(1.10.27)--PPT10环境工程微生物学.ppt

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1、西北马尾藻海溶解有机物输出、溶解代谢产物和相关微生物群落结构响应之间的季节性联系环境与市政工程学院目录a c a d e m ic g ra d u a tio n d e fe n s e环境与市政工程学院研究背景01结果与讨论03研究方法02研究背景Research backgroundPART1环境与市政工程学院研究背景溶解和悬浮的有机物质从表面到深度的深度对流混合可以代表生物碳泵的重要出口路径。季节性贫瘠的马尾藻海经历每年冬季对流混合深达300米,提供一个独特的模型系统研究溶解有机物(DOM)出口及其后续成分通过微生物氧化的转换。我们分析了从西北马尾藻海收集的生物地球化学和微生物参数,

2、包括大部分溶解有机碳(DOC),总溶解氨基酸(TDAA),溶解的代谢物,细菌丰度及生产,和细菌群落结构,来评估DOM通过微生物在季节性时间尺度的转运和成分转化。溶解有机质(DOM):由各种食物网过程,如细胞外释放浮游植物、浮游动物排泄,食草动物的喂养,细菌释放,和病毒裂解产生的研究背景DOM的去除主要通过异养原核生物的微生物氧化。因此,DOM是海洋生态系统的一个连接不同的生物功能重要链接。微生物氧化导致DOM的成分变化，其生物利用度范围从快速消耗的不稳定DOM到抵抗快速降解的顽固DOM。DI(降解指数):常由每个氨基酸的相对丰度及其经验因子系数计算而来，该指数对DOM在几周到几十年的时间尺度上

3、的退化非常敏感。TDAA包括溶解游离氨基酸(DFAA)和蛋白质,多肽水解的氨基酸和其他氨基酸聚合物。TDAA在DOM中占比0.4-7%，占更大一部分的是在海洋中的溶解有机氮(DON)，占1.4-15%。氨基酸是DOM池中最不稳定的部分,因为他们是优先被微生物降解;因此,他们的浓度和成分可以作为DOM成岩作用的指标。马尾藻海西北部每年经历冬季对流混合，通常深度为200300米，将DOMDOM和悬浮颗粒有机物和悬浮颗粒有机物从透光带输出到上层中上层区域，并导致中上层海洋中中上层海洋中DOMDOM和微生物和微生物组成的时态模式。贫营养的马尾藻海的季节性提供了一个独特的模型系统，以检查DOM输出和随后

4、通过微生物氧化进行的DOM成分转化。在这项研究中，我们整合了第一个TDAA和西北马尾藻海的溶解代谢物的季节性数据集，以评估2016年至2017年期间DOM的季节性命运和微生物转化。我们还结合了DOM生物地球化学动力学，包括体积体积DOCDOC、TDAATDAA和溶解代谢产物浓度，以及浮游细菌丰度（和溶解代谢产物浓度，以及浮游细菌丰度（BABA）、细菌产）、细菌产量（量（BPBP）和细菌群落结构）和细菌群落结构的相应变化，以精细的系统发育分辨率检查特定细菌谱系在DOM循环中的作用关于DOM：例如，来自浮游植物大量繁殖的富含多糖和TDAA的新鲜DOM输入导致细菌快速生长、高细菌产量和选定的嗜肥菌，

5、如黄杆菌、玫瑰杆菌和假交替单胞菌。相比之下，顽固的DOM导致一些寡养生物的细菌生长相对稳定和缓慢，例如SAR11、OCS116和SAR202进化枝，它们含有参与顽固DOM降解的多种氧化酶。然而，浮游细菌响应者可以通过微生物碳泵将不稳定的DOM转化为更顽固的成分。因此，结合DOM生物地球化学分析和微生物测量是了解DOM来源和汇以及驱动海洋中化学分布和生物过程的机制的重要方法。DOM组成变化通常会影响细菌生长、新陈代谢和群落结构。在被浮游细菌吸收之前，DOM聚合物必须首先被水解酶在细胞外水解成低分子量(600Da)。由于不同细菌的营养策略和水解效率不同，不同质量的DOM可能会引发特定的生长细菌种群

6、。研究过程及方法PART2环境与市政工程学院研究地点和海水样品海水是来自西北位于北大西洋的马尾藻海副热带环流。样品为海水是来自西北位于北大西洋的马尾藻海副热带环流。样品为20162016年年7 7月至月至20172017年年9 9月期间每月收集，月期间每月收集，定期巡航百慕大大西洋时间序列研究（定期巡航百慕大大西洋时间序列研究（BATSBATS）站（）站（3131 4040 N N、6464岁岁 1010 WW）。其他样本为在四次季节性过程巡航（其他样本为在四次季节性过程巡航（20162016年年7 7月，月，20162016年年9 9月、月、20172017年年4 4月和月和20172017

7、年年7 7月）月）BATSBATS或水电站或水电站S S附近（附近（HSHS，3232 1010 N N、6464岁岁 3030 WW）。）。这些变量由连接至电导率、温度和深度（这些变量由连接至电导率、温度和深度（CTDCTD）剖面仪的传感器测量。使用固定在剖面仪的传感器测量。使用固定在CTDCTD花环上的花环上的12L12LNiskinNiskin型取样瓶从上部型取样瓶从上部500m500m内内6 6至至1010个深度收集海水。个深度收集海水。样品包括样品包括DOCDOC、TDAATDAA、溶解代谢物、溶解代谢物、BABA、通过、通过3H3H亮亮氨酸掺入测定的氨酸掺入测定的BPBP和和16S

8、rRNA16SrRNA扩增子测序（表扩增子测序（表1 1）。）。表表1 1列出了每个参数的详细采样频率。列出了每个参数的详细采样频率。变量：温度、盐度、叶绿素荧光和溶解氧浓度变量：温度、盐度、叶绿素荧光和溶解氧浓度研究过程及方法在在在在BATSBATSBATSBATS巡航期间，根据既定的巡航期间，根据既定的巡航期间，根据既定的巡航期间，根据既定的BATSBATSBATSBATS方法手册对目标参数的一个深度剖面进行了采样；方法手册对目标参数的一个深度剖面进行了采样；方法手册对目标参数的一个深度剖面进行了采样；方法手册对目标参数的一个深度剖面进行了采样；在在在在BIOS-SCOPEBIOS-SCO

9、PEBIOS-SCOPEBIOS-SCOPE工艺巡航期间工艺巡航期间工艺巡航期间工艺巡航期间,在在在在3-53-53-53-5天内对相同参数的多个深度剖面进行了采样。天内对相同参数的多个深度剖面进行了采样。天内对相同参数的多个深度剖面进行了采样。天内对相同参数的多个深度剖面进行了采样。20162016年年77月月11日至日至20162016年年88月月44日以及日以及20172017年年11月月66日至日至20172017年年99月月77日期间，在水电站日期间，在水电站附近（几公里内）部署了一架附近（几公里内）部署了一架SlocumSlocum滑翔机（配备：滑翔机（配备：SeabirdSeab

10、ird泵浦泵浦CTDCTD、AanderaaAanderaa光极（型号光极（型号 4,8314,831）)，以及，以及WetLabsECOWetLabsECO叶绿素荧光计和反向散射光学传感器；并获得从地表到叶绿素荧光计和反向散射光学传感器；并获得从地表到500500或或900m900m的测量值，以的测量值，以1-1.51-1.5小时的间隔提供连续剖面。小时的间隔提供连续剖面。根据既定的做法和程序对传感器进行任务后校准和校正。根据既定的做法和程序对传感器进行任务后校准和校正。CTDCTD数据针对压力偏差、传感器滞后、数据针对压力偏差、传感器滞后、热质量惯性、尖峰和电导率偏移热质量惯性、尖峰和电导

11、率偏移/漂移（与并置的基于船的漂移（与并置的基于船的CTDCTD模型进行比较）进行了校正。氧气数模型进行比较）进行了校正。氧气数据针对传感器响应时间、压力、温度和盐度影响和偏移量（与船载据针对传感器响应时间、压力、温度和盐度影响和偏移量（与船载CTDCTD模型相比）进行了校正。通过模型相比）进行了校正。通过将白天剖面与相邻的夜间剖面进行比较来确定淬火深度和表面附近的无偏值，从而对叶绿素荧光进行将白天剖面与相邻的夜间剖面进行比较来确定淬火深度和表面附近的无偏值，从而对叶绿素荧光进行淬火校正。工厂确定的比例因子应用于荧光和反向散射测量，以产生相对荧光单位淬火校正。工厂确定的比例因子应用于荧光和反向

12、散射测量，以产生相对荧光单位(RFU)(RFU)和相对反向和相对反向散射单位散射单位(RBU)(RBU)。在每次滑翔机任务中，都会对剖面进行评估并针对线性漂移进行校正。通过将轮廓。在每次滑翔机任务中，都会对剖面进行评估并针对线性漂移进行校正。通过将轮廓最小值分别与通用最小值分别与通用RFURFU和和RBURBU值对齐来对任务数据进行相互校准。值对齐来对任务数据进行相互校准。测量溶解有机碳（DOC)大三上大三上在在BIOS-SCOPEBIOS-SCOPE航行期间，用于航行期间，用于DOCDOC测量的海水通过预燃烧测量的海水通过预燃烧(450C)47mmGF/F(450C)47mmGF/F过滤器在

13、线过滤，过滤器在线过滤，包装在直接连接到包装在直接连接到NiskinNiskin型采样瓶的聚碳酸酯过滤器支架中，并收集到预燃烧型采样瓶的聚碳酸酯过滤器支架中，并收集到预燃烧(450C)(450C)中中40mL40mL硼硼硅酸盐玻璃瓶，带聚四氟乙烯硅酸盐玻璃瓶，带聚四氟乙烯(PTFE)(PTFE)涂层硅胶隔垫。所有涂层硅胶隔垫。所有DOCDOC样品均用样品均用4NHCl4NHCl酸化至酸化至pH3pH3。在每月在每月BATSBATS巡航期间，使用与巡航期间，使用与DOCDOC相同的协议收集总有机碳相同的协议收集总有机碳(TOC)(TOC)样本，但不进行过滤。样本，但不进行过滤。根据目前的仪器精度

14、，目前对贫营养马尾藻海海水中大量根据目前的仪器精度，目前对贫营养马尾藻海海水中大量TOCTOC和和DOCDOC的分析通常无法区分，尤其的分析通常无法区分，尤其是在亚光照领域，因此将马尾藻海中的是在亚光照领域，因此将马尾藻海中的TOCTOC和和DOCDOC数据汇集在一起数据汇集在一起。根据。根据CarlsonCarlson等人的说法，等人的说法，在改良的在改良的TOC-VTOC-V或或TOC-LTOC-L分析仪分析仪(Shimadzu)(Shimadzu)上使用高温燃烧上使用高温燃烧(HTC)(HTC)分析、参考和标准化分析、参考和标准化DOCDOC浓浓度。度。精度为精度为 1molL1molL

15、 11或或CVCV为为23%23%。每日参考水使用来自。每日参考水使用来自D.HansellD.Hansell（迈阿密大学）的共识参（迈阿密大学）的共识参考物质考物质(CRM)(CRM)进行校准。进行校准。测量总溶解氨基酸TDAA大三上大三上用于用于TDAATDAA分析的海水通过预燃烧分析的海水通过预燃烧(450C)47mmGF/F(450C)47mmGF/F过滤器过滤到过滤器过滤到40mLEPA40mLEPA玻璃瓶或玻璃瓶或60mL60mL高密度聚乙烯高密度聚乙烯(HDPE)(HDPE)瓶中，并在瓶中，并在-20C-20C下冷冻储存。一式三份的下冷冻储存。一式三份的TDAATDAA样品用样品

16、用6NHCl6NHCl在在110C110C氮气氮气条件下水解条件下水解2020小时。然后通过燃烧的石英棉过滤水解产物，并在氮气下通过蒸发中和。氨基酸用邻小时。然后通过燃烧的石英棉过滤水解产物，并在氮气下通过蒸发中和。氨基酸用邻苯二甲醛衍生化，并通过配备荧光检测器的高效液相色谱法按照既定协议进行修改。苯二甲醛衍生化，并通过配备荧光检测器的高效液相色谱法按照既定协议进行修改。简而言之，流动相由简而言之，流动相由50mmolL-150mmolL-1乙酸钠溶剂乙酸钠溶剂AA（调节至（调节至pH5.7pH5.7）和溶剂）和溶剂BB组成，溶剂组成，溶剂BB为为 100%100%甲醇。样品以甲醇。样品以0.

17、9mLmin-10.9mLmin-1的流速泵送通过保持在的流速泵送通过保持在17C17C的的C18C18柱。梯度程序如下：在柱。梯度程序如下：在4 4分钟内，分钟内，溶剂溶剂B B从从23%23%增加到增加到29%29%，然后在，然后在2020分钟增加到分钟增加到44%44%溶剂溶剂B B，在，在3333分钟增加到分钟增加到60%60%溶剂溶剂B B；溶剂；溶剂B B保持保持60%760%7分钟，分钟，8 8分钟后升至分钟后升至77%77%；溶剂；溶剂BB在在5353分钟时进一步升至分钟时进一步升至100%100%，并在，并在100%100%下保持下保持55分钟，然后在分钟，然后在6060分钟

18、时降至分钟时降至23%23%。在我们的海水样品中，由于。在我们的海水样品中，由于苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)(Phe)在贫营养马尾藻海水中的相对丰度较低在贫营养马尾藻海水中的相对丰度较低（TDAA50Ci50Cimmolmmol 1 1）进行修正，并在接近原位温度的条件下孵育）进行修正，并在接近原位温度的条件下孵育3434小时。用小时。用100%100%三氯乙酸（三氯乙酸（TCATCA，终浓度，终浓度 6%6%）终止孵育，并通过微量离心法用）终止孵育，并通过微量离心法用5%TCA5%TCA和和80%80%乙醇提取。海水加乙醇提取。海水加3H-3H-亮氨酸但在孵育开始时加亮氨酸但在孵育开始时加入入

19、100%TCA100%TCA（终浓度为（终浓度为6%6%）作为灭活对照，并遵循相同的孵育和提取步骤。样品与）作为灭活对照，并遵循相同的孵育和提取步骤。样品与1.5mLUltima1.5mLUltimaGold(PerkinElmerLLC)Gold(PerkinElmerLLC)混合，放置至少混合，放置至少22小时，并在液体闪烁计数器中测量。小时，并在液体闪烁计数器中测量。16srRNA扩增子测序大四上大四上将四升海水过滤到将四升海水过滤到0.2mSterivex0.2mSterivex过滤器（聚乙烯硫酮膜）并在过滤器（聚乙烯硫酮膜）并在-80C-80C下储存在蔗糖裂解缓冲液下储存在蔗糖裂解缓

20、冲液中。使用苯酚中。使用苯酚-氯仿协议提取氯仿协议提取DNADNA，并与，并与V1-V2V1-V2引数引数27F27F（5 5-AGAGTTTGCAG-3-AGAGTTTGCAG-3）和）和338RPL338RPL（5 5-GCWGCCCCCCCCCCCGTAGGT-3GCWGCCCCCCCCCCCGTAGGT-3）放大了与）放大了与“一般一般”的光照悬挂适配器。的光照悬挂适配器。16SrRNA16SrRNA序列被修剪和脱节，嵌合体被移除，并使用序列被修剪和脱节，嵌合体被移除，并使用DADA2RDADA2R包，包，1.21.2和和SilvaSilva数据库（数据库（123123）分类。）分类。

21、对于未分配的对于未分配的ASVASV序列，他们首先对非冗余的序列，他们首先对非冗余的16SrRNA16SrRNA序列数据库进行了序列数据库进行了BLASTBLAST搜索，第二次对完整搜索，第二次对完整的非冗余数据库进行了搜索，然后分配到的非冗余数据库进行了搜索，然后分配到BLASTBLAST最高点击。最高点击。SAR11SAR11和和SAR202ASVSAR202ASV通过通过 PhyloAssignerPhyloAssigner程序进一步运行，使用定制的系统发育树在这些进化枝内进行精细的系统发育分配。程序进一步运行，使用定制的系统发育树在这些进化枝内进行精细的系统发育分配。研究过程-数据分析

22、混合层深度混合层深度混合层深度(MLD)(MLD)被定义为密度减少增量的深度，增量由热膨胀系数(T)使用0.2C的T确定。叶绿素最大值(DCM)的深度由荧光计配置文件确定。DCM层(DCML)的上下边界定义为叶绿素荧光为最大值35%的深度。四个季节由MLD和DCM或DCML的相对位置定义，这些位置从CTD和日平均滑翔机剖面确定（当滑翔机不在该站时，使用CTD数据）：（1）混合季节开始于MLD首先到达DCML顶部以下，当MLD迅速浅滩到DCM上方时结束；(2)春季过渡从此时开始，到分层条件成立且MLD保持在DCML顶部以上时结束；(3)分层季节跨越了MLD始终比DCML顶部浅的时期；(4)当ML

23、D首次到达DCML顶部以下时，开始下降过渡。表观氧利用率(AOU)定义为饱和氧浓度与观测氧浓度之间的差异，使用OceanDataView（ODV，版本5.4.0）根据CTD深度、温度、盐度和溶解氧浓度计算。研究过程-数据分析溶解有机物降解指数 其中：vari是氨基酸i的摩尔百分比 AVGvari和STDvari是其均值和标准差 fac.coefi是氨基酸i的因子系数较低的DI值表明更多的成岩改变的DOM。深度混合时期和其他时期（包括春季过渡、分层和秋季过渡）之间生物地球化学变量的显着差异通过非配对t检验进行评估（p0.05）。对各自的混合和非混合时间段进行了与生物地球化学数据的Spearman

24、相关分析。浓度型变量（包括DOC、TDAA和BA）的水深平均值在目标深度（即透光区，0-120米；或上层中远洋区，120-300米）上进行积分，然后将深度归一化为每个深度区域；而其他变量的平均值，如温度、DI、AOU和16S扩增子相对丰度，则计算为离散深度处的平均值。结 果 与 讨 论PART3环境与市政工程学院马尾藻海化学参数的季节性变化溶解有机碳的动力学本研究中观察到的溶解无机营养物、叶绿素荧光、颗粒有机物和溶解有机物的季节性变化与先前在该地区观察到的水文和有机碳动态的季节性周期一致。在2016年12月至2017年4月的冬季对流混合期间，MLD延伸超出透光区（0-120m）进入中远洋上层区

25、（120-300m），深度达242m（2017年4月）（图1A，透光带和中远洋上层带由白色虚线分隔）。冬季对流混合将无机常量营养素从深处带入透光区，一年一度的浮游植物大量繁殖以及混合后叶绿素a和颗粒有机物在表面的积累,积累的大部分DOC在数天到数周的时间尺度上抵抗或逃避透光区异养微生物群落的快速微生物降解.DOC在冬季深层对流混合期间重新分布，从而降低地表DOC浓度并增加中层远洋浓度（图1A、B).马尾藻海化学参数的季节性变化溶解有机碳的动力学与非混合期相比，混合期上层中远洋层(120300m)的平均DOC浓度显着更高（未配对t检验，p0.05）（图2）。根据中远洋带的这些变化，估计由于冬季对

26、流混合，DOC从地表输出到120300m带。这一估计与先前报告的DOC输出值相当，表明溶解有机物的物理混合是该地区的重要输出途径，可能大于测量的颗粒输出。图2|上中层（120300m）平均温度、溶解有机碳（DOC）、总溶解氨基酸碳（TDAAC）、降解指数（DI）、浮游细菌丰度（BA）和表观氧利用率（AOU）总溶解氨基酸的动态在上层中远洋带（120-300m）观察到的升高的TDAA-C浓度被解释为最近产生的TDAA和在对流混合过程中先前积累的表面TDAA输出到深度的组合。在本研究中，TDAA-C在最大深度混合后不久以0.2nmolL1d1的速率在上层120m积累，当MLD浅滩到120m以上时，达

27、到最大值1.04molL1到7月进入透光区（表2）。在分层期间，TDAA浓度在上层120米增加，其中光合自养和随后的食物网加工（即放牧、病毒感染或POM溶解）是新TDAA生产的潜在来源。与透光区的积累相反，TDAA在深度混合后以0.7nmolL-1d-1的速率在中远洋上层被去除（表2）溶解代谢物的时空变异性 除了散装 DOM 和 TDAA 之外，各种靶向溶解代谢物还显示出独特的季节性模式.2017 年 4 月，当 MLD 达到年度最大值时，一组不同的代谢物表明，与前一个采样月相比，混合层发生了积极或消极的变化，超过了仅归因于非生物混合过程的变化。在对流混合过程中，游离氨基酸（包括亮氨酸、苯丙氨

28、酸和色氨酸）在整个混合层中产生并积累。对代谢物的经向研究表明，与南大西洋相比，北大西洋表层海洋中的 MTA 浓度更高。据推测，这一观察结果反映了已知产生 MTA 的浮游植物代谢途径的差异。深对流混合和溶解有机物输出对中上层浮游细菌动力学和群落结构的影响在深度对流混合期间，当 MLD 延伸到透光区以外（即低于 120 m）时，浮游细菌细胞密度在上层中远洋带（120-300 m）内增加并持续数周的升高水平。中远洋带(120300 m)的平均 BA 明显大于分层期,这种季节性模式与该地区浮游细菌生物量的历史数据一致。在这个季节性时间序列中观察到上层中层平均温度与 DOC、温度和 BA、温度和 AOU

29、、DOC 和 BA、DOC 和 AOU，以及 TDAA-C 和 DI 之间的显着相关性（表 3）。上层中远洋带的 AOU 在混合过程中减少，然后增加（图 1、2）。在 MLD 最深的时期，与分层期间相同深度的比率相比，3H 亮氨酸掺入率（BP 的代表）在中远洋层中高出三到五倍（图 4）。深对流混合和溶解有机物输出对中上层浮游细菌动力学和群落结构的影响基于16SrRNA扩增子测序的浮游细菌群落结构根据深度沿NMDS轴1清晰分离（图5A）。在马尾藻海西北部和其他地方进行的大量研究已经报道了微生物类群的垂直分层。上层中远洋带的细菌群落结构比表层海洋更易变。在160m和200m的高度混合和春季过渡时期，细菌群落聚集成一个不同于分层和秋季过渡簇的群体（图5B），这表明混合事件显着改变了中远洋细菌群落。结果与讨论结论DOM生物地球化学和微生物群落的补充测量揭示了在与季节性混合相关的物理水置换背景下DOM成岩作用变化状态的更详细图片。TDAA和溶解代谢物指数提供了对海水中DOM释放、吸收和与多种生物过程的潜在相互作用的复杂时间模式的洞察。研究与深层对流混合相关的DOM和细菌群落的时间和空间变异性，将有助于更详细地了解垂直碳通量和微生物过程，这些过程会改变海洋中DOM的数量和质量。感 谢 观 看Thanks for Your Listening!环境与市政工程学院