基于环境DNA克隆文库的三峡水库回水区微囊藻水华发生及环境影响机制研究

Cyanobacterial blooms have become the major environmental problem in the Three Gorges Reservoir. Studying the dynamic of the blooms and its relationship with the environmental factors is crucial to elucidating the mechanisms for massive occurrence of the blooms. The correlation between the cyanobacterial genotypes and the environmental factor provide a new insight to elucidate the driving forces for forming water blooms with the environmental DNA clone laboratory construction. The present project will target on Xiaojiang River, a typical backwater region of The Three Gorges reservoir, to study the dynamic of the biomass and the genotypic compositon of Microcystis for revealing dynamic succession and the forming patterns of Microcystis bloom of the Three Gorges Reservoir internal backwater region on molecular level. The correlation between Microcystis biomass and genotypes and the environmental factors (encluding Water physicochemical factors and hydrodynamic conditions) were analysed to study the response mechanism of Microcystis bloom dynamics to water environment factors, which could provide the scientific support for the further prevention and control of water blooms.

蓝藻水华是三峡水库的一大环境问题，对水华动态及其与环境因子关系研究是揭示水华暴发、发展机制的重要基础。借助环境DNA克隆文库构建技术，微囊藻水华的基因型构成与环境因子的关系研究为水华发生的驱动机制揭示提供了新的思路。本研究以三峡水库小江回水区为研究区域，通过分子生态学策略监测微囊藻生物量动态及基因型组成，从分子水平揭示三峡水库回水区微囊藻水华内部构成的动态演化，分析水华发生模式和消长规律。解析微囊藻生物量及其基因型组成变化与水体理化因子和水动力条件的相关关系，研究微囊藻水华对水体营养因子和水动力条件的动态响应，研究水环境因子对三峡水库回水区微囊藻水华的起源和演替的影响规律，探索微囊藻种源和水华发生驱动机制，为微囊藻水华的发生预测和防控管理提供科学支撑。

三峡水库运行在产生巨大的经济效益的同时，库区支流水体回水区富营养化程度加剧，导致不同程度的蓝藻水华时有发生，对水生态系统的演替和发展具有重要的影响。研究水华动态及其与环境因子关系，是揭示水华暴发、发展机制的重要基础。本项目以三峡水库小江回水区为研究区域，选取渠口、养鹿、高阳、双江4个监测站点，每个位点在不同水层采样，每月采样一次，持续1周年，监测水体环境因子动态变化及微囊藻生物量和基因型组成，解析微囊藻生物量及其基因型组成变化与水环境因子的相关关系。结果如下：2015年全年水位变化范围为146.36~174.46m，流速为-0.015~0.154m/s，流量为-173.2~ 645.8m3/s。水温变化范围为12.14~30.52℃，PH值为7~9.7，溶解氧为3.28~13.36mg/L，总氮为1.36 ～2.06 mg/L，硝氮为0.96～1.51 mg/L，氨氮为0.06～0.23 mg/L。总磷为0.08～0.26 mg/L，磷酸盐在0.02 ～0.07 mg/L之间。高锰酸钾指数为1.33 ～3.41 mg/L。小江回水区各断面微囊藻拷贝数浓度数量级在102~105之间，微囊藻丰度垂直分布在全年基本呈现表层>中层>底层的规律。各断面产毒微囊藻比例差异较大，为0～96.41%。从时间分布来看，各水层产毒微囊藻比例均呈现年初最高，然后持续下降至年中，最后逐渐上升至年末趋势，最小值均出现在5-7月。小江回水区的121个样本采用Illumina MiSeq测序平台共获得4,969,354条高质量序列，基于Unoise3 算法在100%相似度下聚类得到5353个OTU。比对注释结果显示，这些OUT主要分属于16个属，并包含一些未知种类。种类分布分析表明，不同季节和水层中，小江回水区蓝藻种类组成无明显差异。相对丰度分析显示，小江回水区最主要的优势种是微囊藻和聚球藻。其中，一到六月微囊藻为优势类群。七到八月聚球藻占绝对优势。九到十二月则出现大量丝状蓝藻。CCA分析结果显示，对蓝藻群落结构影响最显著的环境因素为水温。夏季类群与温度呈明显正相关关系，冬、春季类群则呈负相关关系。高锰酸盐指数与秋季类呈明显正相关关系。总磷含量与夏季类群呈正相关，磷酸盐含量与冬春季类群呈正相关关系。本项目的研究成果将为水库生态系统水华的发生预测和防控管理提供理论依据。