场所，以往的研究主要集中在沉积物不同类型和空间位置对细菌群落差异的比较，这种差异受气候及地理位置影响较大[3]，其中环境因子对沉积物细菌群落多样性具有显著影响，但对土著菌群落的影响不大[4]。目前对小湾和漫湾水库的研究主要为水环境和营养盐的分布规律，对沉积物和微生物群落以及两者之间影响关系的研究非常少。朱春灵等[5]的研究发现小湾水库夏季水位20m以上水体温度具有明显分层，营养盐时空分布季节差异明显。李晋鹏等[6]的研究发现水坝运行对漫湾库区底栖动物优势组成由群落寡毛纲向昆虫纲发生了转变。本研究选取两种不同水温3分层下的水库，通过对采样点沉积物的分层监测和调查，揭示澜沧江干流小湾和漫湾水库建库后沉积物微生物群落结构分布特征，结合间隙水营养盐实测数据分析两者之间的内在联系，并探讨不同分层水库沉积物生化特征及差异，以期为日后水库监测和管理提供参考。1材料与方法1.1研究区域与样点设置于2018年1月在澜沧江流域小湾和漫湾水库进行样品采集，采样点位置如图1所示。小湾水库位于中国云南临沧市与大理白族自治州、保山市交界处，水坝建于2002年，2010年投入使用，上游至功果桥水坝，下游至漫湾水坝，系澜沧江中下游河段规划8个梯级中的第二级，是澜沧江中下游河段的“龙头水库”，水库正常蓄水位1240m，总库容1.51×1010m3，有效库容9.895×109m3，正常蓄水时水库面积189.1km2，为多年调节水库。漫湾水坝位于中国云南省西部云县和景东县交界处的漫湾河口下游1km的澜沧江中游河段上，建于1986年，2007年投入使用，上游至小湾水坝，下游至大朝山水坝，系澜沧江中下游八个梯级水电开发中的第三级，为径流式水坝，水库正常蓄水位994m，总库容9.2×109m3，有效库容2.57×108m3，水库面积23.9km2，为季调节水库。相比之下，小湾水库具有面积大，容量大等特征，是澜沧江流域梯级水库中典型的大型水库。图1采样点示意Fig.1Mapofsamplingsites41.2样品采集与分析现场采用TSI-EXO多参数水质分析仪(USA)测定库区水体垂向温度(WT)和溶解氧(DO)，并采用中国水利水电科学研究院水环境研究所研发的柱状采泥器(φ60mm×1000mm)采集库区沉积物和上覆水样品。沉积物上方0~5cm水体作为上覆水样品，并使用注射器吸取装入50mL聚乙烯瓶。剩余沉积物按照0~2、2~5、5~10和10~15cm进行分层(图2)，装入干净聚乙烯自封袋，并采用中科院南京土壤研究所研发的QX-6530便携式氧化还原电位仪测得分层沉积物氧化还原电位(ORP)。采样结束后，于当晚对样品进行预处理。采用TDZ5-WS台式多管架自动平衡离心机，对沉积物以3500r·min-1离心10min，分离间隙水装入50mL聚乙烯采样瓶，剩余沉积物保存待用；上覆水经3500r·min-1离心10min后，取上清液装入300mL聚乙烯瓶。所有样品使用干冰低温保存带回实验室。上覆水和间隙水中总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、总磷(TP)和正磷酸盐(PO43--P)的质量浓度，采