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 分类： 微生物组测序
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英文名称：Saltwater intrusion affecting NO2− accumulation in demersal fishery species by bacterially mediated N-cycling

中文名称：盐水入侵通过细菌介导的N-循环影响底栖鱼种中NO2-的积累

杂志：Science of The Total Environment

影响因子：10.753

合作单位：中国水产科学研究院

研究背景

盐水入侵(SWI)对淡水/河口河流生态系统有显著影响，初步影响是干扰营养物的生物地球化学转化。例如，海水驱动的水文效应会降低亚热带沿海生态系统中土壤微生物生物量和土壤酶的活性，并降低二氧化碳净吸收的能力。此外，海水入侵增加可以减少河口潮汐湿地的氧化亚氮(N2O)排放，并对亚热带海洋水生生态系统产生负反馈。因此，SWI无疑改变了海豚和沿海栖息地的营养状态和必需营养素的可用性。由于上述营养物质（如C、N）在SWI作用下发生改变，河口生态系统中微生物群落的组成和功能也会发生改变，因此，SWI对营养物质生物地球化学转化的影响可能与微生物群落沿盐度梯度的变化有关。

研究方法

微生物三代全长，宏基因组学测序，理化指标检测

研究结果

在SWI条件下，环境参数的差异

  • 从M1到M5的采样点盐度升高，每对采样点之间有显著差异（P < 0.05）；
  • 与盐度相似，随着采样点从M1到M5，水中电导率、TDS和NH4+浓度升高，而TN、NO3−、NO2−和TP浓度降低；
  • M1到M5相同样点沉积物中水分、电导率和NH4+浓度上调，NO3−和NO2−浓度下调，M1与M5间差异显著(P < 0.05)，同时，M5处沉积物TOC浓度也略高于M1处（P < 0.05）

基于16S测序的SWI条件下细菌群落组成的差异

  • NMDS分析显示，沉积物中细菌群落的分类和功能组成比水中更加离散，特别是沉积物中的分类组成在M1和M5之间表现出明显的差异；
  • 水中的优势细菌类群是Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Bacteroidia，而沉积物中的优势细菌类群是Campylobacteria，γ变形菌和德尔塔变形菌；
  • 主要微生物类群弯曲菌和Gammaproteobacteria在M1和M5间差异显著(经FDR调整P < 0.05)，表明沉积物中这两个类群可能存在差异以应对SWI；
  • α多样性表明，水中只有Chao1指数在M1和M5之间存在显著差异(P < 0.05)。而沉积物中检测到的所有α多样性指数(Shannon,Chao1, Simpson)在M1和M5之间差异显著(P <0.05)。这表明SWI对肠道细菌群落的影响大于对水的影响

基于宏基因组测序的SWI条件下沉积细菌群落的差异

  • 由于SWI对沉积细菌群落有主要影响，对M1（低盐度）和M5（高盐度）进行了宏基因组测序。通过NMDS分析，沉积物细菌群落的病灶组成清晰分离；
  • 除低丰度细菌类群和未分类类群外，OTUs在低盐度下富集的细菌门，包括放线菌门、氯化菌门、脱硫菌门、厚壁菌门和变形菌门，而高盐度的群落包括弯曲菌和普朗菌；
  • 沉积性细菌群落中最丰富的15个细菌OTUs来自10个类别，其中弯曲杆菌和伽马变形菌门是最重要的类群，各有3种。与此同时，有11个物种在高盐度中富集，包括硫脲、硫单胞菌、弯曲杆菌、硫碱杆菌、热厌氧菌等；

SWI条件下环境参数与沉积细菌群落的相关性

  • db-RDA与Anova检验显示，盐度控制了水中细菌群落的分类和功能组成的变化，而沉积物中群落组成的差异与pH、电导率、NO3−、NO2−和NH4+密切相关，表明细菌群落对SWI条件下沉积氮形态有显著影响（P < 0.05）；
  • 使用Mantel检验计算群落组成和环境参数的Bray-Curtis差异，发现沉积细菌群落的电导率和NH4+与分类组成显著相关（Mantel’s r = 0.962和974，P < 0.05）。同时，电导率和NH4+也与沉积细菌群落的功能组成密切相关（Mantel’s r = 0.962和0.985，P <0.05）。因此，SWI条件下沉积物细菌群落的组成受电导率和NH4+的驱动；
  • SEM表明，细菌丰度直接影响NO2−、NO3−和NH4+的浓度，并通过改变细菌α多样性间接影响NO2−和NH4+的浓度；
  • 盐度、电导率和细菌丰度之间存在正相关关系，沉积物中不同的氮形态有顺序的参与；
  • Pearson相关分析显示，优势细菌分类群Sulfurovum sp.和sulphimonas sp.与氮形态(NO2−、NO3−和NH4+)和酶活性(NR和NiR)显著相关（P < 0.05）；
  • 结果表明SWI可以通过盐度改变电导率来影响细菌的丰度和多样性，从而影响沉积物中的氮循环

SWI条件下细菌功能基因与氮循环的相关性

  • 功能基因通过KEGG途径富集的结果表明，氮代谢相关功能基因在高盐环境下的表达水平高于低盐环境，而碳和氨基酸代谢相关功能基因在低盐环境下的表达水平高于高盐环境。这表明SWI通过建立盐度梯度刺激氮循环；
  • 氮循环途径方式与KEGG中“甲烷代谢”、“乙醛酸盐和二羧酸盐代谢”、“双组分系统”等类别密切相关，表明氮循环与上述三种途径可能是共同响应SWI的途径；
  • 通过MetaBAT2分形分析获得10个高质量基因组(完整度>90%，污染度<5%)，这些基因与氮循环相关。例如，Sulfurovum sp.同时参与了ANRA(基因nasA)和DNRA(基因ark)，脱硫菌科自养菌参与ANRA (NR基因)和固氮(nifB基因)，脱硫菌科细菌参与反硝化(基因norA和nosD)和固氮(基因nifU和nifH)；
  • 由于参与反硝化过程的细菌种类更多，NiR的酶活性变化(14.5倍)高于NR(2.6倍)，表明SWI强烈影响了沉积物中NO2 -的变化。这些结果表明，SWI促进了氮循环的反硝化过程，减少了沉积物中NOx-N的滞留，特别是NO2−的滞留

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