象山港5种典型生境沉积物反硝化细菌丰度和群落结构特征研究

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氮污染及近海富营养化是全球海洋面临的重大环境问题之一。随着人类活动的加剧,近海氮浓度增加引起的赤潮等现象日益显著。反硝化作用是氮循环的重要环节之一,可把游离的NO3-还原成为气态N2进入大气中,能够有效去除海洋氮素并缓解海洋的氮污染问题,因此,反硝化在近海的环境治理中以及氮素的全球化循环中起着重要的作用。而反硝化细菌作为参与反硝化作用的重要生物类群也逐渐受到关注。定量研究沉积物反硝化细菌丰度、表征其群落结构特征进一步探究影响其群落重要环境因素,对于阐明反硝化微生物群落在近岸氮的全球化循环过程的作用具有重要意义。为了进一步探讨其在氮循环及全球气候变化中的作用提供理论支持。象山港是一个半封闭性狭长的港湾,位于浙江省中北部沿海区域,近几十年来,由于陆源输入增加和水产养殖活动,使得象山港水域的水体富营养化加剧。本研究采集了2019年3月象山港5种典型生境(牡蛎养殖区OR、海带养殖区SA、自然岛礁区IR、人工鱼礁区AR和自然海域CA),以及2018年11月象山港牡蛎养殖区及周边自然海域的沉积物样品,研究了象山港沉积物反硝化细菌丰度和群落结构(q PCR和高通量测序技术),分析了环境因子与反硝化细菌群落之间的相关性(RDA分析等)。本研究的主要结果如下:1.象山港5种典型生境中沉积物反硝化细菌丰度及群落结构(1)象山港5种生境间沉积物的nirK型反硝化细菌的丰度均值为2.68×107拷贝数/g,nirS型反硝化细菌的丰度均值为7.33×109拷贝数/g。象山港5种生境间沉积物nirK型反硝化细菌丰度没有显著性差异(P>0.05),而nirS型反硝化细菌丰度表现为鱼礁区与其他区域显著不同(P<0.05),丰度排序为:ARnirK型(P<0.05)。(2)RDA分析结果表明,沉积物TOC显著影响nirK型反硝化细菌群落(P<0.05),而nirS型反硝化细菌群落与各理化因子的相关性均不显著(P>0.05)。沉积物ORP、含水率和间隙水DIN在5种生境间均没有显著性差异(P>0.05),而沉积物TOC和TON在5种生境类型间显著不同(P<0.05),沉积物TOC大小为:IR>SA=OR>AR=CA,沉积物TON大小排序为:IR=OR>SA=AR=CA。(3)通过非度量多维排序(NMDS)和一维相似性分析(ANOSIM),象山港5种典型生境间沉积物nirK型和nirS型反硝化细菌均显著不同。AR中nirK型反硝化细菌群落与其它4种生境显著不同(Global R=0.581,P<0.001);AR中nirS型反硝化细菌群落结构与OR、IR和CA均显著不同(Global R=0.447,P=0.002)。(4)系统发育分析表明,象山港五种生境的沉积物中nirK型反硝化细菌的优势类群是马比基杆菌Mabikibacter、红杆菌科Rhodobacteraceae和交替单胞菌目Alteromonadales,以及不可培养类群的Cluster B簇。nirS型反硝化细菌的优势类群是硫发菌目Thiotrichales和红螺菌目Rhodospirillales。建树比对发现象山港五种生境的沉积物中大部分nirK和nirS序列与Gen Bank中最相似序列来源于海湾、河口(象山港海湾沉积物,九龙江沉积物和东海沉积物)等环境。与已知纯培养序列相似性不高,指示象山港沉积物中存在大量新颖的反硝化类群,有较高的研究意义。本研究揭示象山港5种典型生境沉积物中均有着高丰度的nirS和nirK型的反硝化细菌;较其它4种典型生境,AR丰度较其他区域最低,群落结构也显著不同,有着明显的区域间隔。2.象山港牡蛎养殖对海洋沉积物反硝化细菌群落的影响研究(1)2018年11月对牡蛎区养殖区与周边自然海域沉积物中的反硝化细菌丰度探究发现,nirK型反硝化细菌在牡蛎区的丰度均值为1.52×107拷贝数/g,在自然海域为1.54×107拷贝数/g。nirS型反硝化细菌在牡蛎区的丰度均值为4.79×109拷贝数/g,在自然海域为4.85×109拷贝数/g。沉积物nirK型和nirS型反硝化细菌丰度在牡蛎区养殖区和自然海域间无显著差异(P>0.05)。在每种生境中,nirS型反硝化细菌丰度均显著高于nirK型。(2)RDA分析显示沉积物nirK型和nirS反硝化细菌群落与环境因子并无显著相关性(P>0.05)TOC、TON、含水率、沉积物ORP、间隙水DIN在自然海域与牡蛎区间没有显著性差异(P>0.05)。(3)非度量多维排序(NMDS)结果显示两个生境中沉积物nirK型和nirS型反硝化细菌群落并无显著差异(P>0.05)。
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