论地下河口微生物领域的隐性多样性和生态位特化

　　文|煮酒
　　图|煮酒
　　在可渗透的地下陆地-海洋界面中，海水与沿海含水层内的新鲜地下水混合，最终形成了地下河口。在那里，陆地衍生的溶质，如营养物质，微量元素和有机污染物被转移到海岸，它们可以调节初级生产并引发富营养化。 陆地地下水在海上的排放属于更广泛的海底地下水排放现象。SGD是指流经海底到沿海水域的所有水，包括在沉积物和陆地地下水内再循环的海水。潮汐、波浪和陆地水力强迫等驱动因素的组合，在沿海含水层的向海端产生了复杂的平流孔隙水动力学，支持化学反应区，在产生的混合物排放到沿海水域之前，改变陆地地下水和进入它的海水的成分。
　　最近，由于STE（氮生产）中发生了微生物过程的多样性，沿海含水层微生物组引起了人们的关注。与陆地含水层中的相对稳定性相比，STE的微生物群落能够适应其直接环境的快速和波动变化。
　　对STE内微生物群落结构的研究，揭示了这些系统在海岸化学元素周转中的潜在作用，关于局部酸化和沿海含水层食物网的支持。 从这些研究中获得的见解包括确定粪便和病原体污染的潜在指标，以及废水处理和生物修复的潜在有用分类群。然而，微生物组成与STE的物理和地球化学特征之间的联系仍然描述得很差。可用的有限环境信息阻碍了对 STE 中微生物群落结构和组成的地球化学驱动因素的鉴定。
　　为此，我们研究了原核生物群落多样性和组成的时空模式，以及两种不同STE的原核丰度和异养产生。与此同时，我们对环境地球化学进行了广泛的表征，包括溶解的有机物，尽管有证据表明它是决定性的，但在STE中经常被忽视为环境驱动因素。我们还分析了原核核心类群与STE生物地球化学功能相关的共生模式。
　　孔隙水生物地球化学
　　Panxón和Ladeira，位于比戈河的拜奥纳湾。大陆地下水排放是维戈河的重要淡水来源，特别是在 STE 所在的拜奥纳湾内部。潘克松和拉德拉海滩的内部包含孔隙水域222Rn，活动大大超过了沉积物孔隙水支持的活动222Rn 平衡 （3698   251 Bq m 3在潘松和 1610   329 Bq m 3在拉德拉沉积物中），从而提供了大陆地下水存在的证据。
　　在浅层（2021厘米深）和深层沉积物（2006-1厘米深）中筛选了压力计。选择三个采样站以覆盖潮汐STE海滩面典型的三个不同的孔隙水循环区，在海滩剖面中使用盐度和Rn活动作为示踪剂进行了鉴定。浅滩含水层的盐度一般高于深层，Rn活动低于沉积物-孔隙水氡平衡所支持的活动，因此表明最近的海水入侵。
　　潮汐环流或上盐羽（USP）位于Panxón和Ladeira STEs永久饱和潮间带沉积物的上限。在USP下方，深层的两个海滩含水层中观察到一个发达的淡水排放管（FDT），从St30和St150之间的海滩面渗出，并由盐水楔形从下方束缚。Panxón海滩含水层中约1米深的砾石层进一步增强了孔隙水循环。这一特征通过促进氧气快速转移到海滩内部，有助于Panxón海滩含水层的大量氧化。良好的氧合作用与大陆地下水的存在相关的高（2至1μM）硝酸盐水平相匹配。相比之下，Ladeira普遍存在缺氧条件，仅在USP中检测到氧气。因此，两个海滩的FDT内水的化学成分非常不同。
　　与Panxón海滩相比，拉德拉的磷酸盐浓度更高（p <0.001，n = 48，拉德拉为1.5-59.5μM，潘松为1.3-9.6μM）。磷酸盐通常在海滩含水层的深层达到峰值（高达59.5μM）。硅酸盐在深层也达到峰值，但海滩间硅酸盐含量无显著差异（p > 0.05， n = 48）。DIC和总碱度分别为2702 59至5977 29μM和2327 3至5346 0μM，海滩之间具有可比性。仅在采样月份之间观察到DIC的显着差异（p < 0.001，n = 48），尽管浅层的DIC浓度通常较高。相反，Panxón的pH值明显高于拉德拉海滩（p < 0.001，n = 48;）。
　　在两个海滩，深层的pH值较高（p < 0.01，n = 48;）。与Panxón海滩相比，拉德拉的DOC浓度普遍较高，在拉德拉海滩的St1深层达到峰值。然而，在两个海滩的浅水区，DOC通常高于深水区，这可能是因为涨潮时海水渗透供给的表面沉积物的颗粒有机物含量可能更高。拉德拉孔隙水的CDOM含量也较高（a中容(254);p < 0.01;n = 47;拉德拉：10.42   12.71 和潘克松：5.22   5.15;），具有较高的芳香度（a中容(340);p < 0.01， n = 47;拉德拉：3.27 3.50和潘克松：2.53 4.69;）但出乎意料的是，平均分子量较低（a（254/365）比值;p < 0.05， n = 47;拉德拉：5.66   3.55 和潘克松：4.00   3.10;）与潘松孔隙水相比。
　　拉德拉275-295 nm和350-400 nm（SR）的光谱斜率之比在0.23至3.38之间，Panxón在0.02至3.21之间，表明CDOM的陆地和海洋起源。SR的差异仅在月份之间显著（p < 0.05，n = 46）。类似地，两者都是腐殖质样（以峰C的荧光表示，因为三个腐殖质样FDOM峰高度相关;ρ = 0.98–1，p < 0.001）和蛋白质样（峰T的荧光）FDOM在拉德拉孔隙水中显著高于Panxón孔隙水（p < 0.001，n = 48;）。
　　与含水层补给和波浪条件有关的季节变化影响了两个STE内部的孔隙水循环模式，特别是在Ladeira海滩。在那里，FDT在1月和2月期间通过海滩剖面向上迁移，因此，St1中没有新鲜的地下水，而是在St3的浅层中检测到的。USP 在 3 月和 2 月期间在 St1 中很明显。在这里，溶解氧和硝酸盐仅在USP中检测。在<>月和<>月期间FDT迁移的同时，铵积累在拉德拉海滩下端的孔水中。
　　NMDS使用环境数据沿X轴将潘松和拉德拉的孔隙水样品分开。仅在Panxón海滩的深度之间观察到差异（ANOSIM，p < 0.05）。1月份在拉德拉海滩的St3的较深孔隙水样本似乎与环境秩序中的其他样品特别远，主要是因为在那里观察到的高DOC值（<>μM）。
　　孔隙水微生物群落的多样性和组成
　　潘克松和拉德拉孔隙水中的微生物群落非常多样化（香农指数），丰富度也相当均匀（p < 0.05;）。
　　来自Panxón和Ladeira的孔隙水样品被海滩清楚地分为四组，并沿NMDS的两个轴对微生物群落数据进行的沉积层采样（ANOSIM p < 0.001）。这就意味着Panxón和Ladeira STEs的微生物群落全年稳定，与海岸线的距离并不能解释在微生物群落中观察到的差异（ANOSIM测试p > 0.05）。当比较不同海滩的相同深度（浅或深）时，两种STE的微生物群落显示出比同一海滩内的相似性更高。此外，Ladeira STE的浅样本似乎比Panxón和深层样本更分散，表明月份和站点之间的差异高于Panxón海滩。
　　在空间上，最常见的已鉴定目中有12个是深孔隙水独有的，而6个是浅层样品独有的。Delta变形杆菌脱硫杆菌，寡屈菌和Bdellovibrionales在浅层样品中占主导地位（分别占变形杆菌总相对阅读丰度的13.7%，12.7%和9.5%）。
　　蓝藻在Panxón浅层样品中零星出现（21月St3浅层读取丰度高达2.5%）。相反，Lentisphaerae和Euryarchaeota在Ladeira的St5的浅层深度占主导地位，与该采样期间在盐楔处发现的缺氧条件相吻合。Thaumarchaeota在两个海滩的USP中无处不在且相对丰富，其中Nitrosopumilales是最具代表性的目（占Thaumarchaeota总相对阅读丰度的8.3%）。可能是因为在Panxón的USP之外采集的浅层样品的高氧化，那里的微生物群落与两个海滩的USP中发现的微生物群落相似（St5）。铵氧化细菌（AOB）也存在于Panxón和Ladeira STEs中，以硝基螺旋体门和亚硝基球藻科和亚硝基单胞菌科为代表。
　　在深度上，Chloroflexi是拉德拉的主要分支，也是Panxón中第四丰富的分支。脱卤菌是氯弹性中最丰富的一类，无处不在的SAR202和Sh765B-AG-111进化枝最为丰富（分别占总相对读取丰度的29.5%和12.5%）。Thaumarchaeota在Panxón采集的含氧，更深的样本中也占主导地位，但与浅层Thaumarchaeota群落相比，深层Thaumarchaeota群落（主要是亚硝基虫）的特征是不同的OTU组合。尽管缺氧条件，但在拉德拉的St1深样品中也发现了高丰度的亚硝基螺旋。组1.1c和海洋底栖类群仅在拉德拉的深层孔隙水样本中很重要，其中Thaumarchaeota的代表性很低。深层AOB群落在Panxón达到总相对丰度的3%，在Ladeira达到0.27%。在从两个海滩采集的浅层和深层样品中都检测到与缺氧氮去除相关的分类群，例如Planctomycetes，但丰度较低（<5%）。
　　相反，大多数罕见目（平均相对读取丰度<0.1%丰度在单个样品中，264目）仅在特定月份可以在两个海滩的不同深度检测到，两个海滩仅存在16个订单。最大的一组独家稀有订单是在14月份的Panxón深部样本中发现的（n = 6）。与分布更普遍的普通订单相比，稀有订单的检测仅限于较小的区域或特定的时间范围。 原核生物的丰度和产量
　　拉德拉的原核丰度显著高于潘松（p < 0.01; 5.55   103至 9.81   106细胞毫升 1和 6.96   103至 1.02   106细胞毫升 1分别）。原核生物丰度随深度而减少，除了3月在Panxón的St1和1月在Ladeira的St05。
　　异养原核生物生产（HPP） 范围为 0.05 至 2.97 μgC L 1d 1在潘松和从 0.27 到 3.85 μgC L 1d 1在拉德拉。随季节或地点差异无统计学意义（p > 0.05）。然而，在大多数情况下，HPP随深度而降低（17个站点中的24个）。3月份，两个海滩的深层HPP含量较高，拉德拉的HPP值也最高（85.<>微克升） 1d 1).
　　原核生物丰度与FDOM峰的相关性更紧密（Spearman的r 0.4-0.6;< 0.01;n = 48）、溶解氧 （ρ =  0.51， p < 0.001）、碱度 （ρ = 0.53， p < 0.001）、pH （ρ =  0.60， p < 0.001 ） 和温度 （ρ = 0.71， p < 0.001） 并且 与226Ra （ρ = 0.30， p < 0.05）， 亚硝酸盐 （ρ = 0.34， p < 0.05）， DOC （ρ = 0.36， p < 0.01 ）， a中容（254） （ρ = 0.37， p < 0.05）， DIC （ρ = 0.46， p < 0.05）， 磷酸盐 （ρ = 0.47， p < 0.001）， 硝酸盐 （ρ =  0.47， p < 0.001 ）。HPP仅与温度显著相关（ρ = 0.32，p < 0.05）。原核丰度与HPP之间没有观察到关系。 原核生物共生网络
　　共生分析显示了一个高度连接的微生物网络，具有75个节点和678条有效边缘，聚类系数（即一个节点两个随机选择的邻居彼此相邻的概率）为0.649，平均长度路径（即两个节点之间的平均最短路径）为2.058，平均度数（即数量 每个节点与其他节点之间的连接）的 18.08。将该微生物共生网络与其他1000个随机生成的网络进行比较，以检验观察到的OTU之间的关系是否显着。随机生成的网络的平均聚类系数为0.243 0.006，平均路径长度为1.753 0.002，均低于在Panxón和Ladeira STEs的原核生物共生网络中观察到的聚类系数。
　　来自自养硝化亚硝基茴香科的OTU，在前75个OTU中占主导地位，分为两个不同的关联。第一种亚硝基蛾科OTUs，主要存在于与Oligoflexaceae（Deltaproteobacteria）和Woesearchaeia（Nanoarchaeaeota）有关的浅层样品中。第二个主要在与其他分类群联系更紧密的深部样品中发现的OTU，例如亚组6（酸杆菌），硝基螺旋体，Woesearchaeia和细菌p25（来自Delta变形杆菌的粘球菌）。大多数剩余的OTU被归入第三个集群，由Chloroflexi和CK-2C2-2成员主导。假交替单胞菌OTU 与集群保持距离，并且主要相互关联。
　　. 结论
　　我们发现，具有对比氧化还原条件的两种STE微生物群落非常多样化，且丰富度均匀。浅层孔隙水拥有较高的原核丰度和异养原核生物生产，但更深的层容纳了更多样化的群落。STE的微生物群落既包括有弹性的，丰富的世界性动物，也包括稀有的，局部限制的分类群，它们构成了STEs典型可变环境条件下的重要种子库。微生物群落结构在整个季节和沿海滩剖面非常稳定，与强烈的地球化学变异性形成鲜明对比，表明大量的功能性微生物多样性为这些研究不足的生态系统提供了高弹性。
　　海滩和深度之间微生物组成的差异可以用有机物含量和氧合的持续差异来解释。Panxón STE含氧孔隙水中的微生物群落结构揭示了异养生物和自养硝化剂之间的强烈关联，整个古细菌，并表明一个专注于有机质矿化和氮氧化的群落，尽管缺氧微生态位可能使其他氮转化途径成为可能。
　　在Ladeira STE的缺氧区，微生物群落结构突出了STE在厌氧碳循环中的重要作用。甲烷的产生和氧化可能在Ladeira STE中同时发生，并且在深样品中发现了与复杂和芳香族有机化合物降解相关的分类群。尽管对Panxón和Ladeira的STEs的广泛地球化学特征提供了关于微生物群落组成的驱动因素的宝贵信息，但观察到的成分变化的很大一部分仍然无法解释。我们认为，来自海岸和含水层末端的地下水平流运输的分类群可能有助于解释这种变化。因此，这项研究揭示了STE中可能发生的多种生物地球化学过程，由其多样化和专门的微生物群落驱动，并强调了隐藏在这些环境中的潜在高生物地球化学反应性。
　　参考文献：
　　Adyasari，D.，Hassenruck，C.，Montiel，D.和Dimova，N.（2020）受海底地下水排放（SGD）影响的沿海水文系统中的微生物群落组成。公共科学图书馆一号，15，1-26。
　　Adyasari，D.，Hassenrück，C.，Oehler，T.，Sabdaningsih，A.&Moosdorf，N.（2019）与北爪哇（印度尼西亚）海底地下水排放相关的微生物群落结构。整体环境科学，689，590-601。
　　Alejo， I.， Francés， G.， Villas， F. & Austin， W.E.N. （1999） 西班牙西北拜奥纳湾最近有孔虫的初步调查。海岸研究杂志，15，413-427。