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(chǎn)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(zhuǎn)化。例如，海水驅(qū)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(chǎn)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(zhì)（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(zhì)生物地球化學轉(zhuǎn)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(jié)果

在SWI條件下，環(huán)境參數(shù)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(diào)，NO3?和NO2?濃度下調(diào)，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(xiàn)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(jīng)FDR調(diào)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(shù)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(shù)(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(shù)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(shù)的Bray-Curtis差異，發(fā)現(xiàn)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(qū)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(jié)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(jié)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(zhì)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(jié)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