怎样开展海域沉积物微生物群落结构及代谢潜力分析 | 微生物专题

发表时间：2021.11.14

发表期刊：Science of the Total Environment（IF 7.963）

关键词：黄河口，沉积物，微生物群落，扩增子测序，GeoChip技术

研究背景：

黄河口和莱州湾受到密集的人为活动污染。然而，这些活动对该地区微生物群落及其生态功能产生如何影响的研究却很少。本研究联合16S测序和GeoChip（功能基因）对黄河口及周边地区沉积物中的微生物群落组成和功能基因进行分析。

研究对象：海域沉积物

研究方法：16S测序 + GeoChip

研究设计：

研究区位于黄河口地区和莱州湾北部地区。从近岸到近海地区的11个采样点采集沉积物样本（图 1）。在每个采样点，使用采样器收集三个平行的表面沉积物样本（0 - 5 cm）。将样本混合并密封在袋子中，然后用干冰运送回实验室。沉积物样本的一部分储存在 4 °C 用于环境参数分析，其他储存在 -80 °C 用于微生物群落和功能基因分析。

图1 采样地点

主要结果：

1. 沉积物理化参数

各采样点理化性质见表1。

表1 采样点的理化性质

2. 沉积物中的微生物组成

为比较微生物群落的多样性，计算了alpha多样性指数。如图2a和b所示，近海地点的OTU和Chao 1高于近岸地点（近岸地点包括A6、A7、A10和A23，近海地点包括A2、A3、A4、A5、A11和A33）。因此，近海地点的丰富度高于近岸地点。使用Shannon指数进一步比较了微生物群落的多样性。相比之下，Shannon指数总体上随着离岸距离的增加而下降。因此，近岸地区微生物群落多样性高于近海地区。此外，用PD指数评估微生物群落的进化复杂性。如图2d所示，近岸地点的进化多样性高于近海地点。主要原因可能是强烈的人为活动不断扰乱微生物群落组成，从而导致微生物群落的更大进化。

图2 沉积物中微生物群落的多样性

在beta多样性分析中，使用PCoA方法来研究不同地点微生物群落的相似性。根据PCoA结果，将这些地点分为三个clusters：cluster 1包括A6、A7、A10、A23和A25；cluster 2包括A2、A3和A33；cluster 3包括A4、A5和A11。PCoA分析结果表明，不同聚类群之间的微生物群落组成存在较大差异。

图3显示11个地点在门水平上的系统发育分类。OTUS被划分为18个门，其中17个门的比例超过1%。在门的水平上，变形菌门是所有样本中最丰富的门，约占所有样本OTUS总数的50%。拟杆菌门是第二大类群，其相对丰度在3个clusters中差异很大。但有些序列不能归为特定的类群，在门水平、纲水平和属水平分别占2.84-5.80%、7.86-12.45%和69.37-76.51%。

图3 门水平的微生物群落聚类分析

3. 环境因素对微生物群落的影响

为研究环境因子对微生物群落结构的影响，进行Monte Carlo permutation tests和环境因子相关分析。最显著的环境因子是水深，其次是总钠、总钙和中值粒径。水深、Na、Ca含量对微生物丰度有较大影响，Na含量和水深的影响是一致的，与Ca含量的影响有很大不同（图4a）。环境因素对近岸地点和近海地点的微生物群落的影响也是不同的（图4b）。近海海域（A2、A4、A5、A7和A11）微生物群落的分布受Na含量和水深的促进，但受Ca含量的抑制，而近岸海域（A6、A10、A23和A25）的微生物群落分布受Ca含量的促进，但受Na含量和水深的抑制。

图4 a与微生物群落有关的环境因素的RDA分析，以及b科水平的物种相对丰度与环境因素的相关性热图

4. 功能基因探寻、多样性和功能比例

为了解环境因素对微生物群落生物地球化学过程的影响，利用GeoChip分析了微生物群落的功能基因。A10和A5作为近岸地点和近海地点的代表，进一步分析，分别命名为近岸地点（N地点）和近海地点（O地点）。在N地点和O地点都检测到与碳循环、氮循环、磷循环和硫循环相关的基因。此外，在N地点和O地点还检测到与金属解毒、有机修复相关的基因。大多数基因同时在N地点和O地点检测到，因此N地点和O地点的基因组成大体相似。然而，N地点和O地点在功能基因上仍存在一些差异，N地点的功能基因成分比O地点复杂。

为全面详细地分析微生物代谢活动对生物地球化学循环的影响，作者将功能基因分为碳循环、氮循环、磷循环、硫循环、金属解毒、有机修复等不同的分类（图5）。用每个分类的基因信号强度来比较生物地球化学循环的代谢潜力，并分析微生物代谢活动对沉积物中营养元素含量的影响。

图5 不同分类的功能基因的归一化信号强度。a所有功能基因，b参与碳循环的功能基因。

5. 各种物质代谢的关系

作者分析了微生物群落中不同物质的代谢。有些代谢过程并不是独立的，有些物质代谢可以同时被微生物催化。例如，在有氧条件下，蓝藻能够在光合作用过程中形成O2并固定CO2；而在厌氧条件下，蓝藻也参与固氮和氢代谢。物质循环的相互作用是复杂的，它对海域沉积物的生物地球化学循环有很大的影响。但对营养物质迁移转化和微生物群落演化的影响还有待进一步研究。

主要结论：

本研究对黄河口的微生物群落进行了研究，探讨了环境因子对微生物群落和功能基因的影响。RDA和环境因子相关分析表明，水深、Na含量和Ca含量是影响微生物群落的最显著的环境因子。分析结果表明，微生物群落可参与各种营养循环，其微生物群落组成和生化过程受环境污染的影响较大。

参考文献：

Yin X, et al. Microbial community structure and metabolic potential in the coastal sediments around the Yellow River Estuary. Sci Total Environ. 2022 Apr 10; 816: 151582.

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