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佳作推荐|电缆细菌介导上覆水溶氧对沉积物生物地化学过程的影响

来源:admin    发布时间:2021-03-29   阅读数:30

本期佳作推荐分享一篇近期发表在ISME上的研究,研究人员通过长期实验室模拟培养、结合高通量测序等手段发现电缆细菌介导上覆水溶氧波动影响沉积物生物地球化学循环的电动氧气扩散机制。该研究成果为水体沉积物中元素循环研究找到了新机理,并为受污染沉积物的原位修复提供了新思路。文章的第一作者为a级黄色片研发总监刘飞飞博士。


Cable bacteria extend the impacts of elevated dissolved oxygen into anoxic sediments

电缆细菌介导上覆水溶氧对沉积物生物地化学过程的影响


a级黄色片刘飞飞博士佳作
作者:Feifei Liu1(刘飞飞), Zhenyu Wang1,2(王振宇), Bo Wu2(吴波), Jesper T Bjerg3, Wenzhe Hu1(胡文泽), Xue Guo4,5(郭雪), Jun Guo1(郭俊), Lars Peter Nielsen3, Rongliang Qiu2,6(仇荣亮), Meiying Xu1(许玫英)

期刊:ISME

时间:2020.12.7

影响因子:9.18


文章摘要

快速的工业化和城市化导致了大量的废物排放到水体并造成广泛污染。这些污染物的降解消耗溶解氧(DO),导致水体缺氧,甚至造成黑臭现象。同时,持久性疏水化合物,如多环芳烃(PAHs)易吸附在悬浮颗粒表面并随之沉淀、在沉积物中累积形成内源性污染。因此,河流污染已成为水生生态系统最重要的问题之一,引起广泛关注。曝气可以提高水体DO含量,促进有氧降解,是减少河流污染的常用策略。但由于沉积物中氧的低渗透性,一般认为曝气对沉积物生物修复的影响局限在毫米级别的表层泥水混合界面。与之矛盾的是,深达数厘米的缺氧沉积物中生物地化学循环过程显著响应上覆水DO波动的现象时有报道。这种矛盾表明在沉积物有氧和无氧沉积物层之间存在未知的关联机制。

“电缆细菌”是最近发现的一种长度达到厘米级的多细胞长线状细菌,属于脱硫球科。它们通过长距离电子传递(LDET)获取能量,即:在缺氧沉积物中捕获并氧化电子供体,例如硫化氢(H2S)或硫化铁(FeS),同时将产生的电子转移到泥水混合界面的氧或硝酸盐等电子受体上。通过耦合两个空间分离的氧化还原半反应,电缆细菌具有造成沉积物中硫酸盐累积和沉积物酸化的潜在能力,可能对沉积物生物地球化学循环产生较大影响。此外,由于电缆细菌在沉积物中普遍存在,包括那些被复杂有机物污染的沉积物,有研究发现电缆细菌可能促进简单有机质的厌氧降解,如海洋沉积物中的烷烃和淡水中的甲苯。

在这项研究中,使用受PAHs长期污染的城市河流沉积物,经过9周实验室模拟培养实验后,研究上覆水DO升高(eDO)在沉积物中的理化和生物学效应。结果表明,尽管持续曝气仅增加了泥水混合界面表层数毫米的孔隙水DO浓度,但在0-6 cm的沉积深度范围内,关键环境参数和微生物多样性均发生了显着变化,并且PAHs降解加速。在eDO环境下,理化性质和微生物性质的动态变化与电缆细菌丰度的显著增加相吻合,且主要由电缆细菌的代谢活动驱动。基于系统发育的分子生态学网络分析(Phylogenetic molecular ecological network,pMEN)进一步表明,eDO促进了电缆细菌与关键功能微生物(例如硫酸盐还原菌,PAHs降解菌和电活性微生物)的种间相互作用,表明电缆细菌可能增强沉积物中微生物间的互利共生关系。


主要内容

1. eDO对沉积物化学性质的影响

实验室培养期间,曝气组沉积物中,溶氧渗透深度为3.98±0.56 mm, 非曝气组的溶氧渗透深度为1.57±0.63 mm (p < 0.001, n = 30,t检验,图1A)。这意味着在所有培养体系中,只有浅表层沉积物受氧气直接影响。曝气4周后,沉积物孔隙水pH从最初的中性逐渐下降到6.01左右(p < 0.01,n = 6,方差分析,图1B)。所有三层沉积物中(0-2 cm,2-4 cm,4-6 cm)都发生了孔隙水酸化现象,其中中层(2-4 cm)的pH值下降最大。而在非曝气组,孔隙水的pH值基本保持不变。曝气组前4周,孔隙水硫酸根离子浓度在沉积物中逐渐增加,在第9周下降(p < 0.001,n = 6,方差分析,图1B),第4周到第9周硫酸盐浓度的减少,推测是沉积物中FeS耗竭造成。而在非曝气组沉积物中没有观察到硫酸根离子浓度的明显变化。曝气组沉积物中,多环芳烃降解率提高受到沉积物深度和多环芳烃的结构复杂程度影响 (p < 0.05, n = 6,方差分析,图1C)。相比非曝气组,曝气组沉积物表层、中层和底层多环芳烃降解速率分别提高了7.7%、6.4%和1.2%;在顶层和中层,相较于非曝气组,2环芳烃(如萘、苊、苊烯、芴)的降解增加分别为13.1%和15.6%,显著高于底层(图1 C)。


eDO对沉积物化学性质的影响
图1 eDO对沉积物化学性质的影响


2. eDO对沉积物微生物群落的影响

通过Illumina测序获得超过1410万条符合条件的16S rRNA基因序列。经过数据处理,剩下22635个ASVs(amplicon sequence variants),其中eDO样品13844个,aDO样品13414个。aDO和eDO处理下的微生物群落结构随时间不断变化,但其变化轨迹不同。基于Bray-Curtis距离的NMDS排序显示,两种处理之间的群落差异逐渐积累(图2)。


NMDS排序图
图2 NMDS排序图

此外,非参数多元统计检验(Adonis、Anosim、MRPP)进一步显示,在整个培养阶段,曝气和非曝气处理的沉积物顶层、中层和底层,微生物群落结构存在显著差异(p < 0.05)(表1)。这些结果表明,虽然eDO仅对毫米级泥水混合界面的孔隙水溶氧浓度有直接影响,但却显著改变了该研究中0-6 cm各层沉积物中微生物群落的组成和结构。


表1
电缆细菌介导上覆水溶氧对沉积物生物地化学过程的影响


共有57个已知的门在这项研究中发现,其中一半以上在eDO曝气组发生了丰度的显著改变,包括主要类群(如变形菌门、厚壁菌门、放线菌和酸杆菌门)(图3)。在eDO影响下,表层的α-、β-和γ-变形菌门(proteobacteria)显著增加,中层δ-变形菌门显著增加。表层中硫酸盐还原属的相对丰度呈下降趋势,反映出它们对氧的敏感性,而中层和底层水体中硫酸盐还原属的相对丰度呈上升趋势。同样,厚壁菌属(Clostridium, Intestinibacter, Syntrophomonas)对eDO也有明显的响应,上层的这些属普遍减少,但中层和底层普遍增加。


沉积物各层物种丰度对eDO的响应图
图3 沉积物各层物种丰度对eDO的响应


3. 沉积物中电缆细菌的动态变化及其与其他种群的相互作用

使用扫描电子显微镜(SEM)和荧光原位杂交(FISH)对长线状电缆细菌进行了鉴定(图4A)。电缆细菌的相对丰度初始值为0.012%,在eDO下,第四周达到峰值1.35%;在aDO下,第九周达到峰值0.37%(图4B)。针对电缆细菌特异性dsrB基因进行qPCR定量,进一步验证电缆菌的动态变化。整个培养过程中,dsrB基因拷贝数介于3.14×105 到6.79×107(copies/g)之间,其中在eDO下的平均拷贝数为8.76×106(copies/g),约为aDO条件下的4.5倍(图4C)。与Illumina测序结果一致,上层和中层沉积物栖息绝大部分电缆细菌。eDO下dsrB基因丰度在第四周达到峰值,各层分别是aDO组的8.1、6.1和 2.9倍(图4C)。


电缆细菌的可视化和定量图
图4 电缆细菌的可视化和定量


基于pMEN网络评估了eDO和aDO环境下微生物的共生模式,重点研究了电缆细菌及共生微生物群落的相互作用。总的来说,eDO下沉积物的共生网络比aDO下更简单,这与eDO下沉积物微生物多样性较低的特点相一致。进一步建立了包括电缆细菌和与其密切相关的微生物群在内的子网络。与微生物共生模式不同的是,电缆细菌与共生微生物倾向于形成更为复杂的pMEN拓扑结构。同时,随着时间的推移,在eDO作用下电缆细菌子网络的复杂性增强。进一步的群落组成分析表明,这些微生物种群具有丰富的分类多样性,由16个门组成,以变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)为主。电缆细菌与这些种群之间存在显著的正相互作用(74.6%),表明这些微生物之间存在普遍的互利共生关系。在与电缆细菌有显著相互作用的ASVs中,超过半数(60.6%)是多环芳烃降解菌,其中许多(32.4%)具有硫代谢功能。


4. 微生物群落的组成和环境因素之间的联系

利用冗余分析(RDA)和Spearman等级相关系数,将eDO环境下微生物群落的变化和演替动态与主要环境特征联系起来。两项分析都表明,除了孔隙水的氧可用性外,其他环境特性显著地影响了沉积物微生物群落的组成和结构(图5)。这些环境因素中,硫酸盐浓度和pH明显是影响aDO和eDO处理间群落差异的最重要因素。微生物群落的时间变化更多地由pTC(porewater total carbon)、pTN(porewater total nitrogen)、NH4+和pAP(sediment available phosphorus)驱动,表明随着时间的推移,沉积物养分的消耗驱动了群落的变化。此外,电缆细菌的丰度与孔隙水的pH和硫酸盐浓度呈显著相关,进一步证实了电缆细菌LDET在改变沉积物中这些特性的关键作用。利用Pearson相关性和Mantel检验探讨了培养结束时沉积物中多环芳烃残留与电缆细菌丰度之间的可能联系。Pearson相关分析发现,电缆细菌的丰度与多环芳烃赋存总量和几种PAH单体化合物的剩余浓度之间存在显著的负相关(p < 0.001),表明随着电缆细菌数量的增长,这些化合物的去除速度加快。Mantel检验也呈现显著相关关系,与Pearson相关结果一致。


RDA分析
图5 RDA分析


总  结

在本研究中,通过长期实验室模拟培养、结合高通量测序等手段,发现上覆水溶氧浓度升高能够显著提高沉积物中电缆细菌的丰度和产电硫氧化活性,造成厌氧沉积物pH值显著下降、硫酸根离子累积等理化因子的显著变化;进而影响沉积物中微生物群落组成结构和种间互作模式变化。伴随电缆细菌增殖,大量功能菌群(硫代谢、有机质降解、电活性微生物等)丰度明显上升并与电缆细菌形成紧密的互利共生网络,影响沉积物中碳、硫等关键元素循环过程。尤其是以硫酸盐为电子受体的硫酸盐还原菌丰度显著上升,其硫酸盐呼吸耦合复杂有机质降解活性有效促进了沉积物中多环芳烃等复杂污染物的原位降解转化(图6)。该研究为水体沉积物中元素循环研究找到了新机理,并为受污染沉积物的原位修复提供了新思路。


eDO对电缆细菌介导的沉积物生物地球化学过程影响的概念综述
图6 eDO对电缆细菌介导的沉积物生物地球化学过程影响的概念综述




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