科研 | Water Research：密歇根湖岸线沙，沉积物和水中细菌群落的相互作用和水质指标
编译：I AM Spring，编辑：小菌菌、江舜尧。
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湖岸线的沙子中含有高浓度的粪便指示菌（FIB），可通过洗涤和重悬将其重悬到水柱中。研究已经探索了影响沙水通量中FIB的沿海过程，但对于污染的微生物标记或细菌群落在沙水界面中如何相互作用的了解甚少。在这项研究中，我们采用三层方法来研究沿延长淡水湖岸线的三个湖岸线站点和两条相关河流的沙子，沉积物和上覆水中的细菌之间的关系。
两年内收集了样品并进行了FIB，两个微生物源跟踪（MST）标记（Catellicoccus marimammalium；Bacteroides HF183）的分析以及针对性宏基因组学16S rRNA基因分析。在这三个地点，沙子中的FIB都比水中的FIB高得多。在湖岸线的沙子和水中，Gull2标记物丰富，而河流中主要存在HF183。沙/沉积物和水之间的总体细菌群落不同，表明相互作用很小。沉积物成分通常不利于重悬。结果表明，FIB和MST标记是这些位置短期状况的有效估计，而沙子和沉积物中的细菌群落反映了长期状况。这些发现可用于评估污染源并通过评估湖岸线退化的范围来确定恢复目标。
论文ID
原名：Interaction of Bacterial Communities and Indicators of Water Quality in Shoreline Sand, Sediment, and Water of Lake Michigan
译名：密歇根湖岸边沙，沉积物和水中细菌群落的相互作用和水质指标
期刊：Water Research
IF：7.913
发表时间：2020.02
通讯作者：Meredith B. Nevers
通讯作者单位：美国地质调查局
实验设计
采样地点位于密歇根湖南部湖岸线的劳伦大湖中（图1）。地点包括印第安纳州东芝加哥的大卡卢梅特河（GC）和Jeorse公园（JP1，JP2，JPW）；伊利诺伊州芝加哥市的第63街海滩（63-1，63-2）；威斯康星州拉辛市的根河（REC）和北滩（NB1，NB3）。采样地点和采样计划见表1。样品分析：指示细菌：大肠杆菌1使用IDEXX Colilert-18和Quanti-Tray 2000方法（IDEXX Laboratories，威斯布鲁克，缅因州）对水，沙子和沉积物样本中的大肠杆菌进行分析（Edberg等，1991）；泥沙分流；基因组分析(MST标记，16S rRNA测序)：水样（1升）都是通过5.0预滤器-µm硝基过滤器然后0.22 -µm硝基过滤器（EMD微孔，Billerica MA）; 2017沙子和沉积物洗涤（50 ml）处理0.22 -µm硝基过滤器。进行DNA提取，然后进行用于微生物源追踪的定量聚合酶链反应(qPCR)及Illumina 16S rRNA基因测序。
图1 密歇根湖南部的研究地点。REC = Root River，NB =北滩，63 = 63 rd Street海滩； GC =大卡卢梅特河，JP = Jeorse公园海滩
表1 采样位置和采样时间表的坐标。
结果
1 粪便指示菌
在所有地点，沙子中的FIB（大肠杆菌）浓度明显高于沉积物和水中的浓度（F = 61.01，df = 2，p <0.001）（图2）。在每个州之间（IN，IL，WI），年份之间（2016、2017）以及各个地点之间的差异比较中，这种模式都是一致的。矩阵之间的相关性是有限的；在所有总体比较之间，FIB浓度均无相关性。当按位点分隔时，JP1处的水和沉积物中的FIB之间唯一显着的相关性为负相关（N = 6，R = -0.820，p = 0.046）。在沙子中，最高的FIB浓度在威斯康星州的湖岸线上：NB3（对数10为2.43大肠杆菌/克干重量±0.658）和NB1（对数10为1.91大肠杆菌/克干重量±0.71）。沙子中FIB的最低平均浓度在两个印第安纳州站点JP1和JP2。沉积物中的FIB最高为63-2（1.70±0.105）和JP1（1.24±0.933）;威斯康星州的沉积物平均FIB浓度最低：NB1（0.74±0.448），NB3（0.87±0.376）。水中的FIB浓度（平均log10 MPN / 1 mL）在河水中最高（REC = 0.474；GC = 0.519）。与沙子和沉积物不同，湖岸线位置的FIB在伊利诺伊州最高（63-1 Log10 0.354; 63-2 0.335），在印第安纳州最低（JP1 0.131; JP2 0.116）。在所有采样日，这种模式都是一致的。在州内，水中的FIB高度相关（JP1和JP2：R = 0.907，N = 20，p <0.001; 63-1和63-2：R = 0.806，N = 20，p <0.001; NB1和NB3：R ＝ 0.779，N ＝ 20，p＜0.001）。威斯康星州遗址与附近河流相关（NB1和REC：R = 0.524，N = 20，p <0.001; NB3和REC：R = 0.543，N = 20，p <0.001），印第安纳州之间没有相关性。Safaie等人的力学模拟结果支持了该结果以及附近的GC河（JP1和GC：R = 0.034；JP2和GC：R = 0.032）。（2020年），他们系统地评估了河流，鸟类，沉积物和前沙作为JP海滩大肠杆菌污染源的贡献。他们的结果表明，河源（GC）对JP
图2 沙子，沉积物，水中的FIB（大肠杆菌）浓度。
2 微生物源跟踪
在沉积物中经常检测到Gull2，其次是沙子，然后是水（表2）。在每个采样事件中至少有一个砂样中检测到Gull2，总检出率为74％。地点NB1和63-1在沙子中对Gull2的检出率为100％，浓度最高（NB1 Log102.91 CN / g±1.37；63-1 Log102.57 CN / g±0.41）（图3）。沉积物中高浓度的Gull2位于NB1和NB3（图3）。另外，水中的Gull2最高，分别为NB3（Log101.76CN / 100 ml±0.82）和NB1（Log 10 1.42 CN / 100 ml±0.49）。印第安纳州的地区（JP1，JP2）在沙子，沉积物和水中的检出率较低。总体而言，沙和沉积物中的Gull2显着高于水中（F = 10.440，df = 2，p <0.001），但是所有三个矩阵中的Gull2均显着相关。在REC或GC中未检测到Gull2。
主要在水中检测到拟杆菌HF183（人类粪便）。与印第安纳州相比，威斯康星州（NB1，NB3）和伊利诺伊州（63-1、63-2）的湖岸线站点发现HF183的频率更高（占样本的35-40％）。假单胞菌HF183仅在一个沉积物重复样品（JP1）中被检测到，检出率为2％，并且没有砂样。在所有样品中，FIB和Gull2标记物浓度在沙子（N = 18，R = 0.527，P = 0.025），沉积物（N = 18，R = 0.502，p = 0.034），而不是水（N = 18，R = 0.326，P = 0.187）。样本数量有限，无法按州或地点进行比较。
表2 通过采样位置检测两个MST标记的检出率。
图3 沙子，沉积物，水中标记Gull2的浓度。
3 沙子和沉积物的分馏
威斯康星州的沙子和沉积物都主要分类为中型沙子（0.2-0.5毫米）。伊利诺伊州站点的沙子分布在大小级别上，并且在63-1的百分比最大的是中型沙子（39％），其次是粗沙（21％），而在63-2的沙子主要是砾石（36 ％），然后是中型砂（32％）。印第安纳州的地点差异很大，大部分的沙子（56％JP1，59％JP2）和沉积物（44％JP1，53％JP2）以砾石为主。这些位置的主要沉积物粒径分数通常与FIB的沉降和再悬浮无关。Jeng等人在这些位置上的馏分通常与的沉降和重悬浮无关。图4根据（A）沙子和沉积物微生物主坐标分析（PCoA）；（B）沙子，沉积物和水；（C）仅水采样点。微生物群落之间的差异非常显着，所有比较的perMANOVA P <0.001。采样地点，Jeorse公园（JP1，JPW），大卡卢梅特河（GC）位于印第安纳州，伊利诺伊州的63rd Street Beach（63），以及威斯康星州的Root River（REC）和北滩（NB1和NB3）。
图4 主坐标分析(PCoA) (A)沙子和沉积物采样点;(B)沙子、沉积物和水;及(C)只抽取水样。
4 细菌群落特征及比较
在分析的153个沙子，沉积物和水样本中，除了一个重复样本（2016年8月9日收集的JPW水）外，所有样本都有足够的Illumina测序读数。经过质量过滤和合并后，样本产生了11,725,371个配对末端读取，平均每个样本77,528个读取，范围为9,372-384,323个读取。序列被重新鉴定为9,370个读数/样品，商品覆盖率为0.94（±0.04 SD），范围为0.76-0.99。当只比较了90种沙子和沉积物时，这些序列也被稀疏到9,370个读数/样品。63个水序列被稀疏到9,700个读数/样品。序列已保藏在GenBank，登录号为PRJNA578544。
对alpha多样性的测量（样品内）表明，按地点位置，日期或状态进行比较，沙子和沉积物微生物群落之间无显着差异。Beta多样性（在样本多样性中）显示出沙子和沉积物中的群落之间有相当大的重叠，并且没有显着差异（图4A）。总体而言，结果表明，无论样品是沙子还是沉积物，采集点内部和之间的异质性都很大。然而，LEfSe分析（线性判别分析效果的大小）表明，在沙子和沉积物群落的不同分类等级上，有38个分类群存在显着差异（表S1）。值得注意的是，与沙子相比，经常与肠道相关的普雷沃菌属和鞭毛纲科发现其沉积物中的含量明显更高（图5A）。
图5 沙子和沉积物和水中细菌群落的线性判别分析效果大小（LEfSe）比较。
水中的细菌群落在不同地点和时间上均显示出差异。通过香农指数测得的α多样性在各个位点之间存在显着差异（P = 0.02），其中REC最高，其次是N1，N3和JPW（图6）。当对一个州内的所有地点进行分组时，威斯康星州的香农多样性高于伊利诺伊州或印第安纳州（P = 0.003）。在州（州所在地），威斯康星州湖，威斯康星州河和印第安纳州河内按水类型划分的数据显着高于印第安纳州湖和伊利诺伊州的湖泊（P <0.03）。在三个采样日期之间，香农多样性也存在显着差异，多样性在整个夏季过程中增加：6月<7月<8月（P = 0.006）。
站点之间的水之间存在显着差异（Beta多样性，加权Unifrac，P = 0.001），前三个轴占变化的61％。第一轴占变异的28.9％，并严格分离所有GC样品。使用未加权的Unifrac，按海滩分类的样本有显着差异。在这种情况下，尽管描述的变化量低于加权Unifrac（未加权Unifrac前三个轴的总和为22.9％），但两个河流站点（REC和GC）都推动了这种关系。GC的这种分离还导致印第安纳州与伊利诺伊州和威斯康星州显着不同（P = 0.001）。总体上，分离被确定为湖泊与河流之间的分离，GC中的微生物群落不同于所有其他场所。
水样中有55个门，以变形杆菌为主，放线菌和拟杆菌也很丰富。这三个门在位置之间以可变比例代表了所有分类单元的相对比例（表S2）的> 90％，例如，与所有其他采样位置相比，GC站点包括变形杆菌和拟杆菌分类单元的相对比例更大，而放线菌分类单元则更少。当使用LEfSe比较这七个位置时，发现了来自所有分类学分类的485类群的显着差异（表S3）。LEfSe分析表明，几种类群有助于提高拟杆菌中GC的比例，其中包括先前没有记载的未描述的环菌科属（Nakatsu等人2019）以及黄杆菌属和Fluviicola属。许多差异是在家庭层面上的，因此很难确定可能导致这些地点之间这些分类差异的因素。在所有位点都发现了绿屈菌和蓝细菌，尽管其比例低于三个显性门。
图6 各个采样点微生物多样性。
根据加权的Unifrac（图4）在所有地点和采样日期对水中的社区进行了分离。只有两个沙子和三个沉积物样品的群落比其他沙子/沉积物样品更像水中的群落（图4B），并且由于这些样品，permDISP显着（p = 0.001）。仔细检查这些样本，五个样本中的四个样本来自同一采样日期（8/9/16），但在三个州（威斯康星州3，伊利诺伊州1，印第安纳州1）进行了收集。对于每个单独的点，在威斯康星州和印第安纳州，相邻的样本通常是河流样本。像水一样，放线菌，拟杆菌和变形杆菌在沙子和沉积物样品中也很丰富（图5B）。但是，代表酸性细菌和纤毛的细菌门在沙子和沉积物中比水更丰富（图7）。
使用LEfSe鉴定的分类学差异表明，与沙子和沉积物相比，水样中有29个分类法，LDA> 2.0。差异最大的是水样中的拟杆菌门的LDA值最高（图5B）。在拟杆菌内，Cyclobacteriaceae科和Sediminibacterium和Paludibacter属很重要。
图7 在所有取样地点和日期采样的水、沙和沉积物样品中细菌群落门水平的平均相对比例。
讨论
当确定FIB存在于湖岸线沙子中的浓度明显高于近岸水中时，细菌群落在沙水界面的移动就成为一个问题。从历史上看，解决这个问题的研究集中在确定原始来源和确定重悬的潜力上。已经应用了多种技术来描述沙子和水的微生物相互作用，包括MST，基因组分析和流体动力学模型。尽管许多研究提供了有关来源和潜在相互作用的见解（例如，参见（Solo-Gabriele等人，2016）），但很少有研究在广泛的地理区域采用三层方法来测试新兴模型的普遍性并建立联系影响细菌群落组成的多个湖岸线过程。
在这项研究中，在所有采样地点，沙子和沉积物中的FIB和Gull2始终高于水中，这支持了历史发现。以前的研究已经描述了湖岸线砂是海洋和陆地来源细菌的汇，低能量的诱因，例如JP和63rd，容易积累过多。防止不利的环境条件（干燥，日光，捕食等）以及在有养分的情况下间歇性生长（例如，腐烂的藻类和海滩）有助于沙土的持久性残骸）。在这项研究中，沙子和水中的浓度之间缺乏相关性，表明这两个种群不是恒定的通量或平衡状态。
对近岸水动力和切应力的研究已经确定了在高能条件下将FIB从湖岸线的沙子或沉积物中重新悬浮的必要性。在63日进行的深入研究突显了高能事件发生时重悬的倾向。在这项研究中，由于生物膜的形成或沉积物成分的原因，物理条件可能不足以重悬细菌群。在少数一次采样事件中，细菌群落在沙子/沉积物和水之间重叠的情况很少，这可能是一个影响所有地点的区域性事件。
由于多点和非点源的输入，包括河岸土壤，农业以及经过处理或未经处理的废水，细菌和细菌的多样性可能很高。细菌多样性最高的是威斯康星州的REC，NB1和NB3，而GC与所有其他位点唯一不同（图4C），多样性低得多。GC处于重工业区，定期收到来自多个市政当局的下水道溢流，这说明HF183的检出率很高，但总体多样性却较低。GC与相关湖岸线之间缺乏相似性可能是由于缺乏水文联系。Safaie等人（在制备中）的机械模型研究了JP的各种来源（河流，鸟类，沙子）的贡献，这表明来自GC的污染物被偏转离开港口结构，未达到JP。
水中的细菌群落在地点，日期，水类型和州之间存在显着差异，但对于这些变量中的任何一个，沙和沉积物中的群落组成均无显着差异（图4B）。其他人则报告说，整个湖泊，各大洲，甚至全世界的沙子和沉积物的群落相似性都很高。相反，水中的群落倾向于表现出更高的地理变异性，这可能是由于对该动态矩阵的多种非生物作用（例如，阳光的灭活）和生物作用（衰减，掠食）的影响。沙子和沉积物中一致的群落组成为沙子作为通过物理和/或生物过程分离的细菌汇的概念提供了支持。因此，沙土群落代表了该地区的长期持久性或状况。
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