Eff ects of organic carbon consumption on denitrifi er community composition and diversity along dissolved oxygen vertical profi les in lake sediment surface

湖泊沉積物表面有機碳消耗對溶解氧垂直剖面反硝化菌群落組成及多樣性的影響

來源：Journal of Oceanology and Limnology  doi.org/10.1007/s00343-019-9103-z

 

論文摘要

本研究探討了在湖泊表層沉積物中，有機碳消耗 對不同溶解氧（DO）垂直剖面層（好氧層、缺氧-厭氧層、厭氧層）中反硝化細菌群落組成和多樣性的影響。通過使用丹麥Unisense微電極精確測定沉積物-水界面的DO微剖面，將表層沉積物（0-6 mm）劃分為好氧層（AEZ, 0-2 mm, DO 0.5-6.9 mg/L）、缺氧-厭氧層（HAZ, 2-4 mm, DO 0-0.5 mg/L）和厭氧層（ANZ, 4-6 mm, DO 0 mg/L）。研究采用高通量測序和定量PCR（靶向nirS基因） 技術，分析了高有機碳和低有機碳條件下反硝化細菌的豐度、群落結構和多樣性。結果表明，反硝化細菌（nirS基因）的豐度隨有機碳消耗而降低，但其相對豐度（nirS/16S rRNA比值）在缺氧-厭氧層出現(xiàn)峰值。有機碳消耗顯著改變了各DO層中反硝化細菌的物種豐度（如Azoarcus, Arenimonas等屬），并影響了群落的α和β多樣性。研究揭示了反硝化細菌在沉積物垂直尺度上的生態(tài)位分異，以及其對碳源可利用性的適應性響應。

 

研究目的

 

揭示湖泊表層沉積物中，有機碳消耗如何影響不同DO層（好氧、缺氧-厭氧、厭氧）中反硝化細菌的豐度、群落組成和多樣性。

探究反硝化細菌群落沿DO垂直梯度的分布規(guī)律，特別是確定其主要的富集區(qū)域。

闡明有機碳可利用性作為關鍵環(huán)境因子，對反硝化細菌群落結構的塑造作用。

 

為理解富營養(yǎng)化湖泊沉積物氮循環(huán)的微生物機制提供新的見解，并為湖泊治理策略提供科學依據(jù)。

 

研究思路

研究采用了 “現(xiàn)場采樣-室內微宇宙培養(yǎng)-分層檢測-多組學分析” 的思路：

 

樣品采集與培養(yǎng)：從富營養(yǎng)化的滇池采集表層沉積物（0-20 mm），在實驗室PVC柱中進行為期30天的微宇宙培養(yǎng)，模擬上覆水營養(yǎng)鹽條件。

DO剖面精確測量與分層：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位、高分辨率地測量沉積物-水界面的DO垂直微剖面，根據(jù)DO濃度精確劃分出好氧層（AEZ）、缺氧-厭氧層（HAZ）和厭氧層（ANZ）。

有機碳消耗設定：在培養(yǎng)的第10天（高有機碳含量）和第30天（低有機碳含量）分別取樣，以模擬有機碳消耗過程。

多維度數(shù)據(jù)分析：

 

化學分析：測量各層沉積物的總有機碳（TOC）和溶解性有機碳（DOC）。

 

分子生物學分析：利用qPCR定量反硝化功能基因（nirS）和總細菌（16S rRNA）的豐度；通過Illumina MiSeq平臺對nirS基因進行高通量測序，分析群落組成、結構和多樣性（如Chao1、Observed OTUs指數(shù)）。

 

統(tǒng)計與驗證：運用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）、非度量多維尺度分析（NMDS）和相似性分析（ANOSIM）等統(tǒng)計方法，驗證DO層和有機碳消耗對反硝化群落的顯著影響。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來源）

研究測量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

溶解氧（DO）垂直微剖面：

 

意義：精確界定了沉積物表層三個關鍵的氧化還原微環(huán)境（好氧、缺氧-厭氧、厭氧），為研究反硝化菌群的垂直分布提供了至關重要的環(huán)境背景。數(shù)據(jù)顯示氧氣滲透深度約為2.0-2.5 mm。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖1。

 

反硝化細菌（nirS）豐度與相對豐度：

 

意義：qPCR結果顯示，nirS基因絕對豐度隨有機碳消耗而降低，但其相對豐度（nirS/16S）在缺氧-厭氧層（HAZ）最高。這表明缺氧-厭氧層是反硝化細菌生態(tài)位的“熱點區(qū)”，即使碳源減少，反硝化菌在此仍保持較高的比例。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖2a-c。

 

反硝化細菌群落組成（屬水平）：

 

意義：揭示了優(yōu)勢反硝化菌屬（如Azoarcus, Arenimonas, Planctomycetales_noname等）在不同DO層和碳條件下的動態(tài)變化。有機碳消耗導致不同菌屬的豐度發(fā)生顯著增加、減少或無變化，表明不同反硝化菌對碳源的競爭能力和適應性存在差異。

 

 

 

來源：數(shù)據(jù)見圖3和圖4。

 

反硝化細菌群落結構（β多樣性）：

 

意義：NMDS分析顯示，不同DO層以及高/低有機碳條件下的反硝化菌群落結構顯著分離。這表明DO和有機碳共同驅動了反硝化菌群的空間分異，形成了獨特的微環(huán)境特異性群落。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖5。

 

反硝化細菌群落多樣性（α多樣性）：

 

意義：Chao1和Observed OTUs指數(shù)表明，有機碳消耗對多樣性的影響因DO層而異（如在好氧層和厭氧層多樣性增加，在缺氧-厭氧層降低）。這反映了環(huán)境過濾和種間競爭在塑造群落多樣性中的復雜作用。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖6及正文中關于多樣性指數(shù)的描述。

 

有機碳含量（TOC, DOC）：

 

意義：雙因素方差分析證實TOC和DOC含量隨時間和沉積深度顯著變化，且與反硝化菌豐度和多樣性顯著相關。這直接證明了有機碳是調控反硝化菌群動態(tài)的關鍵資源因子。

 

來源：數(shù)據(jù)見表1。

 

研究結論

 

垂直分布格局：反硝化細菌在湖泊表層沉積物中呈現(xiàn)垂直分層分布。缺氧-厭氧層（2-4 mm深度）是反硝化細菌的主要富集區(qū)，其相對豐度最高。

碳源驅動群落變化：有機碳消耗是驅動反硝化細菌群落組成和結構變化的關鍵因素。不同菌屬對碳源減少的響應各異（有的增加、有的減少、有的穩(wěn)定），導致了群落的適應性演替。

微環(huán)境特異性：不同DO層（好氧、缺氧-厭氧、厭氧）孕育了獨特的反硝化細菌群落，表明溶解氧梯度是導致群落生態(tài)位分異的重要環(huán)境過濾器。

 

生態(tài)啟示：在富營養(yǎng)化湖泊中，沉積物表層的碳源動態(tài)和氧化還原梯度共同調控著反硝化菌群，進而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的氮去除功能。保護或管理沉積物有機質輸入可能對調控氮循環(huán)至關重要。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的溶解氧（DO）微電極系統(tǒng)被用于高分辨率地測量沉積物-水界面的DO垂直微剖面（數(shù)據(jù)見圖1）。

詳細研究意義如下：

 

實現(xiàn)毫米級精度的環(huán)境分層：Unisense微電極的關鍵優(yōu)勢在于其極高的空間分辨率（微米級），能夠無損地原位測量沉積物中DO濃度的細微變化。本研究利用該技術，成功地將僅6毫米厚的表層沉積物精確劃分為三個功能迥異的氧化還原微區(qū)：好氧層（AEZ）、缺氧-厭氧層（HAZ）和厭氧層（ANZ）。沒有這種高精度的測量，如此細微尺度的環(huán)境分層和后續(xù)的生物學分析將無法實現(xiàn)。

為群落分析提供可靠的環(huán)境背景：獲得的DO微剖面數(shù)據(jù)（圖1）是解釋反硝化細菌垂直分布格局的基石。它確鑿地證明了反硝化菌豐度峰值（圖2）出現(xiàn)在特定的DO閾值區(qū)間（HAZ, DO 0-0.5 mg/L），而非均勻分布。這直接將微生物的分布與物理化學環(huán)境梯度聯(lián)系起來，為“環(huán)境選擇塑造微生物群落”的生態(tài)學理論提供了堅實的實證證據(jù)。

揭示反硝化功能的“熱點”區(qū)域：通過精確界定HAZ層，Unisense數(shù)據(jù)幫助研究者發(fā)現(xiàn)了反硝化功能的“熱點”。這表明在湖泊沉積物中，最活躍的氮流失過程并非發(fā)生在最表層的氧化環(huán)境或最深層的厭氧環(huán)境，而是在這個狹小的過渡帶。這對于準確量化湖泊的氮收支和建立更精確的生物地球化學模型具有重要意義。

 

技術優(yōu)勢凸顯生態(tài)學發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)破壞性采樣和分層方法相比，Unisense微電極的原位、實時測量避免了樣品氧化或擾動的風險，確保了DO數(shù)據(jù)的真實性。其高分辨率使得在微小尺度上研究微生物生態(tài)成為可能，極大地提升了對沉積物微環(huán)境異質性和其生態(tài)功能的認識深度。

 

綜上所述，使用Unisense微電極獲得的DO微剖面數(shù)據(jù)，是本研究的核心技術和關鍵支撐。它不僅是簡單測量一個參數(shù)，而是從根本上定義了研究的空間框架和生態(tài)語境，使得后續(xù)關于反硝化菌群對DO和碳源響應的所有精細分析成為可能，并最終引領了關于沉積物氮循環(huán)微生物機制的新發(fā)現(xiàn)。