Sci Total Environ丨鹽水入侵通過細菌介導的N-循環(huán)影響底棲魚種中NO2-的積累

英文名稱：Saltwater intrusion affecting NO2? accumulation in demersal fishery species by bacterially mediated N-cycling

中文名稱：鹽水入侵通過細菌介導的N-循環(huán)影響底棲魚種中NO2-的積累

雜志：Science of The Total Environment

影響因子：10.753

合作單位：中國水產科學研究院

研究背景

鹽水入侵(SWI)對淡水/河口河流生態(tài)系統(tǒng)有顯著影響，初步影響是干擾營養(yǎng)物的生物地球化學轉化。例如，海水驅動的水文效應會降低亞熱帶沿海生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物生物量和土壤酶的活性，并降低二氧化碳凈吸收的能力。此外，海水入侵增加可以減少河口潮汐濕地的氧化亞氮(N2O)排放，并對亞熱帶海洋水生生態(tài)系統(tǒng)產生負反饋。因此，SWI無疑改變了海豚和沿海棲息地的營養(yǎng)狀態(tài)和必需營養(yǎng)素的可用性。由于上述營養(yǎng)物質（如C、N）在SWI作用下發(fā)生改變，河口生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的組成和功能也會發(fā)生改變，因此，SWI對營養(yǎng)物質生物地球化學轉化的影響可能與微生物群落沿鹽度梯度的變化有關。

研究方法

微生物三代全長，宏基因組學測序，理化指標檢測

研究結果

在SWI條件下，環(huán)境參數的差異

• 從M1到M5的采樣點鹽度升高，每對采樣點之間有顯著差異（P < 0.05）；
• 與鹽度相似，隨著采樣點從M1到M5，水中電導率、TDS和NH4+濃度升高，而TN、NO3?、NO2?和TP濃度降低；
• M1到M5相同樣點沉積物中水分、電導率和NH4+濃度上調，NO3?和NO2?濃度下調，M1與M5間差異顯著(P < 0.05)，同時，M5處沉積物TOC濃度也略高于M1處（P < 0.05）

基于16S測序的SWI條件下細菌群落組成的差異

• NMDS分析顯示，沉積物中細菌群落的分類和功能組成比水中更加離散，特別是沉積物中的分類組成在M1和M5之間表現出明顯的差異；
• 水中的優(yōu)勢細菌類群是Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Bacteroidia，而沉積物中的優(yōu)勢細菌類群是Campylobacteria，γ變形菌和德爾塔變形菌；
• 主要微生物類群彎曲菌和Gammaproteobacteria在M1和M5間差異顯著(經FDR調整P < 0.05)，表明沉積物中這兩個類群可能存在差異以應對SWI；
• α多樣性表明，水中只有Chao1指數在M1和M5之間存在顯著差異(P < 0.05)。而沉積物中檢測到的所有α多樣性指數(Shannon,Chao1, Simpson)在M1和M5之間差異顯著(P <0.05)。這表明SWI對腸道細菌群落的影響大于對水的影響

基于宏基因組測序的SWI條件下沉積細菌群落的差異

• 由于SWI對沉積細菌群落有主要影響，對M1（低鹽度）和M5（高鹽度）進行了宏基因組測序。通過NMDS分析，沉積物細菌群落的病灶組成清晰分離；
• 除低豐度細菌類群和未分類類群外，OTUs在低鹽度下富集的細菌門，包括放線菌門、氯化菌門、脫硫菌門、厚壁菌門和變形菌門，而高鹽度的群落包括彎曲菌和普朗菌；
• 沉積性細菌群落中最豐富的15個細菌OTUs來自10個類別，其中彎曲桿菌和伽馬變形菌門是最重要的類群，各有3種。與此同時，有11個物種在高鹽度中富集，包括硫脲、硫單胞菌、彎曲桿菌、硫堿桿菌、熱厭氧菌等；

SWI條件下環(huán)境參數與沉積細菌群落的相關性

• db-RDA與Anova檢驗顯示，鹽度控制了水中細菌群落的分類和功能組成的變化，而沉積物中群落組成的差異與pH、電導率、NO3?、NO2?和NH4+密切相關，表明細菌群落對SWI條件下沉積氮形態(tài)有顯著影響（P < 0.05）；
• 使用Mantel檢驗計算群落組成和環(huán)境參數的Bray-Curtis差異，發(fā)現沉積細菌群落的電導率和NH4+與分類組成顯著相關（Mantel’s r = 0.962和974，P < 0.05）。同時，電導率和NH4+也與沉積細菌群落的功能組成密切相關（Mantel’s r = 0.962和0.985，P <0.05）。因此，SWI條件下沉積物細菌群落的組成受電導率和NH4+的驅動；
• SEM表明，細菌豐度直接影響NO2?、NO3?和NH4+的濃度，并通過改變細菌α多樣性間接影響NO2?和NH4+的濃度；
• 鹽度、電導率和細菌豐度之間存在正相關關系，沉積物中不同的氮形態(tài)有順序的參與；
• Pearson相關分析顯示，優(yōu)勢細菌分類群Sulfurovum sp.和sulphimonas sp.與氮形態(tài)(NO2?、NO3?和NH4+)和酶活性(NR和NiR)顯著相關（P < 0.05）；
• 結果表明SWI可以通過鹽度改變電導率來影響細菌的豐度和多樣性，從而影響沉積物中的氮循環(huán)

SWI條件下細菌功能基因與氮循環(huán)的相關性

• 功能基因通過KEGG途徑富集的結果表明，氮代謝相關功能基因在高鹽環(huán)境下的表達水平高于低鹽環(huán)境，而碳和氨基酸代謝相關功能基因在低鹽環(huán)境下的表達水平高于高鹽環(huán)境。這表明SWI通過建立鹽度梯度刺激氮循環(huán)；
• 氮循環(huán)途徑方式與KEGG中“甲烷代謝”、“乙醛酸鹽和二羧酸鹽代謝”、“雙組分系統(tǒng)”等類別密切相關，表明氮循環(huán)與上述三種途徑可能是共同響應SWI的途徑；
• 通過MetaBAT2分形分析獲得10個高質量基因組(完整度>90%，污染度<5%)，這些基因與氮循環(huán)相關。例如，Sulfurovum sp.同時參與了ANRA(基因nasA)和DNRA(基因ark)，脫硫菌科自養(yǎng)菌參與ANRA (NR基因)和固氮(nifB基因)，脫硫菌科細菌參與反硝化(基因norA和nosD)和固氮(基因nifU和nifH)；
• 由于參與反硝化過程的細菌種類更多，NiR的酶活性變化(14.5倍)高于NR(2.6倍)，表明SWI強烈影響了沉積物中NO2 -的變化。這些結果表明，SWI促進了氮循環(huán)的反硝化過程，減少了沉積物中NOx-N的滯留，特別是NO2?的滯留