河流沉积物中细菌群落结构的空间变化及其对污染的响应

《Journal of Contaminant Hydrology》：Spatial variation in bacterial community structure and pollution response in river sediment

奥贡河下游沉积物细菌群落受人类活动影响显著，通过PacBio测序发现高污染区（A）细菌多样性最低，以Thauera和Psychrobacter为主，而低污染区（B）多样性最高。环境参数中pH和PAHs（以荧蒽和菲为主）对群落结构影响最大。

　　

萨拉梅图·赛布（Salametu Saibu）|奥卢瓦费米·S·奥巴约里（Oluwafemi S. Obayori）|保罗·N·迪亚格博亚（Paul N. Diagboya）|西米索拉·O·奥索（Simisola O. Oso）|阿马拉奇·E·谢德拉克（Amarachi E. Shedrack）|鲁卡亚特·O·阿格博梅吉（Rukayat O. Agbomeji）|玛丽亚姆·O·埃莱图（Mariam O. Eletu）|奥卢瓦凯米·R·阿吉比克（Oluwakemi R. Ajibike）|费思·M·伊索拉（Faith M. Ishola）|鲁思·N·阿迪马布阿（Ruth N. Adimabua）|加尼尤·O·奥耶蒂博（Ganiyu O. Oyetibo）

尼日利亚拉各斯州立大学理学院微生物学系

摘要

河流是独特的生态系统，污染现象频繁发生，改变了水体和沉积物的生物地球化学特性。然而，关于人类活动对奥贡河（River Ogun）下游的影响知之甚少。本研究通过比较沉积物的物理化学性质和样本中的细菌群落结构，评估了人为活动与沉积物细菌群落之间的关系。样本取自河流下游的四个不同地点。这些地点的细菌群落结构通过16S rRNA基因PacBio测序进行了分析。总多环芳烃（PAHs）含量在B地点最低（6.95 mg/kg），在A地点最高（15.6 mg/kg）。沉积物中的主要细菌门类为假单胞菌门（Pseudomonadota）、杆菌门（Bacillota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和放线菌门（Actinomycetota）。在所有地点都观察到了Thauera的显著丰度，尤其是在A地点，而以降解塑料著称的Psychrobacter仅在该地点被检测到。在所有地点中，A地点的细菌多样性最低，这体现在物种丰富度和均匀性上，其中Thauera selenatis群和Psychrobacter maritimus占主导地位。B地点的细菌多样性最高，C和D地点的多样性处于中等水平，相似度指数为40%。显著影响β多样性的环境变量包括pH值、蒽和荧蒽。本研究提供了关于被塑料、重金属和持久性有机化合物污染的淡水环境中细菌宏基因组的见解。研究结果强调了整合宏基因组学和物理化学分析以识别影响生态系统动态的关键因素的价值。

引言

淡水生态系统，特别是河流，是生物圈的重要组成部分，支持着多样的微生物以及水生和陆地生物。它们有助于维持生态平衡、调节水循环，并充当天然过滤器。此外，河流还是重要的饮用水和灌溉水源，对人类生存至关重要（Allan等人，2021；Naka等人，2022）。然而，这些生态系统经常受到来自人类活动的各种无机和有机污染物的影响。这种污染引发了人们对环境退化、生物多样性丧失和相关公共卫生风险的日益关注（du Plessis，2022；Lin等人，2022；Behera等人，2023；Rout等人，2023）。河流沉积物是许多污染物的最终汇，了解它们对沉积物微生物的影响对于评估河流生态系统的整体健康状况至关重要。沉积物在维持水生环境的功能、健康和结构方面起着重要作用。它们容纳了多样的微生物，为植物和动物提供栖息地，并可能成为持久性有机污染物的储存库，从而影响生物地球化学循环并参与气候调节（Hauer等人，2018；Cardoso等人，2019）。

沉积物中的细菌群落在营养循环、有机物分解和污染物降解中起着重要作用（Behera等人，2020a；Huang等人，2021；Zhang等人，2024）。微生物自然地转化各种有机化合物，将其重新引入全球碳循环。先前的研究表明，拟杆菌门（Bacteroidetes）、假单胞菌门（Pseudomonadota）和绿弯菌门（Chloroflexi）通常在沉积物中的细菌群落中占主导地位（Obi等人，2016；Shao等人，2023）。此外，沉积物微生物对影响河流的污染物反应迅速，使其成为河流污染的宝贵生物指标，并能提供有关环境变化的见解。这些细菌群落的分布取决于污染浓度、位置和环境因素（Obi等人，2016；Zhang等人，2020；Di等人，2024）。环境中的污染通常有利于能够生存的微生物的增殖，同时抑制对生态系统具有生态重要性的微生物（Saibu等人，2023；Ashade等人，2024；Innocent等人，2024）。因此，监测沉积物细菌多样性对于理解微生物对干扰（如污染物）的响应、保护水生生态系统以及制定有效的生态系统管理和污染控制策略至关重要。为了全面了解细菌群落，已经应用了高通量测序技术来研究在实验室难以培养的水生和土壤环境中的微生物群落（Behera等人，2020a；Das等人，2020；Choudhury等人，2023；Rout等人，2023）。

奥贡河（River Ogun）是尼日利亚西部地区的主要水源，受到工业和家庭废物的影响。该河发源于尼日利亚西南部的奥约州（Shaki和Sepeteri镇），流经奥贡州，最终在Iseri镇注入拉各斯泻湖，那里有卡拉牲畜市场和屠宰场。研究表明，该市场的人类活动严重污染了河流（Oketola等人，2006；Jaji等人，2007；Olaniran等人，2019；Sogbanmu等人，2019），从而影响了水生生物、水质和沉积物污染。农业、工业和市政废物，如部分燃烧的材料、屠宰场径流、动物废物和牲畜市场的饲料，是河流污染的主要来源。沉积物中的污染物可能对最终流入大西洋的拉各斯泻湖产生不利影响。

此前已有报道指出，靠近牲畜市场的河段存在营养物质、重金属、多环芳烃（PAHs）和粪便污染（Adesina等人，2018；Adesina等人，2024）。然而，关于河流下游不同河段细菌群落组成与物理化学参数关系的高通量研究仍然有限。不同类型和强度的人类活动对该生态系统中细菌群落的潜在影响尚未得到充分研究。因此，更清楚地了解河流下游不同地点（居民区、市场周边和非居民区）沉积物中的细菌群落组成，将有助于增进对人类影响的认识，并为河流修复提供有价值的见解。我们推测，不同采样地点的污染水平空间差异可能导致沉积物细菌群落结构的显著差异，受污染地点的多样性较低，而耐污染和具有代谢适应性的细菌类群相对较多。因此，本研究调查了奥贡河不同地点沉积物的物理化学性质和细菌群落结构。这将帮助我们了解不同人为活动对该生态系统中细菌群落的影响，尤其是在它们进入泻湖之前。此外，该研究还将识别对生物地球化学循环至关重要的细菌，以及可能指示污染物降解的细菌。此外，还将确定与细菌群落结构变化最相关的环境变量，以及作为河流沉积物污染压力指标的具体细菌类群。因此，本报告提供了关于人为活动变化对细菌物种丰富度和均匀性、影响细菌群落结构的物理化学参数以及污染对奥贡河沉积物总体影响的见解。本研究的新颖之处在于应用了沉积物细菌群落的扩增子宏基因组学分析，并结合了详细的物理化学元数据——这种设计在尼日利亚河流研究中并不常见。这项研究将有助于了解热带非洲河流系统对污染的响应。

研究地点和采样

奥贡河（River Ogun）是尼日利亚西南部的主要河流之一，总面积为22.4平方公里。该河发源于奥约州（Oyo State），流经奥贡州（Ogun State）和拉各斯州（Lagos State），最终注入拉各斯泻湖（Lagos lagoon）。河流不断接收来自啤酒厂、屠宰场、染料工业和家庭废水的排放物，最终注入拉各斯泻湖和大西洋（Atlantic Ocean）。河流中采样点的GPS坐标在图1中标示。

沉积物特征

对四个沉积物样本的物理化学性质进行的研究表明，除了A地点呈碱性（pH 8.5）外，所有样本的pH值均接近中性。B地点的总重金属含量最高，其中铁（Fe）在A、B和C地点的总重金属中浓度最高。D地点的重金属浓度最低，锌（Zn）在该地点的浓度最高。镉（Cadmium）的含量超过了可接受水平。

讨论

奥贡河下游是河流的最后一段，在到达拉各斯泻湖和大西洋之前容易积累来自各种来源的污染物。沉积物中的微生物群落在营养循环、维持健康的淡水生态系统以及有毒和持久性化合物的降解中起着关键作用（González-Fernández等人，2021；Kuang等人，2023；Sonthiphand等人，2023；Rout等人，2024a）。使用不依赖培养的高通量技术……

结论

本研究提供了关于尼日利亚奥贡河下游特定地点PAHs和其他污染物对沉积物细菌群落影响的见解，提供了有价值的基线数据和新的细菌生态学见解。然而，由于每个地点的样本是复合采集的，观察到的细菌群落模式反映了采样时的现场条件，代表了一个空间平均的时间快照，而不是……

写作过程中人工智能技术的使用声明

作者使用了人工智能辅助技术进行语法和拼写检查。使用该工具后，作者对内容进行了审查和编辑。作者对出版物的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

萨拉梅图·赛布（Salametu Saibu）：撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、正式分析、数据管理、概念化。奥卢瓦费米·S·奥巴约里（Oluwafemi S. Obayori）：撰写——审阅与编辑、软件、方法论。保罗·N·迪亚格博亚（Paul N. Diagboya）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。西米索拉·O·奥索（Simisola O. Oso）：撰写——审阅与编辑。阿马拉奇·E·谢德拉克（Amarachi E. Shedrack）：方法论、调查。鲁卡亚特·O·阿格博梅吉（Rukayat O. Agbomeji）：方法论、调查。玛丽亚姆·O·埃莱图（Mariam O. Eletu）：方法论、调查。奥卢瓦凯米·R·阿吉比克（Oluwakemi R. Ajibike）：

未引用参考文献

Morris和Schmidt，2013

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。