Seasonal patterns of bacterial communities in the coastal brackish sediments of the Gulf of Finland, Baltic Sea

芬蘭灣、波羅的海沿岸咸水沉積物細(xì)菌群落的季節(jié)模式

來源：Estuarine, Coastal and Shelf Science 165 (2015) 86-96

 

論文摘要

摘要指出，沿海區(qū)域在緩解營養(yǎng)鹽徑流和下游水體富營養(yǎng)化方面至關(guān)重要。在波羅的海最東部的芬蘭灣，沉積物表層的季節(jié)性和長期缺氧會促進(jìn)沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放，從而反饋并加劇富營養(yǎng)化循環(huán)。為理解細(xì)菌群落如何響應(yīng)季節(jié)變化，研究團(tuán)隊在連續(xù)兩年的春季、夏季和晚秋，對芬蘭南部兩個沿海站點沉積物表層中的核糖體基因片段進(jìn)行了測序。分析顯示，盡管站點間存在大量共享的操作分類單元，但整體群落組成隨時間相對穩(wěn)定。群落結(jié)構(gòu)的變化與沉積物表層有機質(zhì)的可用性相關(guān)。春季樣本的典型類群可能與淡水來源的腐殖質(zhì)碳有關(guān)；夏季群落的特征是利用春季水華產(chǎn)生的不穩(wěn)定有機質(zhì)的異養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量增加；而秋季樣本的典型類群則與上覆水體的水華細(xì)菌以及降解植物碎屑的細(xì)菌有關(guān)。

研究目的

本研究旨在揭示芬蘭灣沿海咸水沉積物中細(xì)菌群落的組成，并識別其隨季節(jié)變化的空間和時間模式，進(jìn)而將這些模式與環(huán)境條件的季節(jié)性變化聯(lián)系起來。

研究思路

研究采用多時空尺度采樣與高通量分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合的策略：

 

站點選擇與采樣：在芬蘭灣西南部靠近Tvarminne研究站的外群島區(qū)域，選擇一個淺水點（Muncken, 11米）和一個深水點（Storfjarden, 33米）作為代表性生境。在2008年和2009年的春季（4月）、夏季（8月）和秋季（11月/12月）進(jìn)行沉積物巖心采樣。

環(huán)境參數(shù)測量：使用CTD測量底部水體的溫度、鹽度；通過滴定法和離子色譜法測量沉積物上方5厘米水體的溶解氧、銨鹽和硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮濃度；通過灼燒法測定沉積物有機質(zhì)含量；使用丹麥Unisense氧微電極測量沉積物剖面的溶解氧，并計算擴(kuò)散性氧氣吸收速率。

微生物群落分析：對沉積物表層進(jìn)行DNA提取，通過454焦磷酸測序技術(shù)靶向擴(kuò)增細(xì)菌16S rDNA的V1-V3高變區(qū)，生成約400 bp的讀長庫。

 

數(shù)據(jù)分析：使用QIIME流程處理序列，進(jìn)行OTU聚類和分類學(xué)鑒定；利用LEfSe工具識別不同季節(jié)和站點間具有顯著差異的微生物類群；通過約束性對應(yīng)分析探索環(huán)境變量與微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

環(huán)境變量數(shù)據(jù)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：包括水深、溫度、鹽度、底部水體溶解氧濃度、銨鹽濃度、硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮濃度、沉積物有機質(zhì)含量以及擴(kuò)散性氧氣吸收速率。

研究意義：這些數(shù)據(jù)刻畫了采樣時的物理化學(xué)環(huán)境，為解釋微生物群落的時空變化提供了環(huán)境背景。例如，數(shù)據(jù)顯示Storfjarden站點夏季有機質(zhì)含量和DOU顯著升高，反映了該站點作為有機質(zhì)積累盆地的特性。

 

數(shù)據(jù)來源：表1詳細(xì)列出了各站點在不同季節(jié)的所有環(huán)境變量數(shù)值。

 

細(xì)菌群落組成與相對豐度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過測序獲得了各樣本中細(xì)菌門、綱、目等分類水平的相對豐度數(shù)據(jù)。變形菌門是最豐富且最多樣化的類群。

研究意義：揭示了芬蘭灣沿海沉積物中細(xì)菌群落的基本構(gòu)成，表明其以有機異養(yǎng)型和硫酸鹽還原型細(xì)菌為主。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1展示了所有樣本中按門分類的讀長相對豐度。

 

站點特異性O(shè)TU：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：LEfSe分析揭示了兩個站點特有的微生物類群。例如，淺水站點Muncken與Gemmatimonadetes、硝化螺旋菌門和Betaproteobacteria等相關(guān)；而深水站點Storfjarden則與Delta-和Gammaproteobacteria中的厭氧菌以及擬桿菌門相關(guān)。

研究意義：反映了水深（及相關(guān)的氧氣可用性）和有機質(zhì)負(fù)荷對微生物群落結(jié)構(gòu)的篩選作用。Muncken的好氧類群和Storfjarden的厭氧類群與各自站點的環(huán)境條件一致。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2的LEfSe cladogram顯示了站點間差異顯著的OTU。

 

季節(jié)特異性O(shè)TU：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：LEfSe和排序分析識別出與春、夏、秋三個季節(jié)顯著相關(guān)的細(xì)菌類群。

研究意義：將群落動態(tài)與季節(jié)性的有機質(zhì)輸入和性質(zhì)變化直接關(guān)聯(lián)，闡明了微生物群落對季節(jié)驅(qū)動的能量和物質(zhì)輸入的響應(yīng)。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖4的LEfSe cladogram顯示了季節(jié)間差異顯著的OTU；圖5的約束性對應(yīng)分析圖更直觀地展示了OTU、樣本季節(jié)與環(huán)境變量之間的關(guān)系。

 

結(jié)論

 

群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定：盡管存在季節(jié)波動，芬蘭灣沿海沉積物的細(xì)菌群落核心組成在時間上相對穩(wěn)定，站點間共享大量OTU。

季節(jié)模式顯著：群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)清晰的季節(jié)演替：春季富含可能來源于淡水輸入、與腐殖質(zhì)碳相關(guān)的放線菌；夏季以降解水華產(chǎn)生的易降解有機質(zhì)的異養(yǎng)細(xì)菌（如擬桿菌門）和厭氧呼吸細(xì)菌（如硫酸鹽還原菌）為特征；秋季則與沉降下來的水華細(xì)菌（如藍(lán)藻、光合變形菌）和專門降解植物藻類碎屑的細(xì)菌（如浮霉菌門）相關(guān)。

 

關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動因子：氧氣可用性和有機質(zhì)有效性是塑造沉積物細(xì)菌群落最重要的環(huán)境因素。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的Clark型氧微電極（型號OX-100）測量了沉積物-水界面的溶解氧垂直剖面。這些數(shù)據(jù)的研究意義至關(guān)重要：

 

量化沉積物代謝活性的關(guān)鍵指標(biāo)：Unisense微電極測量的高分辨率氧剖面被用于計算擴(kuò)散性氧氣吸收速率（DOU，見表1）。DOU是表征沉積物總代謝強度，特別是需氧礦化作用速率的一個核心指標(biāo)。本研究數(shù)據(jù)顯示，夏季所有站點的DOU均比春季增加了一倍以上（例如，Storfjarden站點從約4-6 mmol m?2 d?1升至約15-17 mmol m?2 d?1）。這直接證明了夏季沉積物微生物代謝活動極其旺盛，為觀察到的夏季微生物群落變化（如異養(yǎng)細(xì)菌和厭氧菌的活躍）提供了關(guān)鍵的生理活性證據(jù)。

揭示氧化還原環(huán)境的梯度：氧微剖面數(shù)據(jù)定義了沉積物表層的氧化層厚度。盡管本研究未直接展示剖面圖，但DOU的計算依賴于對邊界層氧濃度梯度的精確測量。這種氧化還原梯度是理解微生物生態(tài)位分化的基礎(chǔ)。例如，夏季DOU的顯著增加和底部水體氧濃度的降低（見表1），表明沉積物耗氧量巨大，氧化層變薄或界面氧濃度梯度變陡，這為厭氧過程（如硫酸鹽還原）在沉積物更淺層發(fā)生創(chuàng)造了條件。這很好地解釋了為什么與硫酸鹽還原等厭氧過程相關(guān)的細(xì)菌類群（如Desulfobacterales, Desulfuromonadales）在夏季樣本中特征性出現(xiàn)（見圖4和圖5）。

 

關(guān)聯(lián)環(huán)境條件與群落功能：Unisense電極提供的DOU數(shù)據(jù)作為一個重要的連續(xù)環(huán)境變量，被整合到多變量統(tǒng)計分析（如CCA）中。圖5的環(huán)境因子向量顯示，DOU和沉積物有機質(zhì)含量（LOI）是驅(qū)動細(xì)菌群落變化的關(guān)鍵因子。OTU在排序圖上的分布表明，許多細(xì)菌類群與高DOU和LOI條件密切相關(guān)。這直接將物理化學(xué)環(huán)境（通過Unisense電極量化）與微生物群落的結(jié)構(gòu)和推測的功能動態(tài)聯(lián)系起來，強有力地支持了“有機質(zhì)有效性是調(diào)控這些沿海沉積物細(xì)菌群落季節(jié)動態(tài)的主要因素”這一核心結(jié)論。

 

總之，Unisense氧微電極在本研究中并非一個孤立的測量工具，它提供的DOU數(shù)據(jù)是連接環(huán)境物理化學(xué)條件（季節(jié)性的有機質(zhì)輸入、溫度變化導(dǎo)致的耗氧增加）與微生物群落響應(yīng)之間的關(guān)鍵橋梁和定量證據(jù)。其高分辨率的測量使我們能夠更精確地解讀為何在夏季會觀察到特定的微生物類群演替，從而深化了對沿海生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)機制的理解。