《Water Research》市区河道汇合处细菌群落组成和功能对各种DOM的响应

不同流域河流汇合会导致溶解性有机物（Dissolved Organic Matter，DOM）的混合和转化，影响微生物群落的系统发育，进而影响河流系统的完整性和功能。微生物群落与DOM之间的关系非常复杂，尤其是在汇合区，这方面研究仍然很少。


近日，合作客户河海大学于环境科学与生态学一区杂志《Water Research》发表了关于秦淮河合流导致的DOM诱导细菌群落转化的研究性文章“Response of bacterial community in composition and function to the various DOM at river confluences in the urban area”，影响因子7.913。

研究设计


为了评估了微生物群落的结构和代谢变化，DOM浓度和组成变化以及汇合时这些变化的关联。研究设计了一个室内实验，在不同的DOM介质接种相同的微生物群落，具体设计如下：

01：样品采集

本实验研究了位于中国南京的秦淮河流域四个典型的汇合区域，它们分别是秦淮河汇入长江的河口（SCE），城市内陆河交汇处（QHR），饮用水水源汇合城市河流点（DWS）和污水处理厂废水排放与河流的汇合处（JXZ）。

02：实验处理

培养基制备：对照组是超纯水1-L液体培养基。实验组采取从四个区域（SCE，QHR，DWS和JXZ）收集的水样制备1-L液体培养基。分别接种来自YR样品的相同细菌群落。
液体培养基最终稀释至浓度为17 mg Cl-1 。N和P分别以NH4-NO3（8.5 mg Nl-1）和NaH2-PO4（0.3 mg Pl-1）的形式添加，从而避免了氮和磷的限制。
实验是在15°C恒温摇床黑暗中进行。对DOM荧光和微生物分析进行了9次采样（分别在0、12、24、48、72、96、120、168和360 h）。

03：荧光检测DOM含量变化

04：高通量测序

对41个样品进行16S rRNA扩增子测序，检测细菌V3-V4区；PICRUSt 1.1.0预测了不同条件下细菌群落的功能。


研究结果


1、DOM浓度的变化
DOC浓度SCE> JXZ> DWS> QHR，其范围从9.55到16.3 mg/L。DOC是通过河口运到海洋的，因此河口地区的DOC比内陆河丰富。
PARAFAC分析在所有样品中鉴定出六种不同的EEM成分（下表），描述了数据中98.83%的变异性。Openfluor数据库中模型比较发现相似性≥93.8%。C1定义为芳香结构的微生物DOM；C2被归类为腐殖质和腐殖质，在水生环境（例如溪流、河流、河口、湖泊、湿地和架子海）中很常见；C3与蛋白质色氨酸样物质有关；C4显示了最大峰值强度的位置，该位置通常被称为海洋腐殖质峰M和陆地腐殖质峰A的组合。废水中JXZ样品同时存在C3和C4，含有更高含量的蛋白质和腐殖质（下图）。C5为蛋白样和单宁样的组合，具有较高的生物利用度。DWS和QHR等汇合区域的C5成分更为丰富（下图）。C6的荧光特性类似于腐殖质和色氨酸类DOM，在SCE和QHR样品中含量丰富（下图）。
这些结果表明，氨基样DOM可以在所有区域中被快速利用，并且在腐殖质类DOM含量高的汇合区，腐殖化过程将被加速。


2、细菌群落组成的变化
实验组细菌群落在组成上彼此不同，并在时间尺度上变化（下图）。在所有微生物群落中，优势菌群为Proteobacteria,Bacteroidetes和Actinobacteria。已有研究表明脂类和腐殖质类DOM可能强烈影响变形杆菌，而芳香族和腐殖质类DOM则强烈地影响放线菌。在地表水细菌群落中普遍存在且广泛分布的拟杆菌属，具有分解水解纤维素、淀粉多糖和碳水化合物的功能。
样品之间Deltaproteobacteria相对丰富差异显著（P <0.05）。随着时间的推移，不同处理之间的分类学差异明显。β-proteobacteria和Actinobacteria在所有条件下都有下降的趋势，并且JXZ处理中出现了β-proteobacteria的特定增殖。相反，α-proteobacteria相对丰度随着波动而增加；而Bacteroidetes则在开始时增加，其后减少。

门水平微生物群落相对丰度的分类组成。鉴定了细菌水平和放线菌水平。1-1至1-9代表SCE样本，2-1至2-9代表QHR样本，3-1至3-9代表DWS样本，4-1至4-9代表SCE样本JXZ和5-1至5-9表示对照的样本。


Deltaproteobacteria的丰度在对照液和其他DOM液之间转移。根据处理情况，细菌群落出现明显聚集（下图）。此外，各组中相同采样时间的微生物群落在分类学上相似。Cyanobacteria和Verrucomicbia距离更接近（下图）。

与对照组相比，添加了DOM的实验组细菌群落在组成上有所不同。ANOSIM分析还显示包括对照组内的五个DOM背景之间的差异显著（P <0.05）。而四个实验组均无显着差异（P = 0.107）。这表明DOM在微生物群落结构的形成及其影响中起着重要作用。
3、不同处理之间微生物群落功能比较
我们知道了DOM能够改变微生物群落组成，那么不同浓度的DOM影响下，微生物群落功能会出现什么样的变化呢？文章通过PICRUSt预测了微生物群落功能（下图）。
比较KEGG二级代谢途径的相对丰度，可以清楚地发现不同分组之间存在功能上的差异。指示代谢功能的途径在DWS中明显更高，这可能是由于DWS和接种的主要环境的相似性所致。在不同的DOM处理中，这些主要基因类别在微生物群落之间的丰度显着不同（P <0.05）。脂质代谢（醚脂质代谢）的活性JXZ> SCE> DWS> QHR。此外，腐殖质的DOM越多，在汇合将诱导出越活跃的脂质代谢。关于辅因子和维生素的代谢和氨基酸代谢（赖氨酸降解），其顺序为：QHR> DWS> SCE和DWS> SCE> QHR。
4、微生物群落与DOM，代谢功能和DOM组分共发生网络图
MIC分析提供了有关FI与实验结束时最丰富的细菌类群之间的直接关联信息（下图）。发现199、217、25和119个OTU分别与SCE，QHR，DWS和JXZ样本中的各种DOM组分相关。Actinobacteria，Bacteroidetes和Proteobacteria与DOM组分高度相关。不同OTU参与代谢具有各种特征的DOM组分。Alphaproteobacteria（OTU 3912），gammaproteobacteria（OTU 2010）和Verrucomicrobia（OTU 2902）在SCE和QHR中均与C2呈正相关，这意味着这些OTU接近于腐殖质样DOM。在SCE和JXZ中，Gemmatimonadetes和Planctomycetes与腐殖质和氨基酸相似，这两个门都存在于水生和陆地生态系统中。与其他DOM组件相比，类腐殖质组件C2、C4和C6与OTU的连通性更高。C1、C2和C4在JXZ中关系密切。

MIC分析中大多数蛋白质样和腐殖质样有机物都与OTU高度相关。可以推断，腐殖质样物质与大多数蛋白质或酪氨酸样物质与微生物紧密相连，这可能是由于其独特的功能组成和影响生态系统功能的缘故。
为了更好地了解DOM与微生物群落之间的关系，以进行利用和降解过程，在功能级别上进行了进一步的研究。通过Lefse和相关性分析，探索代谢功能与指示群体细菌之间的显着差异关系（P<0.01）。鞘氨醇单胞菌在各组之间有所不同，并且发现它们与DOM成分和代谢功能均显着相关。这些结果表明，不同河流汇合处的DOM来源、质量和总量各不相同，并且许多DOM组分重叠，这将导致微生物系统发生变化，并对水池或河流系统的代谢平衡产生重大影响。
总结
在天然内陆流域中，由接受河流及其输入河流组成的影响区非常复杂。源自不同河流和背景的各种DOM相互影响，并影响微生物群落和生态系统。本研究发现，在各组之间变形杆菌显示出与腐殖质样DOM的高度连通性，鞘氨醇单胞菌在城市地区的各种汇合处具有重要意义。在各种城市河流汇合处面对DOM时，同一微生物群落的代谢不同，像腐殖质的DOM聚合可以诱导更活跃的脂质代谢。当河流与河口或水源汇合时，碳代谢活跃。这项工作为研究各种DOM化合物的生物降解提供了一种方法，并为探索DOM和不同河道汇合处微生物群落之间的相互作用提供了理论基础。

【参考文献】

Response of bacterial community in composition and function to the various DOM at river confluences in the urban area. Water Research, 2019.

分享