Vertical distribution and community composition of anammox bacteria in sediments of a eutrophic shallow lake

富營養化淺湖沉積物中厭氧氨氧化細菌的垂直分布及群落組成

來源：Journal of Applied Microbiology ISSN 1364-5072

 

論文概述

研究聚焦于中國太湖這一典型的富營養化淺水湖泊，通過探究不同營養水平（高氮HN和低氮LN）站點沉積物柱狀樣中anammox細菌的垂直分布、相對豐度、群落組成和多樣性，揭示了其沿氧化/缺氧剖面的特定變化規律，并評估了環境因子對其的影響。

1. 摘要核心內容

摘要指出，富營養化是一個全球性的生態環境問題。厭氧氨氧化（anammox）過程是氮循環的關鍵環節，但關于anammox細菌在富營養化淺水湖泊氧化/缺氧沉積物剖面中的垂直分布和群落組成知之甚少。本研究利用基于Illumina Miseq的測序和定量PCR技術，分析了沉積物中anammox細菌肼合酶（hzsB）基因的相對豐度（與細菌16S rRNA基因相比）、anammox細菌相對豐度（anammox序列數占總序列數的比例）、群落組成和多樣性。結果表明，在低氮（LN）站點，沉積物中hzsB基因的相對豐度隨深度增加呈現先升高至峰值后降低的垂直分布模式。此外，高氮（HN）站點的hzsB基因相對豐度顯著低于LN站點。群落組成結果顯示，Candidatus Brocadia sp.是優勢屬。anammox細菌的多樣性也具有地點特異性。冗余分析（RDA）表明，總氮（TN）和銨態氮（NH??-N）含量可能是影響研究站點anammox細菌群落組成的最重要因素。結論揭示了富營養化淺水湖泊氧化/缺氧沉積物中anammox細菌分布和群落組成的特定垂直變化。本研究的意義在于首次證明了anammox細菌在淡水沉積物中表現出特殊的分布模式，這意味著其對人為富營養化有強烈的響應。

2. 研究目的

本研究的主要目的是探究淺水湖泊氧化/缺氧沉積物剖面中厭氧氨氧化（anammox）細菌相對豐度和群落組成的垂直分布特征。具體而言，研究旨在：

 

比較不同營養水平（高氮HN vs. 低氮LN）站點之間anammox細菌豐度和群落的差異。

揭示anammox細菌沿沉積物深度（0-10 cm）的垂直分布規律。

識別影響anammox細菌分布和群落組成的關鍵環境驅動因子。

 

評估人為富營養化對淺水湖泊沉積物中anammox細菌生態的影響。

 

3. 研究思路

研究采用了現場采樣、室內分析與統計學方法相結合的綜合思路：

 

選址與采樣：在太湖梅梁灣選擇兩個具有顯著營養梯度差異的站點——高氮（HN）站點（受城市廢水和農田徑流影響）和低氮（LN）站點（開放水域）。于2015年8月采集沉積物柱狀樣（圖1）。

 

分層與化學分析：將巖芯按深度分層（0-1, 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-10 cm），立即測量溶解氧（DO）（使用Unisense微電極），并分析各層的pH、總氮（TN）、銨態氮（NH??-N）、硝態氮（NO??-N）、亞硝態氮（NO??-N）、總有機碳（TOC）和溶解有機碳（DOC）含量（表1）。

 

分子生物學分析：

DNA提取與qPCR：提取各層沉積物DNA，使用qPCR定量anammox細菌的特異性標志基因（hzsB）和總細菌的16S rRNA基因的拷貝數，以計算anammox細菌的相對豐度（圖2a-c）。

 

高通量測序：對細菌16S rRNA基因的V3-V4區進行Illumina Miseq測序，從序列中篩選出屬于Brocadiales目（anammox細菌）的序列，分析其群落組成、多樣性和相對豐度（圖2d, 3, 4）。

 

 

 

統計分析：運用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）比較站點和深度的影響，Pearson相關分析和回歸分析探究環境因子與生物學參數的關系，冗余分析（RDA）揭示環境因子對anammox細菌群落結構的驅動作用（圖5, 表2, 表3）。

 

 

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

測量的數據類型與意義

 

沉積物化學性質（來自 圖1 和 表1）

 

數據：溶解氧（DO）、pH、總氮（TN）、銨態氮（NH??-N）、硝態氮（NO??-N）、亞硝態氮（NO??-N）、總有機碳（TOC）、溶解有機碳（DOC）。

 

研究意義：定量表征了沉積物不同深度的氧化還原狀態和營養水平。數據顯示DO在約1.5 cm深處降至接近0，確立了氧化/缺氧界面的位置。HN站點的TN、TOC、DOC、NH??-N含量均顯著高于LN站點，成功創建了研究所需的不同營養水平的環境梯度，為解釋anammox細菌的分布差異提供了環境背景。

 

基因豐度（來自 圖2a-c）

 

數據：hzsB基因拷貝數（anammox細菌）、16S rRNA基因拷貝數（總細菌）、hzsB/16S rRNA比值（anammox細菌相對豐度）。

 

研究意義：直接量化了anammox細菌的絕對和相對數量在空間（站點）和垂直維度（深度）上的變化。關鍵發現包括：① LN站點anammox細菌豐度隨深度呈先增后減的趨勢（2-4 cm處最高）；② HN站點的anammox細菌相對豐度顯著低于LN站點。這直接證明了營養水平對anammox細菌豐度的抑制效應。

 

群落相對豐度與組成（來自 圖2d, 3, 4）

 

數據：基于測序的anammox細菌相對豐度（占總數%）、屬水平組成（Ca. Brocadia, Ca. Kuenenia, Ca. Anammoxoglobus）、OTU分布。

 

研究意義：揭示了anammox細菌群落的物種身份及其比例關系。結果表明Ca. Brocadia是絕對優勢屬（占83.5%-100%）。HN站點Ca. Kuenenia幾乎完全缺失，而LN站點各深度均有分布，表明Ca. Kuenenia對高營養環境可能更敏感，或與Ca. Brocadia存在競爭關系。

 

群落多樣性指數（來自 表2, 表3）

 

數據：Chao1（豐富度）、Shannon和Simpson指數（多樣性）、Shannon均勻度。

 

研究意義：反映了anammox細菌群落的物種數目和分布均勻性。HN站點的豐富度（Chao1）和多樣性（Shannon）指數顯著低于LN站點，表明高營養水平可能降低了anammox細菌的多樣性?；貧w分析顯示TOC、DOC、NH??-N含量與多樣性指數顯著相關。

 

環境因子與群落的關聯（來自 圖5）

 

數據：RDA排序圖顯示anammox細菌群落結構與環境因子的關系。

 

研究意義：識別出驅動anammox細菌群落結構變化的關鍵環境因子。RDA分析表明，總氮（TN）和銨態氮（NH??-N）含量是解釋群落變異的最重要因素（R2=0.769和0.460），這將微生物群落動態與具體的環境化學參數直接聯系起來。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

獨特的垂直分布模式：在低營養（LN）站點，anammox細菌的相對豐度（hzsB基因）沿沉積物深度呈現先增加后減少的趨勢，在2-4 cm深度處達到峰值。這是首次在淡水沉積物中報道anammox細菌的這種特定垂直分布模式。

營養水平的抑制效應：高營養（HN）站點的anammox細菌相對豐度顯著低于低營養（LN）站點。這表明人為富營養化可能抑制了湖泊沉積物中anammox細菌的豐度。

群落組成與優勢種：Candidatus Brocadia sp.是太湖沉積物中anammox細菌的絕對優勢屬（占83.5%-100%）。Ca. Kuenenia在HN站點幾乎檢測不到，表明其可能對高營養環境更為敏感。

多樣性的地點特異性：anammox細菌的群落多樣性（豐富度和Shannon指數）在HN站點顯著低于LN站點，表明富營養化會降低anammox細菌的多樣性。

關鍵環境驅動因子：總氮（TN）和銨態氮（NH??-N）含量是影響anammox細菌群落組成和分布的最重要環境因素。

 

對富營養化的響應：綜上所述，研究證明了anammox細菌的分布、豐度和群落結構對人為引起的湖泊富營養化具有顯著的響應，為評估人類活動對水生生態系統氮循環功能的影響提供了重要依據。

 

6. 詳細解讀：Unisense電極測量數據的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的溶解氧（DO）微電極進行了關鍵的原位測量。

測量數據：該微電極（尖端直徑90-110μm）以高空間分辨率（200μm間隔）測量了沉積物-水界面以下溶解氧（DO）濃度的垂直剖面（圖1）。

詳細研究意義解讀：

 

精確界定氧化還原臨界深度：Unisense微電極的高分辨率測量能力使其能夠精確描繪出溶解氧在沉積物中的垂直衰減曲線。數據清晰顯示，DO濃度從水-沉積物界面的~310 μmol L?1迅速下降，并在約1.5 cm深處降至接近0。這精確確定了沉積物中氧化層與缺氧層的分界深度，為整個研究提供了至關重要的背景框架。

為解釋生物分布提供核心環境參數：Anammox細菌是嚴格厭氧微生物，其對氧氣極其敏感（>2 μmol L?1即可能抑制其活性）。因此，DO的垂直分布直接決定了anammox細菌的潛在棲息地范圍。Unisense數據證實了盡管是淺水湖泊，其沉積物中依然存在明確的缺氧區（>1.5 cm），這為anammox細菌的存在提供了可能。同時，數據顯示HN站點的DO下降速率比LN站點更快，這可能與HN站點更高的有機質含量和耗氧呼吸作用有關。這為解釋兩個站點anammox細菌豐度和群落差異提供了一個關鍵的環境視角。

鏈接物理化學與生物學過程：Unisense電極提供的高精度DO數據是連接沉積物地球化學（如有機質礦化耗氧）和微生物學過程（如anammox細菌的分布）的橋梁。沒有這份準確的DO剖面數據，研究人員將難以判斷觀察到的anammox細菌垂直分布模式（如LN站點在2-4 cm處的峰值）是源于氧氣的限制，還是其他因素（如底物 availability）的驅動。數據顯示峰值出現在缺氧區內部，排除了氧氣本身的直接抑制，從而促使研究者從營養競爭（如與硝化細菌、反硝化細菌對底物的競爭）等角度去深入探索其成因。

 

支撐富營養化影響的機制闡釋：研究發現HN站點的anammox細菌豐度更低。Unisense的DO數據表明兩個站點都具有相似的缺氧環境（>1.5 cm深度），因此缺氧條件本身不是導致豐度差異的主要原因。這將研究者的注意力引向了其他伴隨富營養化發生的因素，如更高的氮負荷、有機質含量以及可能更激烈的微生物間競爭。因此，DO數據幫助排除了一個潛在干擾因素，強化了“營養水平本身（如高氮）抑制anammox細菌”這一核心結論的可靠性。

 

綜上所述，Unisense微電極提供的并不僅僅是幾個溶解氧數值，而是一份關于沉積物氧化還原結構的高分辨率地圖。這份地圖是理解所有后續生物學數據（豐度、群落、多樣性）的基石。它定義了anammox細菌的生存邊界，排除了關鍵的環境假說，并最終將觀察到的微生物學模式與人為富營養化的環境脅迫有力地聯系起來。沒有這份由Unisense電極提供的可靠、高分辨率的物化數據，對anammox細菌生態功能的解讀將缺乏堅實的環境基礎。