白洋淀春季沉积物好氧反硝化菌群落结构特征及对溶解性有机物的响应

好氧反硝化因其独特优势成为近年来生物脱氮的研究热点,溶解性有机物(DOM)作为微生物碳源是造成群落差异的重要原因,为了探究白洋淀不同功能区好氧反硝化菌群落结构对溶解性有机物碳源的响应,本文结合荧光区域积分法以及nap A反硝化基因的高通量测序技术,对白洋淀春季沉积物中的好氧反硝化菌群落结构特征以及好氧反硝化菌对溶解性有机物的响应进行研究.结果表明,春季白洋淀沉积物有机质组分类蛋白质组分高于类腐殖质组分,其中养殖区的类蛋白质组分最大,达到79.63%±3.79%,原始区的类腐殖质组分最大,达到33.91%±6.32%;高通量测序得到3693个OTUs,共分为9个主要门类,其中,变形菌门占比最大,达到99%以上;α多样性Chao1指数呈现显著的空间差异,并且旅游区>生活区>入淀区>原始区>养殖区;该时期好氧反硝化菌主要物种组成包括Aeromonas、Sulfuritortus、Cupriavidus、Pseudomonas和Thauera,Ferrimonas作为指示物种,差异贡献最大;冗余分析发现,可见光区类富里酸物质和微生物代谢产物组分分别是不同功能区好氧反硝化菌群落纲水平和属水平差异的主要原因.综上,通过对白洋淀好氧反硝化菌群与溶解性有机物的相关关系研究,不仅有助于进一步认识天然环境中氮循环微生物的特征;还可以为将来适于实际环境的高效菌筛选的碳源选择提供参考.

不同水文情景下白洋淀水体好氧反硝化菌群对水质因子的动态响应

为探究不同水文情景下白洋淀水体好氧反硝化菌群的演变规律和驱动机制,基于水质调查和高通量测序技术,进行了水体水质因子分析、好氧反硝化菌群α多样性分析、物种组成和网络分析.结果表明,白洋淀水体呈弱碱性,丰水期水体T最高,DO最低,冰封期T最低,DO最高.白洋淀水体在枯水期、丰水期、平水期和冰封期下NH_(4)^(+)-N、NO_(2)^(-)-N、NO_(3)^(-)-N、TN、高锰酸盐指数、Fe和Mn之间均存在显著差异(P<0.01),其中TP在不同水文情景下不存在显著差异(P>0.05).不同水文情景下水体中最大的细菌门类为Proteobacteria,相对丰度较高的属为Magnetospirillum、Aeromonas、Pseudomonas、Azospirillum和Bradyrhizobium.此外,好氧反硝化菌群的α多样性均存在显著差异(P<0.001),冰封期菌群丰富度最高,枯水期和冰封期菌群的多样性和均匀度最高.经RDA、Mantel分析,菌群的水质驱动因子在不同水文情景下有所差异,枯水期菌群的水质驱动因子为p H、NO_(3)^(-)-N、NO_(2)^(-)-N和高锰酸盐指数,丰水期菌群的驱动因子为p H、T、DO、NO_(2)^(-)-N和TP,平水期的驱动因子为NO_(2)^(-)-N、Fe和高锰酸盐指数,冰封期菌群的驱动因子为NO_(3)^(-)-N和NO_(2)^(-)-N.网络分析表明与水质驱动因子相关的物种存在时间差异,枯水期与水质驱动因子相关的属为Magnetospirillum、Aeromonas和Azoarcus,与丰水期相关的属为Magnetospirillum、Pseudomonas和Aeromonas,与平水期相关的属为Magnetospirillum、Pseudomonas和Limnohabitans,与冰封期相关的属为Magnetospirillum、Azoarcus和Pseudomonas.不同水文情景关键水质因子(主要是T、DO、NO_(3)^(-)-N和高锰酸盐指数)与好氧反硝化菌群之间的关联关系,随着时间演变也在逐渐发生变化.综上,通过对不同水文情景下白洋淀水体好氧反硝化菌群演变特征及环境因子驱动机制进行研究,可为认识天然环境中好氧反硝化菌群演变机制提供依据.

白洋淀夏季入淀区沉积物间隙水-上覆水水质特征及交换通量分析

为揭示白洋淀夏季入淀区上覆水-间隙水氮磷营养盐相互作用,本研究于2019年7月对白洋淀主要6条入淀河流取样,通过分析上覆水、间隙水水质特征以及营养盐在沉积物-水界面的扩散通量,评估了营养盐扩散对沉积物与上覆水的影响.结果表明白洋淀水质呈弱碱性;溶解氧(DO)含量较低,为沉积物内源污染物的释放提供了厌氧环境;氨氮(NH^(+)_(4)-N)浓度在0.35~1.76 mg·L^(-1),作为主要给水来源的潴龙河淀区最高;硝氮(NO^(-)_(3)-N)浓度在0.75~1.97 mg·L^(-1);溶解性总氮(TDN)浓度在0.99~2.70 mg·L^(-1),位于自然区的S2瀑河含量最高;溶解性总磷(TDP)浓度在0.03~0.15 mg·L^(-1),靠近居民区的白沟引河含量最高.间隙水氨氮浓度在5.24~10.64 mg·L^(-1),是上覆水体的10倍,内源污染严重;硝氮浓度在0.36~0.79mg·L^(-1);溶解性总氮浓度在5.36~12.02 mg·L^(-1),是上覆水体的5倍;溶解性总磷浓度在0.03~0.3 mg·L^(-1).应用综合污染指数法对水质进行评价发现间隙水污染程度远高于上覆水,各采样点呈现出严重污染状态.对NH+4-N、TDN和TDP进行交换通量分析显示,NH^(+)_(4)-N的扩散通量在1.71~7.43 mg·(m^(2)·d)^(-1),作为保定市纳污河流的府河采样点内源氨氮向上覆水扩散速率最快;TDN的扩散通量除白沟引河较低,其余5个采样点均值达到9.11 mg·(m^(2)·d)^(-1),夏季水体中溶解氧含量较低且沉积物-水界面TDN浓度差较大,导致沉积物中含氮营养盐在厌氧条件下大量释放到上覆水中,对水质造成严重污染;萍河采样点TDP的扩散通量是负值表示上覆水体的磷污染物向沉积物聚集的状态,剩余5个采样点的扩散通量范围在0.03~0.16mg·(m^(2)·d)^(-1),表现出磷营养盐向上覆水释放的状态.扩散通量显示内源污染物是上覆水污染物的重要来源,为有效治理入淀区水质,沉积物氮磷营养盐的清淤处理迫在眉睫.

白洋淀冬季沉积物好氧反硝化菌垂向分布特征及群落构建

为了探究白洋淀冬季沉积物好氧反硝化菌群落垂向分布特征、关键物种和群落构建过程,结合好氧反硝化功能基因(napA)高通量测序技术,进行了微生物多样性分析、物种差异分析、关键物种识别和群落构建过程研究.结果表明,该时期白洋淀沉积物高通量测序得到13845个OTUs,共分为10个门类,其中第一大门类为变形菌门,达到29.03%~94.46%,从表层到底层呈下降趋势;占比前二的纲为β-Proteobacteria和γ-Proteobacteria;占比前三的属为Cupriavidus、Aeromonas和Thauera.微生物α多样性显示垂向分组间表层沉积物Chao1指数最大为3327.67±621.28,明显高于底层(2193.96±455.57);中层沉积物Simpson指数最大为0.97±0.013,明显高于表层(0.94±0.029).主成分分析和Venn图显示表层和底层间差异性最显著,Adonis分析表明垂向间存在极其显著差异(P<0.001);随机森林分析和网络分析的关键物种有交叉相同的物种(Bordetella),但差异贡献程度最高的物种不同,分别为Ferrimonas和unassigned;中性群落模型(NCM)结果显示从表层到底层解释率逐渐增大,整个淀区解释率最大(R^(2)=0.655),表、中和底层的标准化随机率(NST)分别为0.29±0.31、0.56±0.35和0.88±0.21,呈现极其显著差异(P<0.001);NCM和NST结果表明由表层到底层随机性选择过程主导程度呈现加强趋势.综上,通过对该时期沉积物好氧反硝化菌群垂向分布特征和群落构建过程进行研究,可为低温好氧反硝化菌的筛选提供技术支持.

白洋淀典型淀区沉积物间隙水溶解性有机物的光谱时空演变特征

使用紫外-可见光谱(UV-vis)和三维荧光光谱-平行因子分析法(EEM-PARAFAC),分析了白洋淀2019年春季、夏季和秋季沉积物间隙水中溶解性有机物(DOM)的来源及分布特征.结果表明,白洋淀夏季沉积物间隙水DOM的相对浓度显著高于春秋季;E2/E3值显示夏季的间隙水DOM分子量要高于春秋季.使用EEM-PARAFAC从间隙水中提取了3种类蛋白组分(C1、C2、C3)和2种类腐殖质组分(C4、C5);类蛋白是DOM的主要构成组分,占比达到(63.56±16.07)%.DOM总荧光强度、各组分荧光强度及其相对丰度季节差异不显著,空间差异显著;养殖区的类蛋白物质占主体,自然区的类腐殖质物质占主体.沉积物间隙水的高BIX、FI、β∶α以及低HIX,表明沉积物间隙水DOM具有低腐殖化,强自生源特征.与此同时,环境因子与荧光组分的回归分析可以为管理者预测沉积物间隙水水质提供支持.

基于高通量绝对定量测序解析岗南水库微生物群落的时空分布特征及关键驱动因素

为了探究水源水库微生物群落时空演变特征及其环境驱动因子,采用高通量绝对定量测序技术,结合数据分析了相对定量和绝对定量对岗南水库微生物群落演变和驱动因子的影响.结果表明,基于绝对定量的微生物群落α-多样性呈现出明显的季节差异(p<0.05),基于相对定量的微生物群落α-多样性没有差异;绝对定量的微生物群落α-多样性高于相对定量,其中,电导率(21.1%)和高锰酸盐指数(29.1%)是影响微生物群落α-多样性的关键环境因素.指示物种OTU(Operational taxonomic unit)和关键物种OTU的季节差异显著(p<0.001).此外,韦恩图(Venn)分析显示,基于绝对定量的共有物种OTU数量高于基于相对定量的共有物种OUT数量.LEfSe(Linear discriminant analysis effect size)分析结果显示,基于绝对定量的指示物种数量高于基于相对定量的指示物种数量.OTU-OTU关联网络显示,基于绝对丰度的正向相关的边所占比例较高(91.9%),表明物种间呈现较强的共生关系;网络中OTU主要与温度、硝氮、pH、溶解性总磷和电导率等环境因子有关.关键物种分析得到168个关键物种OTU,主要隶属于Bacillariophyta、Chlorophyta、Cryptomonadaceae、Flavobacterium、Hyphomonas、Ilumatobacte、Rhodoluna、Rhizobacter和unclassied bacteria.此外,综合冗余分析(RDA分析)、网络分析、相关性分析及随机森林分析发现,温度、溶解氧、硝氮、高锰酸盐指数和氧化还原电位是影响微生物群落组成和功能最重要的环境驱动因素.综上可知,基于绝对定量和相对定量的微生物组成、功能群落演变及环境驱动因素存在显著差异,因此,在将来水库水体微生物介导下的水质演变分析中,应进一步考虑微生物定量技术带来的影响.

岗南水库沉积物溶解性有机物光谱时空分布特征及环境意义

为探究岗南水库沉积物溶解性有机物(DOM)的时空演变机制,本文使用紫外-可见光谱(UV-vis)和三维荧光光谱-区域积分法(EEM-FRI),分析了岗南水库沉积物DOM的来源及分布特征.结果表明:岗南水库夏季沉积物DOM的相对浓度显著高于春季、秋季以及冬季(p<0.05);E2/E3值显示岗南水库沉积物DOM分子量为夏季>春季>秋季>冬季;各采样点的紫外可见光谱特征指数存在显著的季节差异(p<0.001).荧光区域积分显示各组分存在显著的季节差异(p<0.001),采样点的空间差异不明显(p>0.05);易降解类物质占比大于腐殖质物质,并呈现出显著的季节差异(p<0.05),占比大小为春季>夏季>冬季>秋季.沉积物DOM具有高的荧光指数(FI指数均>2.0)以及低腐殖化指数(HIX指数大多数<4.0),表明岗南水库沉积物DOM呈现出低腐殖化、较强自生源的特征.荧光区域积分各组分与三维荧光光谱指数的相关性表明,易降解类物质(P1、P2、P4以及P1+P2+P4)与BIX、β:α、以及Fn280呈现显著正相关(p<0.05),与HIX以及Fn355呈现显著负相关(p<0.05);类腐殖质物质(P3、P5以及P3+P5)呈现出与之相反的变化趋势.聚类分析显示易降解类物质与腐殖质物质明显被分离为两部分.与此同时,综合冗余分析(RDA)、层次聚类分析(HP)、随机森林分析(RF)、集成回归树分析以及多元回归分析,发现氨氮、溶解性总氮、pH值以及温度是影响沉积物DOM荧光区域积分组分演变的关键环境因子.

岗南水库沉积物好氧反硝化菌群落时空分布特征

为研究岗南水库沉积物中好氧反硝化菌群的时空分布特征,运用好氧反硝化功能基因(napA)高通量测序技术,进行了α-多样性分析、微生物群落组成分析、微生物群落差异分析以及微生物网络分析.结果表明,α-多样性分析显示Chao1指数、Observed species指数和Shannon指数秋冬季均高于春夏季,即秋冬季采样点丰富度和多样性均较高.空间分布上,过渡区采样点的菌群的Chao1指数、Observed species指数、Shannon指数和Simpson指数均高于入库区和主库区采样点,即过渡区采样点菌群丰富度和多样性最高.岗南水库沉积物的好氧反硝化菌群主要属于变形菌门(Protebacteria),第一优势纲为β-Proteobacteria纲,第一优势属为陶厄氏菌属(Thauera).韦恩图分析(Venn)表明岗南水库沉积物各采样点好氧反硝化菌群分布均存在明显的时空差异.从空间水平基于LEfSe分析得到的差异物种比在季节水平的多.随机森林分析筛选得到标志物种中,Comamonas在所有空间分组采样点贡献程度最高,Pectobacterium在所有季节分组采样点贡献程度最高.网络分析表明存在9个主要模块包含297个节点565个边,关键物种分析得到47个关键物种OTUs.主坐标分析(principal co-ordinates analysis)显示关键物种的空间分布差异显著(Adonis,P<0.001).综上,通过对岗南水库沉积物好氧反硝化菌群组成结构及分布规律的研究,为后期高效好氧反硝化菌分离鉴定提供了科学依据.

输水情景下白洋淀好氧反硝化菌群落对溶解性有机物的响应

溶解性有机物(DOM)是影响微生物群落演变的重要因素,而生态输水是白洋淀的一个重要特征,为了探究输水情境下DOM对好氧反硝化菌的影响,本文结合水体DOM的组分解析和好氧反硝化高通量测序技术,进行了水体好氧反硝化菌对DOM的响应研究.结果显示,白洋淀水体DOM的相对浓度存在显著差异,河口区要低于内部区;DOM呈现出较强自生源特征,河口区具有更高的分子量和更强的腐殖化;平行因子法解析出3种类蛋白组分和1种类腐殖质组分,类蛋白组分占比达到35.64%~96.38%,与荧光区域积分得到类蛋白占主体的结果相一致.与此同时,该时期水体好氧反硝化菌主要属于变形菌门(Protebacterice),主要包括Cupriavidus、Aeromonas、Thauera、Shewanella和Pseudomonas,与随机森林筛选出的指示物种相一致;网络分析得到35个网络关键节点,主要隶属于Thauera、Cupriavidus以及Unclassifiedbacteria;冗余分析(RDA)显示类腐殖质物质是影响水体整体好氧反硝化菌群落组成的因子,类蛋白物质是影响指示物种群落和关键节点群落结构分布的重要因素.综上可知,水体溶解性有机物中类蛋白组分可以作为筛选适于生态输水期水体特征的耐低温高效好氧反硝化菌的碳源选择.

河北省夏季降雨溶解性有机物光谱特征的空间分布、来源解析及氮素响应

溶解性有机物(DOM)是大气环境有机物的重要组成部分,为了探究大气环境中DOM的演变特征,结合紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱对河北省夏季降雨雨水DOM的组分和光谱特征进行解析和研究.结果表明,该时期雨水DOM的分子量存在显著差异,北部地区要显著低于中部和南部地区(P<0.05);平行因子法解析出2种类腐殖质组分(C1和C4),1种类蛋白组分(C2)和1种富里酸组分(C3),组分C2与组分C3和C4呈现显著正相关(P<0.001),可能具有相似的来源;平行因子法中类蛋白组分(C2)占主体、其均值达到40.59%,与此同时各组分的荧光强度和相对丰度空间差异不显著(P>0.05)、城乡间差异显著(P<0.05);荧光区域积分得到的各组分呈现出空间差异不显著(P>0.05),城乡差异显著的特征(P<0.05);荧光区域积分得到的DOM类蛋白物质占主体(61.59%~89.01%),与平行因子法的结果相一致.与此同时,冗余分析(RDA)显示雨水中总氮、硝氮和氨氮是影响雨水DOM组成分布的主要水质参数;三维荧光光谱指数分布呈现出显著的城乡差异,高FI和BIX值以及低HIX显示夏季雨水呈现强自生源、低腐殖化的特征,并且乡村相比于城市自生源特征更强;基于雨水DOM组分的回归分析显示,城市地区的雨水水质参数预测精确度更高.综上可知,河北地区夏季雨水DOM空间差异不显著、城乡差异显著,整体呈现出较强自生源特征,还可以在一定程度上基于雨水DOM组分为雨水氮素预测提供技术支撑.

河北省典型景观水体反硝化菌群落时空分布特征及驱动因素:以石家庄为例

景观水体作为城市水系的重要组成部分,氮素超标是影响其生态功能的主要因素.为了探究城市景观水体反硝化菌群落特征和驱动因素,利用nirS功能基因研究石家庄市主城区4个公园的景观水体和沉积物的反硝化菌群落分布特征,结合水体和沉积物氮素指标对景观水体反硝化菌群落演变的驱动因子进行分析.结果表明,景观水体水质参数季节差异显著(P<0.001),沉积物氮素指标空间差异显著(P<0.001);水体以及沉积物的α多样性季节和空间差异都不显著(P>0.05),电导率(EC)和强氧化剂浸取态氨氮(SOEF-NH+4-N)是影响水体以及沉积物的α多样性的主要环境因素;景观水体反硝化菌主要为变形菌门(Protebacterice)中的Dechloromonas、Rhodocyclaceae、Pseudomonas、Rhodobacter和Thauera;主坐标分析(PCoA)表明水体和沉积物反硝化菌群组成空间差异显著(P<0.001),水体关键反硝化物种也呈现出显著的空间差异(P<0.001);冗余分析(RDA)和随机森林分析(RF)指出,高锰酸盐指数和总磷(TP)是影响水体反硝化菌群和关键物种组成的主要环境因子,SOEF-NH+4-N、离子交换态氨氮(IEF-NH+4-N)和弱酸浸取态硝氮(WAEF-NO-3-N)是影响沉积物反硝化菌群和关键物种组成的主要环境因子.综上可知,通过对景观水体和沉积物反硝化菌群落分布特征和驱动因素的分析,为进一步认识景观水体氮素和反硝化菌群的互作机制提供借鉴.