张玮玮.丹江口水库不同深度浮游细菌组成、功能及其驱动因素研究[D].南阳:南阳师范学院,2023. 

导  师: 陈兆进和辛小康

导师组成员: 陈兆进,李玉英,辛小康,李百炼,刘宪亮,Nicola Fohrer

摘  要: 浮游细菌是水生生态系统的重要组成部分，对物质循环和能量流动起着关键作用。为全面探究丹江口水库不同季节分层型水体中浮游细菌群落组成、基因功能及其与理化指标之间的相关性分析，本研究对2021年10月、2022年3月及2022年7月丹库中5个典型的生态点位45个样品，采用宏基因组学技术探究浮游细菌群落组成、基因预测、功能分析以及代谢通路等信息，进一步探究丹江口水库由水深变化引起的理化性质垂向差异导致的浮游细菌群落组成及功能的垂直分布特征。主要结论如下：

1．丹江口水库三次水质监测表明水库水温（WT）随季节变化明显，夏季水温最高，春季比秋季水温低。2022年3月和7月水体温度均表现出明显的热分层现象。水体酸碱度（pH）整体稳定，保持偏碱性水质。溶解氧（DO）层化现象明显，表层水体中含量最高，整体呈现出随着水深的增加逐渐降低的趋势。氧化还原电位（ORP）与电导率（Cond）受到季节与采样位点的影响，2022年3月ORP值与Cond值呈现出随着水深的增加逐渐增加的趋势。库区水体除总氮外，各生态点位不同分层水体各项水质指标基本达到Ⅰ或Ⅱ类水标准要求，库区水质整体较好。

2．变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）是三次采样的优势类群，其他优势类群在不同季节发生变化。三次测序结果比较发现夏季物种多样性明显高于春秋季，且在不同季节分层型水体中浮游细菌分布情况表现出一定的规律性。醋杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、浮霉菌门（Planctomycetes）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）随着水体深度增加占比逐渐增加。蓝细菌门（Cyanobacteria）随着水体深度增加占比逐渐降低，在底层水体中丰度占比最低。冗余分析发现2021年10月蓄水水位达到170m水体在垂直方向环流剧烈无显著影响因素，2022年3月WT、叶绿素a（Chl a）、DO、ORP以及2022年7月硝态氮（NO₃ˉ-N）是影响丹江口水库不同分层水体浮游细菌群落结构变化的重要理化指标（P<0.05）。不同采样时间及不同水深变化导致理化指标的改变是丹江口水库不同季节分层型水体群落组成差异的重要影响因素，形成了各水体样本不同群落组成特征以及不同的优势物种。

3．COG功能注释显示丹江口水库不同季节分层型水体中均存在新陈代谢、未知功能、细胞过程和信号传导及信息贮存和处理四大类功能，2021年10月与2022年3月四大类功能占比接近，2022年7月未知功能占比显著下降，其余三大功能占比均显著提高。三次采样分别注释到20个、23个和25个功能组，表现出功能基因的多样性与丰富性，前两次功能未知（Function unknown. 简称S，下同）占比最高，2022年7月氨基酸转运代谢（Amino acid transport and metabolism. E）占比最高。三次采样不同分层水体中均存在显著差异的是次级代谢物生物合成、转运和代谢（Secondary metabolites biosynthesis, transport and catabolism. Q）。氨基酸转运代谢，细胞壁/膜/被膜的生物合成（Cell wall/membrane/envelope biogenesis. M），碳水化合物转运代谢（Carbohydrate transport and metabolism. G），脂肪转运代谢（Lipid transport and metabolism. I），翻译后修饰、蛋白质折叠和伴侣蛋白（Posttranslational modification, protein turnover, chaperones. O），翻译、核糖体结构和生物合成（Translation, ribosomal structure and biogenesis. J）呈现出夏季明显高于春秋季的趋势；复制、重组和修复（Replication, recombination and repair. L）呈现出夏季明显低于春秋季的趋势。不同季节分层水体中物种与COG功能贡献度结果显示，不同种群在不同季节表、中及底层水体中贡献度占比各不相同，结果反映出在不同时期不同水深丹江口水库浮游细菌功能基因存在明显变化。2021年10月蓄水水位达到170m水体在垂直方向环流剧烈无显著影响因素，2022年3月总溶解性固体物质（TDS）、高锰酸盐指数（COD_Mn）和Cond， 7月WT和NO₃ˉ-N是影响不同分层型水体浮游细菌COG功能变化的显著因素（P<0.05）。不同季节分层型水体中COG功能有所差异，既与各季节理化性质变化有关又与三次采样浮游细菌优势类群结构发生变化有关。

4．KEGG功能注释表明丹江口水库不同季节分层型水体样本中pathway level 1均获得6条代谢通路，pathway level 2均获得46条代谢途径，pathway level 3在2021年10月、2022年3月和7月发现代谢途径为426条、420条、426条，各季节表中底层水体中共有的分别为415条、417条、419条。共有的代谢途径表现出不同季节分层型水体其代谢途径的多样性与丰富性，特有的代谢途径表现出其代谢途径的特异性。总体呈现出随着季节的变更，新陈代谢中三级代谢途径数量降低、遗传信息处理中三级代谢途径数量逐渐增多的趋势。冗余分析发现2021年10月蓄水水位达到170m水体在垂直方向环流剧烈，削弱了环境因子对不同分层水体KEGG功能变化的影响，无显著影响因素；2022年3月DO和COD_Mn及2022年7月NO₃^--N是影响丹江口水库水体浮游细菌KEGG功能变化的重要指标。丹江口水库不同季节分层型水体中浮游细菌参与KEGG功能最大贡献度的物种存在差异，且不同代谢途径中的基因与酶存在差异，既与各季节理化性质变化有关又与三次采样浮游细菌优势类群结构发生变化有关。

5．宏基因组学分析表明丹江口水库浮游细菌参与生物固氮、硝化作用、反硝化作用、异化硝酸盐还原作用等氮循环过程，涉及gltB、glnA、gltD、gdhA、NRT、ureC等39个氮循环功能基因。参与有机磷矿化、无机磷溶解、调节、多聚磷酸盐合成等磷循环过程，涉及pstS、ppx-gppA、glpQ、ppk1、ppnK等54个氮循环功能基因。垂直分布是影响氮、磷循环功能基因组成和丰度的主要因素，表层和底层氮磷循环功能基因组成有所差异，整体丰度高于中层样品。丹江口水库水深变化引起的理化性质（WT、ORP、DO、Chla等）垂向差异导致浮游细菌功能呈明显的垂直分布特征。

关键词：丹江口水库；浮游细菌；宏基因组；分层型水体；氮磷循环