編譯：小仙女，編輯：小菌菌、江舜堯。

環(huán)境梯度對(duì)群落構(gòu)建過(guò)程有很大影響。為了揭示堿性尾礦廢水對(duì)細(xì)菌和反硝化細(xì)菌群落組成和多樣性的影響，作者在中條山十八河銅尾礦廢水形成的生態(tài)梯度下分析了細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度和反硝化功能基因（nirS，nirK和nosZI）豐度的變化，以及不同生境中細(xì)菌和反硝化細(xì)菌群落組成的差異及其與環(huán)境變化的關(guān)系。

結(jié)果表明，細(xì)菌群落的豐富度和多樣性沿水流方向逐漸增加，這種變化與電導(dǎo)率（EC），硝態(tài)氮（NO3-），亞硝態(tài)氮（NO2-），總碳（TC），無(wú)機(jī)碳（IC）和硫酸鹽（SO42-）含量顯著相關(guān)，但不受空間距離變化的影響。從綱到屬優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度的變化都與NO3-和NO2-相關(guān)。優(yōu)勢(shì)類群紅桿菌屬（Rhodobacter）, 不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）和嗜氫菌屬（Hydrogenophaga）均是典型的反硝化細(xì)菌。這些優(yōu)勢(shì)反硝化菌相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)與反硝化功能基因（nirS，nirK和nosZI）的拷貝數(shù)一致，表明這些細(xì)菌在氮還原過(guò)程中的重要性。nirK和nosZI的豐度以及nirS和nirK的相對(duì)豐度與NO3-，NO2-和IC密切相關(guān)，三個(gè)反硝化功能基因（nirS，nirK和nosZI）的拷貝數(shù)與重金屬鉛和鋅負(fù)相關(guān)，表明，重金屬污染也是影響反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素。該研究確定了在堿性尾礦廢水中細(xì)菌群落沿理化梯度的分布模式，并揭示了影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。NO3-，NO2-，IC和重金屬對(duì)細(xì)菌群落的影響主要體現(xiàn)在對(duì)參與碳，氮和金屬代謝功能類群的影響上。

論文ID原名：Ecological patterns and adaptability of bacterial communities in alkaline copper mine drainage譯名：堿性銅尾礦廢水中細(xì)菌群落的生態(tài)模式和適應(yīng)性期刊：Water ResearchIF：9.13發(fā)表時(shí)間：2018.01通訊作者：柴寶峰通訊作者單位：山西大學(xué)黃土高原研究所

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在中條山十八河銅尾礦庫(kù)沿廢水流動(dòng)的方向從上游到下游設(shè)置了3個(gè)采樣點(diǎn)（STW1、STW2、STW3）采集庫(kù)內(nèi)水，同時(shí)在上游和下游尾礦壩外各設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)（SDSW和SUSW）采集滲流水（圖 1）。利用自動(dòng)水樣采集器（W2BC-9600）收集水樣，取樣深度距表層1 m。每個(gè)樣品取水2 L，每個(gè)采樣點(diǎn)取3個(gè)重復(fù)，樣品采集于2016年9月。水樣在原地通過(guò)0.2 μm的微孔濾膜（Millipore, 津騰, 天津）過(guò)濾1.5 L用于收集水體微生物，后將濾膜置于便攜式液氮罐中，剩余的0.5 L帶回實(shí)驗(yàn)室用于理化參數(shù)的分析，在一個(gè)月內(nèi)完成測(cè)試。提取微生物的DNA后，擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA的V3-V4高變區(qū)，后在Illumina MiSeq平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序；同時(shí)通過(guò)熒光定量擴(kuò)增了細(xì)菌的16S rDNA V3區(qū)和3個(gè)反硝化功能基因（nirS，nirK 和nosZI）獲得每個(gè)采樣點(diǎn)細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的豐度。水體pH、溶解氧（DO）、電導(dǎo)率（EC）、硝態(tài)氮（NO3-）和銨態(tài)氮（NH4+）含量通過(guò)便攜式水質(zhì)檢測(cè)儀（Aquread AP-2000, UK）原位測(cè)定；總碳（TC）、總有機(jī)碳（TOC）和無(wú)機(jī)碳（IC）含量用TOC分析儀（Shimadzu, TOC-VCPH, Japan）測(cè)定；亞硝態(tài)氮（NO2-）和硫酸鹽（SO42-）含量用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（DeChem-Tech, CleverChem380, Germany）測(cè)定；所有重金屬含量（As、Cd、Cu、Pb、Zn）用ICP-AES （iCAP 6000, hermo Fisher, UK）測(cè)定。用SPSS分析水體理化參數(shù)、細(xì)菌和反硝化功能基因的拷貝數(shù)以及反硝化功能基因拷貝數(shù)與細(xì)菌拷貝數(shù)的比例在不同采樣點(diǎn)的差異。用R和Canoco分析了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化及其影響因素。

圖1 十八河尾礦庫(kù)采樣點(diǎn)的位置，箭頭表示尾礦水的流動(dòng)方向。

結(jié)果

1 尾礦廢水中的理化性質(zhì)

采樣位置沿水流方向設(shè)置從而形成了一定的污染梯度。pH、NO3-和NO2-含量在STW1中最大，且顯著高于STW3、SDSW和SUSW（表1）。pH、EC、NO3-、NO2- 和SO42-沿著水流方向形成明顯的梯度STW1>STW2>STW3，由于尾礦壩是用尾礦砂堆積而成，因此尾礦壩體就像一個(gè)過(guò)濾柱，尾礦水在滲流的過(guò)程中水中含有的部分重金屬和其它污染物被過(guò)濾掉，因此2個(gè)滲流水SUSW和SDSW中pH、EC、NO3-、NO2-和SO42-的含量低于庫(kù)內(nèi)水（STW）。DO、TC、TOC和IC在STW3最大，表現(xiàn)為沿水流方向增加的趨勢(shì)（STW1<stw2<stw3），且ec、so42-、nh4+、tc和toc含量與滲流水顯著不同。5個(gè)重金屬只有cd和zn沿水流方向逐漸增加，但是在不同采樣點(diǎn)的差異不顯著（表1）。< p="">

2 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與分類鑒定

根據(jù)97%的相似性5個(gè)樣地的OTU個(gè)數(shù)分別是：370、687、905、685和1010（表2）。5個(gè)樣地的Shannon指數(shù)分別是：3.16、5.79、5.65、5.39和 6.37，表明相對(duì)于STW1來(lái)說(shuō)在SUVW, STW2, STW3和SDVW中細(xì)菌的多樣性較大；OTUs、ACE、Chao1和Simpson指數(shù)也是STW1最小，細(xì)菌群落的豐富度表現(xiàn)為沿水流方向逐漸增加的趨勢(shì)（表2）。

表2 采樣點(diǎn)細(xì)菌群落的豐富度和多樣性估計(jì)

基于Bray-Curtis距離的PCoA排序結(jié)果表明不同采樣點(diǎn)的群落結(jié)構(gòu)存在差異，5個(gè)采樣點(diǎn)可以分為3組：STW1、STW2和SUSW以及STW3和SDSW（圖2）。細(xì)菌群落的空間分布格局與水體理化參數(shù)具有一致性，均表現(xiàn)為沿水流方向變化的趨勢(shì)。

圖2 基于Bray-Curtis距離的細(xì)菌群落相似性的主坐標(biāo)分析

所有樣品中OTU序列分別隸屬于26個(gè)不同的門（圖3）。優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門（相對(duì)豐度>1%）包括變形菌門（Proteobacteria）（相對(duì)豐度41.20-89.49%），放線菌門（Actinobacteria）（0.41-24.44%），[Thermi]（2.30-22.81%），厚壁菌門（Firmicutes）（3.79-13.99%），擬桿菌門（Bacteroidetes）（2.50-7.72%），藍(lán)藻（Cyanobacteria）（0.11-4.70%），綠彎菌門（Chloroflexi）（0.004-1.51%），疣微菌門（Verrucomicrobia）（0.01-2.19%）和OD1（0.007-1.30%），其中7個(gè)優(yōu)勢(shì)門的相對(duì)豐度與環(huán)境參數(shù)顯著相關(guān)（表3.4）。α-變形菌綱（21.44-76.15%），β-變形菌綱（2.49-12.31%）和γ-變形菌綱（1.03-38.81%）在5個(gè)樣地中均存在，但是δ-變形菌綱（0.005-0.35%）只在4個(gè)樣地存在，在STW1樣地沒(méi)有，表明5個(gè)樣地中細(xì)菌群落的組成存在差異。

圖3 不同采樣點(diǎn)細(xì)菌群落在門水平的組成

未鑒定到屬的序列占到31.80-66.70%，樣地STW1中優(yōu)勢(shì)屬是unidentified- Rhodobacteraceae，其相對(duì)豐度沿著水流方向逐漸降低。在STW2和SUSW中相對(duì)豐度最大的屬是異常球菌屬（Deinococcus），在STW3中是不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter），在SDSW中是分枝桿菌屬（Mycobacterium）。

16S rDNA的拷貝數(shù)變化可代表細(xì)菌群落豐度的變化，細(xì)菌拷貝數(shù)從上游（STW1）6.90×105± 5.45×104到下游滲流水（SDSW）5.14× 106± 3.40×105逐漸增多，且差異顯著（P< 0.01）（圖4）。細(xì)菌豐度的變化與DO、TC、TOC和IC濃度顯著正相關(guān)，與EC、NO3-、NO2-、NH4+、SO42-、As和Pb濃度顯著負(fù)相關(guān)。

圖4  5個(gè)采樣點(diǎn)中細(xì)菌16S rDNA拷貝數(shù)的分布模式

3 核心類群的空間格局

分別在綱、目、科和屬水平上相對(duì)豐度>1%的前10個(gè)優(yōu)勢(shì)類群定義為核心類群。前10個(gè)優(yōu)勢(shì)綱的相對(duì)豐度占整個(gè)群落的90.6-97.9%（圖5a），前10個(gè)優(yōu)勢(shì)目的相對(duì)豐度占整個(gè)群落的82.2-92.0%（圖5b），前10個(gè)優(yōu)勢(shì)科的相對(duì)豐度占整個(gè)群落的62.1-86.7%（圖5c），前10個(gè)優(yōu)勢(shì)屬的相對(duì)豐度占整個(gè)群落的27.3-56.4%（圖5d）。在5個(gè)樣地中核心類群的相對(duì)豐度明顯不同。Alpha-變形菌綱和所屬類群：紅桿菌目（Rhodobacterales）、紅桿菌科（Rhodobacteraceae）和紅桿菌屬（Rhodobacter）以及Beta-變形菌綱和所屬類群：伯克氏菌目（Burkholderiales）、叢毛單胞菌科（Comamonadaceae）和噬氫菌屬（Hydrogenophaga）的相對(duì)豐度沿水流方向逐漸減少。然而，Gamma-變形菌綱以及所屬類群：假單胞菌目（Pseudomonadales）、莫拉氏菌科（Moraxellaceae）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）和軍團(tuán)菌屬（Legionella）；放線菌門以及所屬類群：放線菌目（Actinomycetales）、分枝桿菌科（Mycobacteriaceae）和分枝桿菌屬（Mycobacterium）；集球藻目（Synechococcophycideae）以及所屬的集球藻屬（Synechococcus）；Acidimicrobiia；柄桿菌目（Caulobacterales）以及所屬的柄桿菌科（Caulobacteraceae）和根瘤菌目（Rhizobiales）以及所屬的葉瘤菌科（Phyllobacteriaceae）的相對(duì)豐度沿水流方向逐漸增加（圖5）。異常球菌綱以及所屬類群：異常球菌目（Deinococcales）、異常球菌科（Deinococcaceae）和異常球菌屬（Deinococcus）；芽孢桿菌綱（Bacilli）以及所屬類群：芽孢桿菌目（Bacillales）、芽孢桿菌科（Bacillaceae）和芽孢桿菌屬（Bacillus）；黃桿菌綱（Flavobacteriia）以及所屬的黃桿菌目（Flavobacteriales）；鞘脂單胞菌目（Sphingomonadales）以及所屬的鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）和新鞘脂菌屬（Novosphingobium）；鞘脂桿菌綱（Sphingobacteriia），微桿菌科（Microbacteriaceae）以及Candidatus Aquiluna屬的相對(duì)豐度在樣地STW2中最大。核心類群的相對(duì)豐度在滲流水SUSW中和SDSW也存在顯著的差異（圖5）。

圖5 不同采樣點(diǎn)細(xì)菌群落的的核心類群。a) 綱水平；b) 目水平；c) 科水平；d) 屬水平

4 細(xì)菌群落組成與環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性

Mantel檢驗(yàn)表明整個(gè)細(xì)菌群落組成與理化參數(shù)（EC、NO3-、NO2-、TC和SO42-）顯著相關(guān)；同樣優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落（abundant OTUs）的組成與EC、NO3-、NO2-和IC顯著相關(guān)（表3）。但是pH、DO、重金屬（As、Cd、Cu、Pb、Zn）和地理距離與整個(gè)細(xì)菌群落以及優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落均沒(méi)有顯著的相關(guān)性（表3）。

RDA分析結(jié)果表明環(huán)境參數(shù)對(duì)核心類群在綱（F=2.4，P< 0.05）、目（F=2.6，P< 0.05）、科（F=2.5, P< 0.05）和屬水平（F=7.1，P< 0.05）均有顯著的影響。在綱、目、科和屬的水平主要受到NO3-、NO2-、SO42-和pH的影響（表S8），多元相關(guān)性分析結(jié)果也表明NO3-、NO2-、TC、IC、SO42-和重金屬（As、Cu、Pb、Zn）對(duì)幾個(gè)核心類群有顯著的影響（表S3-S7）。

表3 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境參數(shù)的Mantel檢驗(yàn)結(jié)果

5nirS, nirK和nosZI基因拷貝數(shù)沿水流方向的變化趨勢(shì)

在本研究中擴(kuò)增的反硝化功能基因包括參與2個(gè)關(guān)鍵反硝化過(guò)程的3個(gè)基因分別是：編碼亞硝酸鹽還原酶的（nirS和nirK）基因以及編碼一氧化二氮還原酶的（nosZI）基因。在5個(gè)取樣點(diǎn)每毫升水中nirS的拷貝數(shù)是2.12×103 -3.23 ×104，nirK是4.73×100-3.84 ×104，nosZI是4.14 ×104-2.33 × 105（圖6）。在STW3和STW2中nirS的拷貝數(shù)顯著高于STW1，但是nirK的拷貝數(shù)在3個(gè)庫(kù)水中差異不顯著，nosZI的拷貝數(shù)在STW2中最大，且顯著高于STW1和STW3。滲流水中的3個(gè)反硝化功能基因的拷貝數(shù)均是SDSW顯著高于SUSW（圖6）。

圖6 不同采樣點(diǎn)nirS, nirK和nosZI的拷貝數(shù)

在5個(gè)采樣點(diǎn)，3個(gè)反硝化功能基因的相對(duì)豐度nirS/16S rDNA，nirK/16S rDNA和nosZI/16S分別是0.12-1.46%，2.58-1.38% 和1.81-6.03%，它們的相對(duì)豐度沿水流方向逐漸減?。▓D7），在滲流水中3個(gè)反硝化基因的相對(duì)豐度均沒(méi)有顯著的變化。在庫(kù)水中NirS/16S rDNA和nirK/16S rDNA分別是滲流水的3.71和3.49×103倍，但是在滲流水中nosZI/16S rDNA是庫(kù)水的1.22倍。

圖7 不同采樣點(diǎn)中nirS，nirK和nosZI相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)

6 環(huán)境參數(shù)對(duì)nirS，nirK和nosZI基因拷貝數(shù)的影響

NosZI與nirS和nirK對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)策略不同。nirS和nirK的相對(duì)豐度與pH、NO3-和NO2-濃度正相關(guān)，與IC和Zn的濃度顯著負(fù)相關(guān)，但是nosZI 與nirS和nirK的趨勢(shì)相反（表4）。nirS、nirK和nosZI 的豐度與Cu離子濃度正相關(guān)，與Pb離子的濃度負(fù)相關(guān)（表4）。3個(gè)反硝化功能基因的相對(duì)豐度與取樣位置存在顯著的相關(guān)性，從上游到下游逐漸減?。▓D 8），這種變化趨勢(shì)主要受到水體理化參數(shù)（NO3-、NO2-、IC、pH和Zn）變化的影響（表4）。

表4 16S rDNA、nirS、nirK、nosZI的拷貝數(shù)以及3個(gè)反硝化功能基因的相對(duì)豐度與環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性分析

圖8 反硝化功能基因的相對(duì)豐度與采樣位置的相關(guān)性分析

討論

1 AlkMD中的細(xì)菌群落

微生物群落的組成和分布與其生境的生物和非生物因素緊密相關(guān)，這為我們更好理解微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的功能提供重要線索。一些研究表明微生物群落對(duì)局域環(huán)境變化敏感，這與我們的研究結(jié)果一致。本研究表明細(xì)菌群落的多樣性沿水流方向變化明顯（表2，圖2，圖4），這種變化趨勢(shì)主要與NO3-、NO2-、SO42-和TC濃度相關(guān)（表3，表4）。有限的證據(jù)表明，這種多樣性模式主要是通過(guò)物種分選過(guò)程（即根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件進(jìn)行選擇）來(lái)構(gòu)建的。這樣的細(xì)菌群落組成模式是對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)的表現(xiàn)，例如對(duì)能量（硝酸鹽、硫酸鹽和碳）的有效性作出反應(yīng)；相反，細(xì)菌豐富度的變化可能是由于影響細(xì)胞過(guò)程和信號(hào)傳導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)造成的。當(dāng)環(huán)境發(fā)生劇烈變化時(shí)，如尾礦廢水的排放，適應(yīng)該環(huán)境的微生物類群就會(huì)大量繁殖，否則就會(huì)滅絕。這種環(huán)境梯度可以明顯改變?nèi)郝浣M成，在較低污染區(qū)域微生物群落的豐富度增加，在中等污染區(qū)域微生物群落的多樣性增加。As和Pb的濃度對(duì)細(xì)菌群落有明顯的抑制作用（表4），因?yàn)橹亟饘俣拘詴?huì)使微生物群落的碳、氮、硫代謝能力降低甚至喪失，因此高濃度的重金屬會(huì)降低細(xì)菌群落的豐度。重金屬對(duì)細(xì)菌的毒害通常是由于造成了酶的失活、細(xì)胞膜損傷、與核酸結(jié)合、養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)淖兓约暗孜锏目捎眯愿淖兊龋捎诮饘倥c酶蛋白、膜蛋白和核酸酶結(jié)合，從而改變其結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致細(xì)胞活性的喪失。在酸性尾礦廢水中（AMD）pH對(duì)微生物群落的多樣性、豐富度和功能基因豐度存在顯著的影響。本研究中雖然庫(kù)水和滲流水中的pH存在顯著的梯度（表1），但是并不是影響細(xì)菌群落組成和多樣性變化的主要因素（表3，表4）。這與Bier對(duì)阿爾卑斯山脈AlkMD中微生物群落的研究結(jié)果一致，可能是由于pH變化范圍太?。?.01-9.38）而在AMD中一般變化范圍不低于4。這也表明在本研究區(qū)域細(xì)菌群落的多樣性變化主要是EC、NO3-、NO2-、SO42-和重金屬含量變化引起的，而不是pH。地理距離也是造成細(xì)菌群落多樣性格局變化的重要因素，但是在本研究區(qū)地理距離與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)沒(méi)有顯著的相關(guān)性（表3），表明是環(huán)境選擇驅(qū)動(dòng)了細(xì)菌群落的多樣性格局。q-PCR得到的細(xì)菌拷貝數(shù)（圖4）大于高通量測(cè)序結(jié)果（表2），主要是由于2個(gè)實(shí)驗(yàn)所用的擴(kuò)增引物不同；另一方面，q-PCR反應(yīng)中16S rDNA的擴(kuò)增效率是101.1%，這也是造成細(xì)菌豐度偏高的一個(gè)重要原因。

細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境的適應(yīng)是功能的適應(yīng)。變形菌門是5個(gè)取樣點(diǎn)中豐度最高的門（圖3），這與前人對(duì)AlkMD中細(xì)菌群落的研究結(jié)果一致，說(shuō)明變形菌門在尾礦廢水凈化過(guò)程中的核心作用。變形菌門的相對(duì)豐度沿水流方向從STW1到SDSW逐漸減少是由于NO3-和NO2-濃度的變化（表4）引起隸屬于變形菌門的典型反硝化類群紅桿菌科、嗜氫菌屬和紅桿菌屬的改變（表S1）。放線菌門相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)與變形菌門相反，沿著水流方向從STW1到SDSW逐漸增加（圖3），這中變化趨勢(shì)主要受SO42- 和TOC濃度變化的影響（表S2）。Hou[等對(duì)土壤細(xì)菌群落研究發(fā)現(xiàn)EC與放線菌門的相對(duì)豐度正相關(guān)，而與TC含量負(fù)相關(guān)，該結(jié)果與本文研究結(jié)果相反，可能是由于不同的研究區(qū)域和研究對(duì)象造成的。厚壁菌、擬桿菌和[Thermi]的相對(duì)豐度在STW2和SUSW中較高，這與中度污染假說(shuō)一致，表明這三個(gè)類群具有相似的生態(tài)位。藍(lán)藻和綠彎菌是水體中常見(jiàn)的自養(yǎng)微生物，它們的相對(duì)豐度沿水流方向逐漸增加（圖2），主要是由于NH4+、NO2-、NO3-和TC含量的變化（表S2）驅(qū)動(dòng)了這兩類細(xì)菌類群的分布格局。藍(lán)藻通過(guò)釋放胞外酶來(lái)緩沖環(huán)境壓力從而可以適應(yīng)AlkMD的污染環(huán)境。疣微菌門可在多種生境中生長(zhǎng)如土壤、底泥以及一些極端的生境如熱泉、極酸或堿性水體中。疣微菌門的相對(duì)豐度沿水流方向逐漸增加（圖3），主要由Pb和TOC濃度的變化引起。OD1類群在氫和硫的循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮重要的作用，然而在AlkMD中是否與硫的循環(huán)有關(guān)，還需進(jìn)一步研究。

2 核心類群組成及其生態(tài)功能

優(yōu)勢(shì)細(xì)菌類群在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此優(yōu)勢(shì)菌群的動(dòng)態(tài)可以間接地反映整個(gè)細(xì)菌群落對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)過(guò)程。在5個(gè)取樣點(diǎn)核心類群從綱到屬水平均有明顯的變化，但是在屬水平的核心類群在不同采樣點(diǎn)均有分布（圖5，表S1），表明AlkMD的環(huán)境條件具有相似的背景，各采樣點(diǎn)的特定條件對(duì)微生物群落組成的影響要次之。STW1中主要的核心類群是紅桿菌屬和嗜氫菌屬；STW3中主要的核心類群是不動(dòng)桿菌屬；SUSW中主要的核心類群是異常球菌屬；SDSW中的核心類群是分枝桿菌屬（圖5c，圖5d），表明不同取樣點(diǎn)微生物類群所行使的生態(tài)功能不同，因此環(huán)境選擇是通過(guò)改變關(guān)鍵類群的組成和結(jié)構(gòu)來(lái)影響整個(gè)群落的。

不同分類水平的核心群落具有相似的適應(yīng)機(jī)制，這種適應(yīng)性與NO3-、NO2-、TC和IC 濃度變化相關(guān)。主要的水生優(yōu)勢(shì)類群紅桿菌科和嗜堿性類群紅桿菌屬都是典型的厭氧光合紫色非硫細(xì)菌，這些細(xì)菌在呼吸過(guò)程中用NO3-和NO2-作電子受體。嗜氫菌屬是污染生境中的常見(jiàn)類群，它們通過(guò)反硝化作用獲得能量，因此硝酸鹽濃度是影響群落結(jié)構(gòu)變化的重要因素。葉桿菌科（Phyllobacteriaceae）對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)性，這類細(xì)菌除了具有反硝化作用外，還可能在碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。分枝桿菌屬在多種生境中均有分布，其主要的生態(tài)功能是參與碳的降解。在污染生境中，黃桿菌屬和新鞘脂菌屬也是常見(jiàn)的微生物類群，它們通過(guò)釋放胞外聚合物來(lái)降低重金屬毒性。軍團(tuán)桿菌屬的相對(duì)豐度在SUSW中最大（圖5），大多數(shù)軍團(tuán)桿菌屬細(xì)菌是水生菌，它們被認(rèn)為具有兼性致病性。Wullings等對(duì)飲用水中的軍團(tuán)桿菌屬細(xì)菌研究發(fā)現(xiàn)，其多樣性主要受可溶性有機(jī)碳濃度的影響，但是在AlkMD是否也與可溶性有機(jī)碳相關(guān)目前還未見(jiàn)相關(guān)的報(bào)道。

3 反硝化基因拷貝數(shù)的變化與能量的可利用性

硝酸鹽濃度是影響反硝化功能基因豐度變化的重要因素，如之前對(duì)Colne河口，湖泊和地下水的研究均表明硝酸鹽濃度對(duì)反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在顯著影響，說(shuō)明能量的可用性直接影響細(xì)菌的細(xì)胞代謝。反硝化作用是由反硝化微生物驅(qū)動(dòng)的，在氮的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。研究結(jié)果表明，反硝化細(xì)菌的豐度和相對(duì)豐度因環(huán)境變化而變化（表4，圖8）。

反硝化功能基因nirS的豐度從STW1到SDSW逐漸增加（圖6），這種變化趨勢(shì)主要是由于Pb和Zn的抑制作用越來(lái)越?。ū?），這也說(shuō)明反硝化細(xì)菌對(duì)重金屬污染比較敏感。nirK和nosZΙ的拷貝數(shù)與NO3-和NO2-濃度變化顯著相關(guān)，但是二者的變化趨勢(shì)相反（表4），表明這兩個(gè)類群的生態(tài)適應(yīng)策略不同。3個(gè)反硝化功能基因的相對(duì)位置與營(yíng)養(yǎng)狀況（采樣位置）顯著相關(guān)（表4，圖8），該結(jié)果與已有的研究結(jié)果一致，NO3-和NO2- 濃度減小反硝化細(xì)菌的豐度也會(huì)降低。本研究中nirS+nirK/nosZΙ大于1:1，表明參與N2O還原的反硝化細(xì)菌數(shù)量較多，因此可以推斷出在反硝化過(guò)程中沒(méi)有溫室氣體（N2O）的排放。

同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)SUSW中的nirS和nirK不論是豐度還是相對(duì)豐度在5個(gè)樣地中均最小，這很可能是由于在SUSW中Zn的濃度太高而Cu的濃度偏低。Cu和Fe的生物可利用性影響亞硝酸鹽和氧化亞氮還原酶的表達(dá)和活性，因?yàn)閚irS基因編碼含鐵的cd1-type還原酶，nirK基因編碼含銅還原酶，所以Cu和Fe含量會(huì)影響nirS和nirK的表達(dá)。遺憾的是在本研究中沒(méi)有測(cè)定Fe的含量，因此我們只能推測(cè)Fe的含量可能是影響因素。nosZΙ基因的豐度和相對(duì)豐度的變化趨勢(shì)與nirS和nirK不同，其豐度在STW1中最?。▓D6），但是相對(duì)豐度在STW1中卻最大（圖7）。nosZΙ的拷貝數(shù)和相對(duì)豐度的格局與不動(dòng)桿菌屬類群的組成相似（圖5d），不動(dòng)桿菌屬細(xì)菌是重要的含有nosZ基因的反硝化細(xì)菌。不動(dòng)桿菌屬細(xì)菌對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可參與氮代謝且對(duì)重金屬有耐受性。