张家园水库沉积物细菌群落时空变异特征及其对环境因子（SRP、DO、pH、ALP、TOC）的响应机制与磷循环调控作用

本综述系统探讨了张家园水库沉积物细菌群落的时空动态及其对环境因子的响应机制。研究通过高通量测序揭示了以变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）为优势菌群的丰富多样性，并发现细菌群落结构呈现春夏季聚集、秋冬季离散的显著季节性分异（P < 0.05）。关键环境驱动因子包括上覆水溶解氧（DO）、可溶性活性磷（SRP）及沉积物pH、总磷（TP）、碱性磷酸酶（ALP）和总有机碳（TOC）。研究进一步证实细菌共现网络的平均聚类系数和模块化系数与SRP浓度呈显著正相关（P < 0.01），表明微生物网络结构在磷循环中扮演关键角色。该成果为西南亚深水型水库的富营养化治理与生态修复提供了重要的理论依据和实践指导。

　　

1 引言

水体富营养化是指氮、磷等营养物质过量输入导致水生生态系统从贫营养向富营养状态转变的过程。磷作为水生环境中的限制性营养元素，其形态迁移与转化对富营养化防控至关重要。沉积物作为湖泊和水库中微生物聚集的关键区域，其内源磷释放已成为外源污染控制后驱动富营养化的关键因素。张家园水库作为中国西南地区典型的亚深水型水库，近年来总磷超标导致水体富营养化及季节性藻华现象，亟需探究沉积物细菌群落对磷循环的调控机制。

2 材料与方法

2.1 采样点设置与样品采集

研究于2022–2023年春（4月）、夏（7月）、秋（11月）、冬（1月）在张家园水库设置5个采样点（L1–L5），涵盖进水区、库尾、库心、出口及坝前区域。采集表层沉积物（0–5 cm）及上覆水样品，沉积物样品部分用于理化分析，部分于-80°C保存用于DNA提取。

2.2 上覆水与沉积物理化因子分析方法

上覆水总磷（TP）、可溶性活性磷（SRP）等指标依据《水和废水监测分析方法》测定。沉积物pH采用玻璃电极法测定；碱性磷酸酶（ALP）活性通过测定对硝基苯磷酸盐（p-NPP）水解产物对硝基苯酚（PNP）的生成量计算；沉积物磷形态（TP、IP、OP、NaOH-P、HCl-P）采用欧标SMT法分级提取后通过钼锑抗分光光度法测定。

2.3 DNA提取、PCR扩增与高通量测序

使用FastDNA? Spin Kit for Soil试剂盒提取沉积物DNA，通过引物338F/806R扩增16S rRNA基因V3–V4区，建库后于Illumina MiSeq PE300平台进行高通量测序。

3 数据分析

3.1 数据处理

使用Qiime2软件中的DADA2插件进行质控和去噪，生成扩增子序列变体（ASVs）。为消除测序深度影响，将所有样品序列数统一抽平至20,000条。

3.2 序列处理与统计分析

基于Silva数据库进行物种分类注释，使用mothur计算Chao1、Shannon等α多样性指数；通过主坐标分析（PCOa）和典型对应分析（CCA）探究群落结构差异及与环境因子的关系；利用Gephi构建微生物共现网络，并通过Zi-Pi分析识别关键物种。

4 结果与分析

4.1 上覆水理化性质

上覆水水温变幅为9.97–28.35°C，夏季最高，冬季最低；溶解氧（DO）含量夏季最低（5.31 mg/L），冬季最高（10.42 mg/L）；总氮（TN）平均浓度为0.76 mg/L，显示一定氮污染；SRP与TP变化趋势一致，夏季最高，冬季最低，且从入库区至坝前呈逐渐升高趋势。

4.2 沉积物理化性质

沉积物pH范围为6.44–8.29，冬季最高，春夏季较低；总有机碳（TOC）平均含量为10.31 mg/g，坝前区域最高；TP含量为0.213–0.322 mg/g，秋冬季显著高于春夏季（P < 0.05）；有机磷（OP）夏季最高，无机磷（IP）秋冬季较高，NaOH-P含量在春夏季较高。

4.3 细菌多样性及丰度

测序共获得1,087,666条有效序列，鉴定出70,149个ASVs。α多样性指数（Ace、Chao、Shannon、Simpson）显示春夏季细菌多样性和丰度显著高于秋冬季（P < 0.05），表明温度升高促进微生物活动。

4.4 细菌群落分类组成与季节变化

4.4.1 门水平

共检测到63个细菌门，其中变形菌门（Proteobacteria，平均丰度33.11%）和放线菌门（Actinobacteriota，28.61%）为绝对优势门。拟杆菌门（Bacteroidota）、厚壁菌门（Firmicutes）等7个门类丰度存在显著季节性差异（P < 0.05），多呈现春夏季高、秋冬季低的趋势。

4.4.2 属水平

共检出1,716个属，其中相对丰度>1%的优势属包括hgcI_clade（15.43%）、CL500-29_marine_group（8.45%）、不动杆菌属（Acinetobacter，10.86%）等。Wilcoxon检验显示多数优势属丰度存在显著季节差异（P < 0.05），如hgcI_clade冬季丰度最高，而不动杆菌属从春季至冬季逐渐降低。

4.5 细菌群落结构与组成比较分析

PCoA分析显示春夏季样品集中分布于I、IV象限，秋冬季样品分布于II、III象限，形成明显季节簇群（R=0.6223, P=0.001），表明季节更替是驱动群落结构变异的主导因素。

4.6 细菌群落与环境理化因子的相关性

CCA分析表明细菌群落分布与上覆水DO、SRP及沉积物pH、TP、ALP、TOC等因子显著相关，前两轴累计解释41.12%的变异。Pearson相关分析显示多数优势菌属与SRP、pH、ALP等显著相关（P < 0.01或P < 0.05）。

线性回归分析揭示norank_f__Anaerolineaceae和Dechloromonas相对丰度与SRP呈极显著正相关（P < 0.01），而hgcI_clade与SRP呈极显著负相关（P < 0.01），表明这些菌属在沉积物-水界面磷交换中扮演关键角色。

4.7 微生物共现网络

共现网络分析识别出3个模块中心（module hubs）和19个连接者（connectors），网络平均聚类系数（0.539–0.643）和模块化系数（0.457–0.624）均处于较高水平。线性回归显示这两个拓扑参数与上覆水SRP浓度呈极显著正相关（P < 0.01），表明磷胁迫环境促进了微生物种间互作的紧密性和网络稳定性。

5 讨论

5.1 细菌组成与多样性

张家园水库沉积物以Proteobacteria和Actinobacteriota为优势菌门，与武汉东湖、青藏高原湖泊等研究结论一致，表明这两类菌门是淡水生态系统沉积物的核心菌群。属水平上hgcI_clade的高丰度与法国温带淡水湖、大连碧流河水库等研究相符，暗示其全球性生态功能。春夏季较高的细菌多样性可能与水温升高促进微生物代谢及水库季节性温跃层不稳定造成的生境异质性增强有关。

5.2 环境因子的响应机制

细菌群落结构与pH、DO、TOC、磷形态等环境因子显著相关，与洞庭湖、鄱阳湖等研究结论类似，但驱动因子组合存在生态系统特异性。SRP作为关键磷源指标，通过调控微生境磷有效性驱动群落季节演替：春夏季磷限制条件下促发“同质化选择”效应，功能菌群趋同；秋冬季磷分布异质性引发“适应性分化”，导致群落离散分布。

5.3 细菌在磷循环中的作用

磷 solubilizing 微生物通过产有机酸、质子交换、螯合作用及分泌碱性磷酸酶（ALP）等机制参与沉积物磷形态转化。本研究发现的SRP相关菌属（norank_f__Anaerolineaceae、Dechloromonas、hgcI_clade）可能分别扮演“释磷者”与“固磷者”功能，通过代谢互作调控沉积物-水界面磷通量。微生物共现网络的高聚类性和模块化结构进一步证实了磷胁迫环境下微生物通过增强种间互作以提升网络稳定性的适应性策略。

6 结论

本研究系统揭示了张家园水库沉积物细菌群落具有极高的多样性（63门1,485属），群落结构呈现显著的季节分异，春夏季多样性高于秋冬季。上覆水SRP、DO及沉积物pH、磷形态、ALP、TOC是驱动群落变化的关键环境因子。优势菌属与SRP显著相关，微生物共现网络参数与SRP浓度显著正相关，表明细菌群落通过构建紧密互作网络调控水库磷循环过程。该研究为西南亚深水型水库富营养化治理提供了重要的微生物学依据。