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沉積物中好氧反硝化細菌的分布及潛在活性  

來源：Ciencias Marinas, Vol. 50, 2024, Article e3459

《海洋科學》第50卷，2024年，文章編號：e3459

 

摘要內容

 

摘要評估了墨西哥圣金廷灣（Bahía de San Quintín）沉積物中好氧反硝化細菌的分布、潛在活性及其與環境參數的關系。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和無海草）的沉積物中分離了1,611株細菌，其中85.1%攜帶反硝化基因（nirK、nirS或nosZ）。這些細菌分布不均，主要受沉積物質地、pH、總有機碳（TOC）和總氮（TN）影響，表層沉積物中反硝化細菌豐度最高（66.2%）。通過系統發育分析，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個物種。在好氧條件下，7個物種（如Paracoccus marcusii、Pseudomonas songnenensis等）被證實具有反硝化活性。研究表明該瀉湖沉積物富含攜帶反硝化基因的可培養細菌，但多數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基因（nas、nar、nap）未表達有關。

 

研究目的

 

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

 

研究思路

采樣設計：在圣金廷灣布設3個站點（灣口、中部、灣頭），采集有/無海草生境的沉積物巖芯（2深度×2生境×3站點），共12個復合樣本。  

 

環境參數測量：  

 

水體參數（溫度、鹽度、溶解氧；表2）  

 

 

沉積物理化性質（質地、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）  

 

細菌分離與鑒定：  

 

使用選擇性培養基（Marine/Braker培養基）分離細菌  

 

PCR檢測反硝化基因（nirK/nirS/nosZ；表1引物）  

 

 

16S rRNA測序構建系統發育樹（圖4）  

 

活性驗證：  

 

好氧條件下進行NO??/NO??還原試驗（表5）  

 

數據分析：  

 

α多樣性指數（表4）、熱圖聚類（圖5a）、環境因子相關性（圖5b）、NMDS群落結構（圖6）  

 

 

 

 

測量數據及其來源與意義

水體參數（表2）：  

 

數據：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境背景。  

沉積物理化性質（表3）：  

 

數據：  

 

質地（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：揭示沉積物異質性（如灣頭富有機質、灣口多砂質），驅動反硝化菌分布（圖5b, 圖6）。  

溶解氧剖面（圖2）：  

 

數據：沉積物0–5 mm深度溶解氧濃度  

 

意義：證實沉積物2 mm以下缺氧，為好氧/厭氧反硝化共存提供微環境證據。  

基因豐度與菌群分布（圖3）：  

 

 

數據：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質成為反硝化熱點。  

反硝化活性（表5）：  

 

數據：7個物種（如P. marcusii、P. songnenensis等）在好氧條件下還原NO??/NO??  

 

意義：首次驗證圣金廷灣菌株的好氧反硝化能力。  

 

結論

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

 

活性驗證：7個物種在好氧條件下表現反硝化活性，但多數菌株因基因未激活或無硝酸鹽還原基因（nas/nar/nap）而未檢測到活性。  

 

生態意義：好氧反硝化菌可能通過分支電子傳遞鏈促進氮去除，尤其在滲透性沉積物（如灣口砂質區）和海草床有機質富集區作用顯著。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

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

揭示微尺度缺氧環境：數據顯示沉積物表層（0–2 mm）含氧，但2 mm深度以下迅速缺氧（O?濃度趨近0）。這種梯度證實了沉積物內好氧與厭氧微生境共存，為好氧反硝化細菌提供了代謝基礎——它們可在有氧環境中利用缺氧微區進行反硝化。  

 

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

 

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

 

生態過程關聯：缺氧微環境促進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途徑（如DNRA或反硝化競爭電子受體）。