城市汾河中附生微生物群落的多样性模式及其群落组成在季节变化下的变化

《Journal of Engineering and Technology Management》：Diversity patterns and community assembly of the microbial community of periphyton in an urban Fenhe River under seasonal changes

城市河流浮游生物微生物群落的季节多样性及驱动机制研究，基于高通量测序分析汾河太原段四季群落结构变化，发现原核生物以变形菌门为主、真核生物以轮虫为优势类群，二者多样性均呈春至秋递减趋势。共现网络分析揭示春季群落网络复杂度高、稳定性强，秋季确定性过程主导。环境因子中温度和硝酸盐氮对群落结构影响显著，随机过程在春夏季主导群落组装，而秋冬季确定性过程作用增强。研究结果为城市河流微生物生态保护提供了理论依据。

　　微生物群落是城市河流生物地球化学循环的重要参与者。然而，关于季节性变化对附着微生物群落（periphyton）多样性及其组装机制的影响，目前研究仍然有限。本研究采用高通量测序技术，对太原市汾河城区段的附着微生物群落（包括原核生物和真核生物）的多样性动态及组装机制进行了系统分析。研究结果表明，原核生物群落主要由变形菌门（Proteobacteria）构成，而真核生物群落则以轮虫门（Rotifera）为主，并且其比例在不同季节中表现出显著的变化。无论是原核生物还是真核生物，其多样性在春季到秋季之间呈现出下降趋势。共现网络分析进一步揭示了春季微生物群落表现出更紧密的网络连接和更高的复杂性，这表明附着微生物之间存在更为频繁的相互作用，以适应季节性的环境变化。随机过程在春季和夏季对原核生物和真核生物群落的组装具有显著影响，而在秋季则确定性过程占据主导地位。无论是优势种还是稀有种，其分布都主要受到随机过程的影响。不同季节下附着微生物群落的结构和组装变化，主要受到温度和硝酸盐氮的影响。总体而言，本研究阐明了季节性变化对附着微生物群落多样性及组装机制的影响，从而深化了我们对城市河流生态系统的理解，特别是在微生物生态学的视角下。

城市河流在生态系统中具有重要作用，同时具备显著的社会和经济价值。然而，随着城市化进程的加快，尤其是人类活动带来的影响，城市水体面临着更加严重的生态和环境问题。微生物群落是水生生态系统中生物地球化学过程的关键组成部分，因此，近年来对城市河流中的微生物群落展开了广泛研究。不过，大多数研究集中在浮游微生物群落，而对附着微生物群落的关注相对较少。这主要是由于附着微生物群落的采样较为困难，导致相关研究的不足。特别是在太原市汾河城区段，附着微生物群落的多样性及其季节性变化尚未得到系统研究。

附着微生物群落主要包括原核生物（如细菌和古菌）和真核生物（如真菌、藻类、原生动物和微型底栖生物），它们在水生环境中的物质循环中发挥着重要作用。原核生物通常比真核生物更具环境适应性，能够在更广泛的环境条件下生存。此外，微生物群落由多种类群组成，包括中间种、稀有种和优势种，这些类群共同构成了微生物生态系统的整体结构。优势种对于碳和营养物质的循环至关重要，且具有更强的环境适应能力，而稀有种则在维持群落生物多样性方面发挥关键作用。尽管已有大量关于河流微生物的研究，但对城市河流中附着微生物群落的优势种和稀有种的多样性模式仍知之甚少。同时，附着微生物群落（包括原核和真核生物）的结构在城市河流生态系统中的变化机制尚未完全明确。

为了维持微生物生态系统的多样性，有必要深入理解确定性和随机性过程在其中的作用。确定性过程主要由环境筛选和生物相互作用构成，而随机性过程则包括随机出生、死亡以及有限的扩散等因素。虽然已有研究认识到微生物群落受季节变化的影响，但具体到附着微生物群落如何在复杂的城市河流环境中进行相互作用和组装，仍缺乏系统的认识。此外，对于原核生物和真核生物群落在季节性变化中的演替机制存在差异，目前研究尚不充分。原核生物和真核生物之间存在多种生物学差异，这些差异可能影响它们对季节性变化的响应。例如，已有研究表明，微真核生物的周转率高于细菌，其群落更依赖于漂流和扩散。

微生物群落不仅受到环境因素的影响，还受到群落内部相互作用的调节。为了研究微生物群落之间的相互作用，共现网络分析构建了基于相关性的网络模型，该模型由边和节点组成。网络的拓扑特征反映了其复杂性和稳定性，包括节点度、平均度、图密度以及平均聚类系数等。然而，关于附着微生物群落在淡水环境中如何响应城市河流中的季节性变化，目前仍缺乏深入的理解。

本研究通过高通量测序技术，对太原市汾河城区段的附着微生物群落（包括原核和真核生物）的多样性及其组装机制进行了系统分析。太原市汾河城区段在城市水资源供给和城市污水治理方面具有重要作用。此前，尚未有研究系统探讨汾河附着微生物群落的季节性变化。本研究首次对汾河城区段不同地点和不同季节的附着微生物群落结构和多样性进行了分析。我们假设季节性变化可能显著改变城市河流中附着微生物群落的多样性及其组成。为此，我们主要探讨了以下三个问题：（1）附着微生物群落的多样性及其组成随季节的变化情况；（2）附着微生物群落内部物种共存的动态变化及其组装机制；（3）影响附着微生物多样性及其群落变化的环境因素。本研究旨在揭示附着微生物群落如何响应城市河流生态系统中的季节性变化，并为从附着微生物生态学角度保护城市河流提供科学依据。

研究区域位于太原市，汾河从北向南流经该市，全长约43公里。该区域属于半湿润大陆性季风气候，年平均降水量为456毫米。四季在该流域中表现明显，冬季降水量较少，而夏季降水量较大。秋季的降水量超过春季，约占全年降水量的70%。这样的气候特征对附着微生物群落的分布和变化产生了重要影响。冬季的低温和低降水可能限制了微生物的生长和繁殖，而夏季的高温和丰富降水量则为微生物提供了适宜的生存环境。秋季的温暖和充足的降水可能促进了微生物的活跃度，但同时也会引发水体中某些环境因素的波动，从而影响微生物群落的稳定性。

为了全面分析附着微生物群落的结构和多样性，我们选择了汾河城区段的多个采样点，并在不同季节进行了采样。这些采样点覆盖了不同的水文和生态条件，以确保研究结果的代表性。在采样过程中，我们特别关注了水体的物理和化学参数，包括温度、溶解氧、硝酸盐氮、总磷、pH值等。这些参数在不同季节之间表现出显著的变化，且对微生物群落的组成和多样性具有重要影响。例如，春季水温较低，但溶解氧含量较高，这可能为某些微生物的生长提供了有利条件。夏季水温升高，溶解氧含量波动较大，同时硝酸盐氮和总磷含量也显著增加，这可能促进了微生物的多样性。秋季的水温适中，溶解氧含量下降，而硝酸盐氮和总磷含量则有所波动，这可能影响微生物群落的结构和组成。冬季的水温最低，溶解氧含量也最低，这可能限制了微生物的活性。

通过对这些环境参数的分析，我们发现温度和硝酸盐氮是影响附着微生物群落结构和多样性变化的主要因素。温度的变化直接影响微生物的代谢速率和繁殖能力，而硝酸盐氮的浓度则影响微生物的营养获取和群落组成。在春季，随着温度的升高，微生物的活性增强，从而促进了多样性。然而，由于温度和硝酸盐氮的波动，春季的微生物群落表现出较高的复杂性。在夏季，温度和硝酸盐氮的升高可能促进了微生物的繁殖，但同时也导致了微生物群落的结构变化。在秋季，温度的下降和硝酸盐氮的波动可能影响了微生物的多样性，导致其呈现下降趋势。冬季的低温和低硝酸盐氮含量可能限制了微生物的生长，导致其多样性进一步降低。

在分析附着微生物群落的结构和多样性变化时，我们发现变形菌门（Proteobacteria）在原核生物群落中占据主导地位，而轮虫门（Rotifera）则在真核生物群落中占据主导地位。这种优势门类的分布模式在不同季节中表现出显著的变化。例如，春季的水温较低，可能为变形菌门的生长提供了适宜的条件，而夏季的高温和丰富营养可能促进了轮虫门的繁殖。秋季的水温适中，可能维持了变形菌门和轮虫门的平衡，而冬季的低温则可能抑制了两者的生长，导致其比例发生变化。这种门类的季节性变化可能反映了微生物对环境条件的适应能力。

此外，我们发现附着微生物群落的多样性在春季到秋季之间呈现出下降趋势。这种趋势可能与环境条件的变化有关，例如温度的升高、溶解氧的波动以及硝酸盐氮的增加。这些环境因素的变化可能影响微生物的生长速率和繁殖能力，从而改变其多样性。在春季，微生物群落表现出较高的复杂性和稳定性，这可能与环境条件的适宜性有关。而在秋季，由于环境条件的波动，微生物群落的复杂性和稳定性可能下降。这种变化模式可能反映了微生物群落对环境变化的响应机制。

共现网络分析进一步揭示了附着微生物群落的相互作用模式。在春季，微生物群落表现出更紧密的网络连接和更高的复杂性，这表明微生物之间存在更为频繁的相互作用，以适应季节性的环境变化。而在秋季，微生物群落的网络连接可能变得更加松散，这可能反映了微生物之间的相互作用减少。这种变化模式可能与环境条件的变化有关，例如温度和硝酸盐氮的波动。在夏季，由于环境条件的适宜性，微生物群落的网络连接可能保持较高水平，而在冬季，由于环境条件的限制，微生物群落的网络连接可能减弱。

在分析微生物群落的组装机制时，我们发现随机过程在春季和夏季对原核生物和真核生物群落的组装具有显著影响，而在秋季则确定性过程占据主导地位。这种变化可能与环境条件的稳定性有关。例如，春季和夏季的环境条件较为适宜，微生物的生长和繁殖受到随机因素的影响较大，而在冬季和秋季，由于环境条件的波动，确定性因素的作用更为明显。此外，无论是优势种还是稀有种，其分布都主要受到随机过程的影响。这种影响可能与微生物的扩散能力和环境适应性有关。例如，优势种可能在环境条件适宜时更容易扩散和繁殖，而稀有种可能在环境条件变化时受到更大的随机影响。

在进一步探讨微生物群落的多样性时，我们发现附着微生物群落的结构和组成在不同季节中表现出显著的变化。这些变化可能与环境条件的变化有关，例如温度、溶解氧、硝酸盐氮等参数的波动。此外，附着微生物群落的多样性可能受到微生物之间相互作用的影响。例如，某些微生物可能在特定的环境条件下形成稳定的相互作用网络，从而影响整个群落的多样性。而另一些微生物可能在环境条件变化时表现出较高的适应性，从而维持多样性。

通过对附着微生物群落的分析，我们发现其多样性在春季到秋季之间呈现出下降趋势。这种趋势可能与环境条件的变化有关，例如温度的升高、溶解氧的波动以及硝酸盐氮的增加。这些环境因素的变化可能影响微生物的生长速率和繁殖能力，从而改变其多样性。在春季，微生物群落表现出较高的复杂性和稳定性，这可能与环境条件的适宜性有关。而在秋季，由于环境条件的波动，微生物群落的复杂性和稳定性可能下降。这种变化模式可能反映了微生物群落对环境变化的响应机制。

此外，我们发现附着微生物群落的结构在不同季节中表现出显著的变化。这些变化可能与环境条件的变化有关，例如温度、溶解氧、硝酸盐氮等参数的波动。在春季，由于环境条件的适宜性，微生物的结构可能更加复杂，而在秋季，由于环境条件的波动，微生物的结构可能变得更加简单。这种变化模式可能反映了微生物对环境变化的适应能力。在冬季，由于环境条件的限制，微生物的结构可能进一步简化，而在夏季，由于环境条件的适宜性，微生物的结构可能更加复杂。

通过对附着微生物群落的分析，我们发现其多样性在不同季节中表现出显著的变化。这种变化可能与环境条件的变化有关，例如温度、溶解氧、硝酸盐氮等参数的波动。在春季，由于环境条件的适宜性，微生物的多样性可能较高，而在秋季，由于环境条件的波动，微生物的多样性可能下降。这种变化模式可能反映了微生物对环境变化的响应机制。在冬季，由于环境条件的限制，微生物的多样性可能进一步降低，而在夏季，由于环境条件的适宜性，微生物的多样性可能较高。

本研究还探讨了附着微生物群落的组成变化。我们发现，变形菌门（Proteobacteria）在原核生物群落中占据主导地位，而轮虫门（Rotifera）则在真核生物群落中占据主导地位。这种优势门类的分布模式在不同季节中表现出显著的变化。例如，春季的水温较低，可能为变形菌门的生长提供了适宜的条件，而夏季的高温和丰富营养可能促进了轮虫门的繁殖。秋季的水温适中，可能维持了变形菌门和轮虫门的平衡，而冬季的低温则可能抑制了两者的生长，导致其比例发生变化。这种门类的季节性变化可能反映了微生物对环境条件的适应能力。

在分析附着微生物群落的结构变化时，我们发现其复杂性和稳定性在不同季节中表现出显著的变化。在春季，由于环境条件的适宜性，微生物群落的复杂性和稳定性可能较高，而秋季的环境条件波动可能导致复杂性和稳定性下降。冬季的环境条件限制可能进一步降低复杂性和稳定性，而夏季的环境条件适宜可能维持较高的复杂性和稳定性。这种变化模式可能反映了微生物群落对环境变化的响应机制。

此外，我们发现在附着微生物群落中，无论是优势种还是稀有种，其分布都主要受到随机性的影响。这种随机性可能与微生物的扩散能力和环境适应性有关。例如，优势种可能在环境条件适宜时更容易扩散和繁殖，而稀有种可能在环境条件变化时受到更大的随机影响。这种影响可能与微生物的生态位和生存策略有关。

在探讨附着微生物群落的多样性时，我们发现其多样性在不同季节中表现出显著的变化。这种变化可能与环境条件的变化有关，例如温度、溶解氧、硝酸盐氮等参数的波动。在春季，由于环境条件的适宜性，微生物的多样性可能较高，而在秋季，由于环境条件的波动，微生物的多样性可能下降。这种变化模式可能反映了微生物对环境变化的响应机制。

本研究的发现不仅有助于理解附着微生物群落的多样性及其组装机制，还为城市河流生态系统的保护提供了科学依据。通过揭示附着微生物群落如何响应季节性变化，我们可以更好地理解城市河流生态系统的动态变化，并为制定有效的生态管理措施提供支持。此外，本研究还为未来的研究提供了方向，例如进一步探讨附着微生物群落的演替机制，以及如何通过生态管理措施改善微生物群落的结构和多样性。

总之，本研究通过高通量测序技术，对太原市汾河城区段的附着微生物群落（包括原核和真核生物）的多样性及其组装机制进行了系统分析。研究结果表明，附着微生物群落的结构和多样性在不同季节中表现出显著的变化，这些变化主要受到温度和硝酸盐氮的影响。此外，附着微生物群落的相互作用模式在不同季节中也表现出显著的变化，这可能反映了微生物对环境变化的适应能力。随机性过程在春季和夏季对附着微生物群落的组装具有显著影响，而在秋季则确定性过程占据主导地位。无论是优势种还是稀有种，其分布都主要受到随机性的影响。这些发现不仅加深了我们对城市河流生态系统中附着微生物群落的理解，还为未来的生态管理和保护提供了科学依据。