Distribution and potential activity of aerobic denitrifying bacteria isolated from sediments of a coastal lagoon system in northwestern Mexico  

墨西哥西北部沿海瀉湖系統(tǒng)沉積物中好氧反硝化細(xì)菌的分布及潛在活性  

來(lái)源：Ciencias Marinas, Vol. 50, 2024, Article e3459

《海洋科學(xué)》第50卷，2024年，文章編號(hào)：e3459

 

摘要內(nèi)容

 

摘要評(píng)估了墨西哥圣金廷灣（Bahía de San Quintín）沉積物中好氧反硝化細(xì)菌的分布、潛在活性及其與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系。研究從兩種深度（0-5 cm表層和15-20 cm底層）和兩種生境（有海草Zostera marina和無(wú)海草）的沉積物中分離了1,611株細(xì)菌，其中85.1%攜帶反硝化基因（nirK、nirS或nosZ）。這些細(xì)菌分布不均，主要受沉積物質(zhì)地、pH、總有機(jī)碳（TOC）和總氮（TN）影響，表層沉積物中反硝化細(xì)菌豐度最高（66.2%）。通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育分析，反硝化菌歸類于γ-變形菌門（82.4%）、α-變形菌門（7.9%）、芽孢桿菌綱（5.7%）和放線菌門（4%），共23個(gè)物種。在好氧條件下，7個(gè)物種（如Paracoccus marcusii、Pseudomonas songnenensis等）被證實(shí)具有反硝化活性。研究表明該瀉湖沉積物富含攜帶反硝化基因的可培養(yǎng)細(xì)菌，但多數(shù)菌株的好氧反硝化活性未被激活，可能與基因失活或硝酸鹽還原途徑相關(guān)基因（nas、nar、nap）未表達(dá)有關(guān)。

 

研究目的

 

首次調(diào)查墨西哥反向河口（受上升流影響）沉積物中好氧反硝化細(xì)菌的分布、多樣性及其與環(huán)境因子的關(guān)系，并驗(yàn)證其好氧條件下的反硝化活性。

 

研究思路

采樣設(shè)計(jì)：在圣金廷灣布設(shè)3個(gè)站點(diǎn)（灣口、中部、灣頭），采集有/無(wú)海草生境的沉積物巖芯（2深度×2生境×3站點(diǎn)），共12個(gè)復(fù)合樣本。  

 

環(huán)境參數(shù)測(cè)量：  

 

水體參數(shù)（溫度、鹽度、溶解氧；表2）  

 

 

沉積物理化性質(zhì)（質(zhì)地、pH、Fe(II)/Fe(III)、TOC、TN、碳水化合物、NO??、NO??；表3）  

 

溶解氧剖面（圖2，使用Unisense微電極）  

 

細(xì)菌分離與鑒定：  

 

使用選擇性培養(yǎng)基（Marine/Braker培養(yǎng)基）分離細(xì)菌  

 

PCR檢測(cè)反硝化基因（nirK/nirS/nosZ；表1引物）  

 

 

16S rRNA測(cè)序構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)（圖4）  

 

活性驗(yàn)證：  

 

好氧條件下進(jìn)行NO??/NO??還原試驗(yàn)（表5）  

 

數(shù)據(jù)分析：  

 

α多樣性指數(shù)（表4）、熱圖聚類（圖5a）、環(huán)境因子相關(guān)性（圖5b）、NMDS群落結(jié)構(gòu)（圖6）  

 

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其來(lái)源與意義

水體參數(shù)（表2）：  

 

數(shù)據(jù)：溫度（20.8–22.7°C）、鹽度（32.42–35.39‰）、溶解氧（7.02–7.59 mg·L?1）  

 

意義：反映灣口至灣頭的水體物化梯度，為沉積物反硝化提供環(huán)境背景。  

沉積物理化性質(zhì)（表3）：  

 

數(shù)據(jù)：  

 

質(zhì)地（砂/粉砂/黏土比例）  

 

pH（7.89–8.2）  

 

Fe(III)（3.52–10.85 mg·g?1）、Fe(II)（0.09–0.74 mg·g?1）  

 

TOC（0.14–1.45%）、TN（0.02–0.16%）  

 

碳水化合物（1.80–48.3 μmol C·g?1）、NO??（0.13–1.70 μg·g?1）、NO??（0.00–0.21 μg·g?1）  

 

意義：揭示沉積物異質(zhì)性（如灣頭富有機(jī)質(zhì)、灣口多砂質(zhì)），驅(qū)動(dòng)反硝化菌分布（圖5b, 圖6）。  

溶解氧剖面（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：沉積物0–5 mm深度溶解氧濃度  

 

意義：證實(shí)沉積物2 mm以下缺氧，為好氧/厭氧反硝化共存提供微環(huán)境證據(jù)。  

基因豐度與菌群分布（圖3）：  

 

 

數(shù)據(jù)：nirK（843株）、nosZ（740株）、nirS（573株）基因豐度；表層沉積物反硝化菌占比66.2%  

 

意義：表層沉積物因富氧和有機(jī)質(zhì)成為反硝化熱點(diǎn)。  

反硝化活性（表5）：  

 

數(shù)據(jù)：7個(gè)物種（如P. marcusii、P. songnenensis等）在好氧條件下還原NO??/NO??  

 

意義：首次驗(yàn)證圣金廷灣菌株的好氧反硝化能力。  

 

結(jié)論

分布特征：圣金廷灣沉積物富含好氧反硝化細(xì)菌（85.1%分離株攜帶基因），以γ-變形菌門（如Psychrobacter、Pseudomonas）為主，豐度受質(zhì)地、TOC、TN影響，表層沉積物為熱點(diǎn)。  

 

活性驗(yàn)證：7個(gè)物種在好氧條件下表現(xiàn)反硝化活性，但多數(shù)菌株因基因未激活或無(wú)硝酸鹽還原基因（nas/nar/nap）而未檢測(cè)到活性。  

 

生態(tài)意義：好氧反硝化菌可能通過(guò)分支電子傳遞鏈促進(jìn)氮去除，尤其在滲透性沉積物（如灣口砂質(zhì)區(qū)）和海草床有機(jī)質(zhì)富集區(qū)作用顯著。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量的溶解氧剖面（圖2）具有以下關(guān)鍵意義：  

揭示微尺度缺氧環(huán)境：數(shù)據(jù)顯示沉積物表層（0–2 mm）含氧，但2 mm深度以下迅速缺氧（O?濃度趨近0）。這種梯度證實(shí)了沉積物內(nèi)好氧與厭氧微生境共存，為好氧反硝化細(xì)菌提供了代謝基礎(chǔ)——它們可在有氧環(huán)境中利用缺氧微區(qū)進(jìn)行反硝化。  

 

解釋反硝化空間分異：溶解氧剖面與沉積物質(zhì)地（表3）關(guān)聯(lián)顯示，砂質(zhì)沉積物（灣口）滲透性高，氧氣滲透更深，而粉砂質(zhì)沉積物（灣頭）因有機(jī)質(zhì)耗氧更快形成淺層缺氧區(qū)。這解釋了為何灣頭菌株（如P. songnenensis）更易表達(dá)好氧反硝化活性（表5）。  

 

支持模塊化代謝假說(shuō)：在沉積物氧梯度中，細(xì)菌可能通過(guò)分支電子傳遞鏈同時(shí)利用O?和NO??（如Nap途徑主導(dǎo)的硝酸鹽還原），與文中提到的“好氧反硝化機(jī)制”（引言）相印證。  

 

生態(tài)過(guò)程關(guān)聯(lián)：缺氧微環(huán)境促進(jìn)反硝化與鐵還原耦合（如Fe(III)還原消耗氧氣，表3），可能間接影響氮循環(huán)途徑（如DNRA或反硝化競(jìng)爭(zhēng)電子受體）。