四环素暴露对沿海海湾沉积物中微生物群落结构、功能及组成的影响：来自实验室研究的证据

《Marine Environmental Research》：Effects of tetracycline exposure on microbial community structure, functions, and assembly in coastal bay sediments: evidence from a laboratory study

本研究分析了中国海湾近岸沉积物中细菌群落对四环素（TC）浓度和暴露时间的响应，采用16S rRNA测序结合网络分析与归一化随机性比分析。结果表明，细菌多样性随暴露时间线性增加，群落结构复杂化，30天网络拓扑最稳定，群落装配机制从确定性转向随机性。

　　

杨珊珊|王翔|顾晨婷|焦亚倩|廖连奥

中国地质大学海洋科学与技术学院，武汉，430074，中国

摘要

细菌在沿海湾生态系统的生物地球化学循环中起着至关重要的作用。然而，我们对四环素（TC）压力下细菌群落的动态演替和相互作用的理解仍然不足。在这项研究中，我们采用了16S rRNA基因扩增测序、网络分析和标准化随机性比率分析（NST）来分析不同TC浓度下沿海湾沉积物中细菌群落的动态变化、组装过程及其功能。结果表明，细菌群落的多样性、结构和分类组成变化受暴露时间的影响大于浓度变化。细菌群落的多样性随暴露时间线性增加。此外，随着暴露时间的延长，细菌群落的功能能力发生了显著变化。群落结构变得更加复杂，30天的网络显示出最多的节点数、最高的平均度（Avgk）、最大的图密度（GD）和最低的平均路径长度。鲁棒性分析表明，去除某些节点后，30天的网络仍保持相对较高的连通性，表明这一阶段的细菌群落具有更高的结构稳定性。此外，NST结果表明，细菌群落的组装过程从确定性转变为随机性。这些发现为未来研究污染物暴露下生态系统的微生物多样性提供了宝贵的见解。

引言

沿海湾生态系统是沿海环境的重要组成部分，在生物地球化学循环中发挥着关键作用。它们对于保护生物多样性和提供宝贵的生态系统服务至关重要（Balke等人，2011年）。然而，农业、渔业、工业和城市化等人类活动显著改变了这些沿海生态系统的环境因素，导致其功能发生变化（Tang等人，2018年）。因此，通过研究人为干扰对其动态成分的影响，可以增强我们对海湾生态系统生态过程的理解。细菌通过积极参与生物地球化学循环在沿海生态系统中发挥着关键作用。这些微小微生物负责各种基本过程，包括养分循环、污染物分解以及即使在环境变化的情况下也能维持稳定的生态系统服务（Liang等人，2023年）。细菌群落的结构会随着环境波动而变化，且被认为具有很低的抵抗力和恢复力（Eckert等人，2023年；Li等人，2023年）。此外，由于细菌数量众多、分布广泛、繁殖周期短以及对污染物高度敏感，它们成为评估水生生态系统环境质量的指标（Hussain，2019年）。

识别人为干扰在沿海湾生态系统中的程度和机制对于保护和管理生态系统以减轻风险至关重要（Cairns等人，2020年）。然而，由于沿海湾系统的复杂特性，很难区分由人类活动引起的干扰和自然变化。抗生素的使用就是一个典型的例子。自20世纪40年代以来，抗生素（如四环素、环丙沙星）被用于治疗动物和人类疾病，以及陆地农业和水产养殖（Nguyen等人，2021年）。近几十年来，由于抗生素的滥用及其不完全降解，这些物质在各种环境中被检测到，而沿海湾生态系统特别容易受到过量人为抗生素压力的影响，浓度范围从ug/L到mg/L不等，导致严重的环境污染（Burke等人，2016年；Harnisz等人，2015年；Qiao等人，2012年；Xu等人，2016年）。

与大多数化学污染物不同，抗生素直接针对原核生物，尤其是细菌，从而对微生物生态系统构成不成比例的风险。尽管环境相关浓度可能不会引起急性毒性，但其持续输入和积累的生态后果仍 largely 未知。以往关于沿海沉积物中抗生素的研究主要依赖于环境调查，显示抗生素残留物（包括四环素）广泛存在，并且与微生物群落结构的变化和抗生素抗性基因的富集显著相关（Chen等人，2023年；Chen等人，2023年；Wang等人，2023年）。这些发现表明，慢性抗生素污染可能对沉积物微生物群落施加强烈的选择压力。虽然许多研究阐明了抗生素暴露、抗生素抗性基因（ARGs）和微生物群落组成之间的关系（Larsson和Flach，2022年），并且已经分离出几种能够降解抗生素的细菌菌株（Huang等人，2012年；Reis等人，2018年；Shao等人，2018年），但在将微生物分类与功能联系起来以及理解抗生素暴露期间的群落组装过程方面仍存在重大知识空白。最近，微生物共现网络作为一种强大的工具出现，用于揭示物种相互作用和群落组织（Hernandez等人，2021年；Liang等人，2021年；Dong等人，2022年），但其在模拟沿海湾细菌群落中的抗生素暴露应用仍然有限。此外，微生物群落的组装受到确定性和随机性机制的共同影响，这两种机制对群落结构和功能有不同的影响。确定性过程源自生态位理论，由环境过滤和物种相互作用决定，影响微生物的适应性、组成和数量。随机过程基于中性理论，涉及突变、出生和死亡等随机事件，导致群落结构的不可预测波动（Zhou等人，2017年；Zhou等人，2017年；Chen等人，2022年）。鉴于细菌是沿海湾生态系统中的优势种群，并且对抗生素高度敏感，解码它们在抗生素暴露下的物种相互作用和群落组装机制对于理解这些环境中微生物群落的生态后果和内部动态至关重要。

海洲湾由七个岛屿组成，是一个典型的半封闭海湾，位于南黄海的西缘。它占地820平方公里，不仅是中国最重要的渔业和水产养殖区之一，还拥有繁荣的旅游业，使其成为典型的沿海地区（Sun等人，2020年）。目前对海洲湾的研究主要集中在多环芳烃、重金属和微塑料上（Feng等人，2019年；Gao等人，2023年；Zhang等人，2013年）。抗生素研究的主要重点是探索微生物群落组成的空间和时间分布以及抗生素抗性基因（Fan等人，2023年）。然而，关于不同浓度的抗生素暴露对海洲湾沉积物中细菌群落的影响以及群落组装机制的研究仍然有限。在这项研究中，我们研究了海洲湾近岸沉积物中的微生物群落对不同浓度和TC暴露时间的响应。在培养期间，使用16S rRNA测序技术分析了细菌群落的多样性特征、功能结构、群落共现网络和群落组装过程。本研究的目标如下：（i）阐明不同浓度和暴露时间对细菌群落结构的影响；（ii）预测不同浓度和暴露时间下细菌群落功能结构的变化；（iii）揭示细菌群落如何相互作用以维持稳定性。这项研究的发现将提供有价值的数据，可用于未来对沿海湾和水产养殖生态系统的研究。此外，它们将为我们理解细菌群落在抗生素暴露下的多样性特征提供新的视角。

章节摘录

样本收集和实验设计

从海洲湾的一个近岸站点（N 34°58′28.47″，E 119°31′36.73″）收集了表层沉积物样本（0–5厘米）。表层沉积层通常被认为是沿海生态系统中生物活性最高且对环境干扰反应最敏感的，因此常用于研究外部污染物对沉积物微生物群落的影响（Zhou等人，2017年）。本研究中使用的所有沉积物样本均来自这个站点，没有

细菌群落组成和α多样性的演替

将一个沿海湾群落在不同浓度的TC下培养30天，以研究细菌群落的动态变化。具体的培养条件在“材料与方法”部分有详细说明。在扩增和测序细菌16S rRNA基因后，经过质量测试和序列筛选，获得了6057个高质量ASVs。细菌群落的组成对浓度变化表现出响应

细菌群落的动态

抗生素虽然是治疗临床感染性疾病的重要药物，但由于其过度使用，已成为普遍的环境污染物。因此，了解细菌群落对抗生素暴露的响应可以为我们提供关于细菌群落对外部干扰的恢复力和抵抗力的宝贵见解（Cairns等人，2020年）。在这项研究中，结果表明，在

结论

在本研究中，我们分析了TC浓度和暴露时间对海洲湾沿海沉积物中细菌微生物群落动态的影响。利用16S rRNA扩增子测序以及各种统计分析，我们观察到随着暴露时间的增加，细菌群落的多样性、结构和分类组成发生了更明显的变化。多样性呈线性增加，同时伴随着显著的

CRediT作者贡献声明

杨珊珊：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。王翔：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，方法学，研究，正式分析，数据管理。顾晨婷：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFC3105302）、国家创新人才博士后计划（BX20220278）和中国博士后科学基金（2022M710136）的支持。