16S rRNA全长测序揭示中国重度污染河口细菌群落的时空动态

背景

河口生态系统是一个淡水和海水自然交换的复杂环境，具有独特的物理化学和生物特征。辽河河口位于渤海辽东湾北部，是多种海洋生物的重要栖息地。人为干扰会破坏河口生态系统和海洋生物多样性，影响细菌群落结构和生活方式。因此，了解不同因素对细菌群落结构的影响对于评估河口生态系统的健康状况至关重要。

研究思路

从生境、季节、空间、生存状态四个维度对样本进行分类，共57个样本，三代全长16S测序分析，通过分析α多样性、β多样性、物种组成、差异物种来研究细菌群落的时空动态；

同时统计样本的环境参数（海水深度、温度、pH、盐度、溶解度、化学需氧量、总有机碳、水质中的悬浮物以及各种金属离子浓度）

分析流程

结论

1. 在沉积物样品中，无论在旱季还是湿季，大多数重金属在O区浓度高于N区；在季节差异上，O区含水率在雨季显著低于旱季；DO浓度沿N区向O区依次增加；在同一地区，除Cu浓度外，其他环境因子在不同季节间均无显著差异。

2. 沉积物和海水中细菌群落的α多样性分析

①生境：无论是雨季还是旱季，O区，沉积物的细菌群落多样性显著高于海水；

②空间：无论是雨季还是旱季，海水样本中，N区→M区→O区，细菌群落α多样性显著下降；

③生存状态：海水样本中，N区→M区→O区，细菌群落α多样性显著下降；沉积物样本中，N区→M区→O区，细菌群落α多样性显著上升；

④季节：在旱季，各地区PA菌α多样性显著高于FL菌

这些结果说明，季节、空间以及生存状态均可以造成细菌群落多样性差异。

3.物种组成分析

沉积物和海水中的细菌群落在门水平上存在差异。无论是沉积物还是海水中变形杆菌门都是最优势物种； Dadobacteria、Nitrospirae等只存在于沉积物样品中， Cyanobacteria和 Fusobacteria只存在于海水样品中。

4. β多样性分析

在属水平进行基于Bray-Curtis距离的UPGMA和PCoA分析，进一步了解海水和沉积物样品的菌群结构特征，并使用ANOSIM对菌群结构差异进行显著性判断。通过聚类树发现沉积物和水体样本分为两组，且在O区各分组观察到显著差异，表明生境类型是影响微生物群落结构的主要因素。

5. 差异物种分析

LEfSe分析研究了不同组间细菌群落的差异。LDA值大于4的类群如下图所示。DSO中差异丰富的微生物门为拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)和Verrucomicrobia。WSO中差异丰富的微生物门为酸杆菌门、拟杆菌门、氯氟酸门、Gemmatimonadetes门、Planctomycetes门和变形杆菌门。

6. 环境因素对细菌群落结果的影响

通过CCA分析确定影响群落结构的主要环境因素，通过Spearman系数来量化每个环境因子与每个物种的相关程度，使用p值评估相关显著性。沉积物中，Zn和Sand是主要影响因素，N区优势菌Gillisia与Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Clay呈负相关，O区优势菌Woeseia与Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、Clay呈正相关；在海水中，Cu、Sal、T、Zn是影响PA细菌群落结构的主要环境因子，Cu和Sal是显著影响FL细菌群落结构的主要环境因素。

总结

本研究采用16s全长测序对辽河口细菌群落结构进行了研究，按照四个维度进行分析。发现在海水中，无论是PA细菌还是FL细菌，α多样性较高的区域在旱季为近岸区，在雨季为中游区。近岸区沉积物和海水样品中细菌群落在属水平上存在差异，生境类型是主要影响因素。与 Cyanobium_PCC-6307、假单胞菌和弧菌相关的指示性分类群进一步证明可能存在水华、原油和病原体污染。总体而言，本研究结果将有助于了解细菌群落和人为活动对辽河河口的影响。