发表期刊：Science of the Total Environment (IF=7.963)
发表时间：2021
样本类型：土壤沉积物
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.1512
研究背景
了解富营养化对潮汐滩地生态系统的影响，有利于沿海生态系统的恢复和管理。本文研究了在不同富营养化水平下的潮汐滩地沉积物中细菌和古细菌群落的多样性、群落组成、构建机制和潜在的代谢功能。
实验设计
本研究在江苏沿岸潮汐滩地的两个纵向剖面（XS段和DL段）上进行。2020年8月，在XS段（34°N，119°E）和DL段（33°N，120°E）分别设置了6个（X1-X6）和5个采样点（D1-D5）。具体采样方式如图1所示，在两个研究区段共采集了55份沉积物样本。
图1 采样地区域概况和采样方式
研究结果
01 沉积物样本的理化性质
研究结果表明，两个研究区段XS和DL之间的沉积物理化性质存在显著差异。TN、DIN、NH4+-N和NO2−-N在XS段明显高于DL段（P<0.001），而TOC则相反（图2）。
图2 两个研究区段沉积物理化参数比较。（***, P<0.001; **,P<0.01; *, P < 0.05.）
采用典范对应分析（CCA）和多元回归树分析（MRT），探讨两个研究区微生物群落的分布格局，并进一步评估环境变量与微生物群落的相关性。如图3A和B所示，氨和盐度是导致细菌和古细菌群落独特结构的主要影响因子。TN和pH分别对细菌和古细菌的影响有限。对于细菌群落，MRT第一次分割是以氨的浓度为2.423 mg/kg为节点，将55个样本分为了两组，第一组36个样本，第二组19个样本；第二次分割是以盐度2.92%为节点，将19个样本分成了2组（图3C）。对于古细菌群落，MRT第一次是以盐度值2.92%为节点，将55个样本分为两组（19和36个样本），第二次分割是以全氮1449 mg/kg为节点，将3个样本分为2组（33和3个样本）（图3D）。MRT结果表明，NH4+-N（阈值为2.423mg/kg）是影响细菌群落分布的最显著变量；盐度和全氮对古细菌群落分布有显著的影响。
图3 主要理化性质对微生物群落的影响 A，B，细菌群落和古细菌群落的CCA分析；C，D，细菌群落和古细菌群落多元回归树（MRT）分析。
02 细菌和古细菌群落的多样性和结构特征
为了进一步探索氮对微生物群落的影响，基于上述结果，本研究将XS段定义为高氮区，而将DL段定义为低氮区。探究纵向和垂直方向上细菌和古细菌群落多样性的变化，比较了chao指数，如图4。
低氮区细菌和古细菌群落的chao指数随着样本距离的不断增大而呈现显著下降的趋势。高氮区从水平角度看，表层和地下层样本细菌群落的chao指数变化相对均匀，而表层样本中古细菌群落的chao指数变化也较小，样本间α多样性差异不显著。
图4 高氮区（A、C）和低氮区（B、D）细菌和古细菌群落在纵向和垂直方向上chao值数分布。
作者对不同分组尺度上样本中微生物群落的聚类情况开展了NMDS分析以及ANOSIM验证（图5）。微生物群落在低氮区被分为三个较为分散的组，细菌和古细菌群落结构存在显著的差异（P<0.001）。高氮区的样本在不同距离上细菌和古细菌群落没有明显的差异（P=0.146，P=0.296）。在垂直方向不同深度上，高氮区的表层样本和下层样本中微生物群落的多样性结构有显著差异性（P=0.045，P=0.009），且显著程度均大于低氮区（P=0.572，P=0.02）。
图5 细菌(A)和古细菌(B)群落的纵向和垂直分布的非度量多维尺度（NMDS） 样本按深度和距离进行分组 ，不同的组以颜色和形状显示。每个图中都显示了样本组之间的ANOSIM检验值。
03 细菌和古细菌群落构建过程
本研究基于Stegen零模型方法计算了beta最邻近指数（beta-nearest taxon index，βNTI）和基于Bray-Curtis的Raup Crick 距离（Bray-Curtis based Raup-Crick，RCbray），将微生物群落构建分为5个生态过程。分析结果表明，细菌群落的构建主要由确定性过程（同质选择和异质选择）主导；古细菌群落的构建主要由随机性过程（均质扩散、扩散限制和生态漂变）主导（图6A）。其中，扩散限制对古细菌群落（19.5%）的影响大于细菌群落（0.8%），且同质选择对于细菌和古细菌群落的构建均起到了关键的作用。两个区域中，相比于不同深度，不同距离间样本的细菌和古细菌群落差异更大（图6B-C）。
图6 细菌和古细菌群落构建过程 A，高氮区和低氮区微生物群落的构建过程；B，C，不同深度下和不同距离微生物群落相似性分析。
04 细菌和古细菌群落的代谢潜力的变化
在氮转化过程中，高氮区细菌反硝化功能基因norC和nirK的预测丰度显著高于低氮区（P<0.05），且nosZ基因也趋于较高，但结果并不显著（图7A）。低氮区细菌异化硝酸盐还原为铵态氮功能基因nrfA的预测丰度高于高氮区（P<0.05）。对于古细菌（图7B），只有固氮基因nifH的预测丰度在高氮区明显高于低氮区（P<0.05），即预测的固氮潜力较高。与细菌相比，古细菌在高氮区的碳代谢潜力和甲烷代谢潜力明显高于低氮区（P<0.01，图7C和D）。与低氮区NH4+-N对微生物群落的显著正调控不同，NH4+-N与高氮区细菌群落结构呈负相关，与古菌可能呈负相关（图7E-F）。
图7 在XS和DL中，细菌和古细菌群落的预测功能潜力 氮转换基因（A和B）的预测丰度和碳代谢的预测强度（C和D）的差异；通过结构方程分析（E和F）预测环境变量对氮和碳代谢潜力的潜在影响途径。
综上所述，本研究表明氮和盐度是影响潮汐滩地微生物群落多样性、结构和构建过程的关键因素，加深了对潮汐滩地细菌和古细菌群落结构及其对氮污染潜在功能的认识。
参考文献:
Effects of nitrogen on the longitudinal and vertical patterns of the composition and potential function of bacterial and archaeal communities in the tidal mudflats. Science of the Total Environment, 2021.
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