南極菲爾德斯半島潮間帶沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析及產(chǎn)酶菌株初步篩選

吳蕾蕾 商麗 孫浩 史曉翀,2 張曉華,2

研究論文

南極菲爾德斯半島潮間帶沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析及產(chǎn)酶菌株初步篩選

吳蕾蕾1商麗1孫浩1史曉翀1,2張曉華1,2

(1中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院, 山東 青島 266003;2青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

為了研究南極菲爾德斯半島潮間帶沉積物細(xì)菌群落組成及可培養(yǎng)細(xì)菌產(chǎn)酶活性, 選取潮間帶19個(gè)站位沉積物樣品, 利用Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)沉積物中細(xì)菌的群落組成進(jìn)行研究; 利用熒光定量PCR技術(shù)定量測(cè)量沉積物中總細(xì)菌的絕對(duì)豐度; 利用傳統(tǒng)的平板涂布法對(duì)16個(gè)站位的沉積物樣品中可培養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行純化和鑒定, 同時(shí)選取38株細(xì)菌進(jìn)行酶活性篩選。結(jié)果顯示: 19個(gè)站位潮間帶沉積物樣品共得到2 375個(gè)分類操作單元OTU(operational taxonomic unit), 共獲得42個(gè)細(xì)菌門, 其中變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、放線菌門(Actinobacteria)為優(yōu)勢(shì)類群?？偧?xì)菌的豐度介于2.51×107~6.65×108copies·g–1。對(duì)于可培養(yǎng)細(xì)菌, 129株測(cè)序的細(xì)菌分屬于4個(gè)門, 25個(gè)屬, 50個(gè)種。變形菌門、放線菌門、擬桿菌門為優(yōu)勢(shì)類群, 這與高通量測(cè)序結(jié)果基本一致。選取其中38株進(jìn)行酶活性篩選(包括脂酶、淀粉酶、明膠酶、褐藻膠酶和纖維素酶), 發(fā)現(xiàn)17株可產(chǎn)脂酶、24株可產(chǎn)淀粉酶、18株可產(chǎn)明膠酶、4株可產(chǎn)褐藻膠酶和4株可產(chǎn)纖維素酶。

菲爾德斯半島潮間帶沉積物 高通量測(cè)序 可培養(yǎng)細(xì)菌 16S rRNA基因 酶活性

0 引言

南極位于地球最南端, 全年冰雪覆蓋, 酷寒干燥、強(qiáng)光輻射, 土壤養(yǎng)分貧乏, 為典型的極端環(huán)境[1]。南極地區(qū)沒有大型植物以及大型食草類動(dòng)物存在, 植物大多為地衣、苔蘚, 同時(shí)微生物也成為優(yōu)勢(shì)物種[2]。南極微生物在極地生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用, 并且在長(zhǎng)期進(jìn)化的過(guò)程中其生態(tài)特征及群落結(jié)構(gòu)已經(jīng)適應(yīng)南極的極端環(huán)境[3]。因此研究該地區(qū)微生物多樣性有助于加深對(duì)南極生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程的理解, 探究微生物在南極地區(qū)生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮的作用, 同時(shí)為開發(fā)南極可利用的微生物資源提供基礎(chǔ)。

菲爾德斯半島位于南設(shè)得蘭群島的喬治王島西南端, 為無(wú)冰區(qū), 屬于亞南極地區(qū), 并受到海洋氣候的影響。在過(guò)去的50年期間, 多個(gè)國(guó)家在半島建立科考站, 大多數(shù)人類活動(dòng)及陸地生物研究也都聚集在該半島。該半島的西海岸是重要的海豹棲息地, 東海岸設(shè)有多國(guó)考察站, 動(dòng)物及人類活動(dòng)對(duì)該地區(qū)的環(huán)境造成了一定程度的影響。前期對(duì)菲爾德斯半島細(xì)菌多樣性進(jìn)行了一些研究, Xiao等[4]利用變性梯度凝膠電泳(DGGE)的方式對(duì)長(zhǎng)城站附近海水及土壤樣品細(xì)菌多樣性進(jìn)行研究, 結(jié)果表明在土壤及海水樣品中有豐度較高的γ-變形菌綱 (Gammaproteobacteria)、放線菌綱 (Actinobacteria)、黃桿菌綱(Flavobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)。Zeng等[5]利用454焦磷酸測(cè)序?qū)Π⒌吕诪臣伴L(zhǎng)城灣附近表層海水樣品微生物多樣性進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)阿德雷灣樣品細(xì)菌可劃分為18個(gè)門類, 長(zhǎng)城灣樣品細(xì)菌分屬于11個(gè)門類, 其中擬桿菌門、變形菌門為優(yōu)勢(shì)細(xì)菌。在可培養(yǎng)方面, 楊曉等[6]對(duì)半島土壤樣品的細(xì)菌多樣性進(jìn)行研究, 并闡述了人類活動(dòng)及企鵝、海豹對(duì)細(xì)菌多樣性的影響。這些研究證實(shí)了盡管處于較為特殊的低溫環(huán)境中, 菲爾德斯半島的微生物群落仍有較高的豐度和多樣性。此外, 還有研究對(duì)可培養(yǎng)菌株進(jìn)行低溫酶篩選, 獲得了產(chǎn)蛋白酶、脂肪酶等活性的菌株[7-8], 用于后續(xù)低溫酶的開發(fā)使用。然而這些研究?jī)H通過(guò)非可培養(yǎng)或可培養(yǎng)單一方法闡釋了半島細(xì)菌群落組成, 通過(guò)高通量測(cè)序與傳統(tǒng)平板培養(yǎng)法結(jié)合來(lái)研究潮間帶沉積物環(huán)境樣品中細(xì)菌的群落組成的研究目前還很少。

本研究將2016年中國(guó)第32次南極科學(xué)考察采集的菲爾德斯半島潮間帶19個(gè)站位的沉積物作為研究對(duì)象, 通過(guò)高通量測(cè)序分析此地區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu), 利用熒光定量PCR測(cè)定環(huán)境中總細(xì)菌豐度。同時(shí)利用傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法對(duì)16個(gè)站位的沉積物樣品可培養(yǎng)細(xì)菌進(jìn)行分離鑒定, 初步揭示潮間帶沉積物中可培養(yǎng)細(xì)菌的多樣性。同時(shí)選取其中38株分離的菌株進(jìn)行產(chǎn)酶活性研究, 為開發(fā)極地低溫酶資源提供數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本實(shí)驗(yàn)所用樣品采自2015—2016年間南極菲爾德斯半島表層0~2 cm潮間帶沉積物。共獲得19個(gè)沉積物樣品, 其中西海岸7個(gè)樣品(W1~W7), 東海岸12個(gè)樣品(E1~E3, E5~E13)(圖1, 表1)。用無(wú)菌鏟鏟取適量沉積物樣品放入無(wú)菌自封袋中, 于-20℃冰箱保存, 返回實(shí)驗(yàn)室后保存在-80℃冰箱用于后續(xù)DNA提取。選取16個(gè)站位的沉積物樣品(除E8、E11、E12), 稱取約1 g于15 mL 0.85% (w/v)的生理鹽水中混勻, 吸取100 μL于900 μL無(wú)菌生理鹽水中混勻, 吸取100 μL的渾濁液現(xiàn)場(chǎng)涂布于2216E(MA)、R2A培養(yǎng)基[9]上, 4℃培養(yǎng), 返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分離和鑒定。

1.2 菌株DNA提取和高通量測(cè)序

取0.5 g沉積物(濕重), 使用E.Z.N.A土壤DNA取試劑盒(Omega, 美國(guó))[10], 按照試劑盒操作說(shuō)明進(jìn)行總DNA提取并用凝膠電泳法和NanoDrop-2000分光光度計(jì)檢測(cè)DNA的濃度及質(zhì)量。選取16S rRNA基因V4區(qū), 利用引物515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’)和806R(5’- GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)對(duì)16S rRNA基因片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增[11], PCR產(chǎn)物用Axy-PrepDNA凝膠回收試劑盒(Axygen, 美國(guó))進(jìn)行純化與濃縮[12], 利用Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。其中PCR擴(kuò)增、純化和建庫(kù)由上海美吉生物醫(yī)藥有限公司完成, 測(cè)序所得原始序列上傳至NCBI數(shù)據(jù)庫(kù), 登錄號(hào)為: SRP226771。

圖1 菲爾德斯半島潮間帶沉積物樣品采集站位圖

Fig.1. Sampling sites of intertidal sediment samples in the Fildes Peninsula

表1 菲爾德斯半島潮間帶沉積物樣品采集位點(diǎn)信息表

1.3 熒光定量PCR

本實(shí)驗(yàn)室采用熒光定量PCR的方法進(jìn)行細(xì)菌豐度的絕對(duì)定量。采用細(xì)菌通用引物515F/806R擴(kuò)增目的片段。具體試劑及操作見參考文獻(xiàn)[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

Illumina MiSeq測(cè)序得到的數(shù)據(jù)利用Mothur 軟件[14]進(jìn)行去雜得到有效的序列。利用Usearch平臺(tái)將得到的有效序列進(jìn)行OTU聚類, 并在97%的相似性水平下根據(jù)Silva數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行物種的分類注釋。α多樣性通常包含Shannon指數(shù)、Chao1指數(shù)和Good’s物種覆蓋度等[15-17]。對(duì)于β多樣性, 在OTU的分類水平上基于Bray-Curtis距離進(jìn)行非度量多維尺度分析(non-metric multidimensional scaling, NMDS)用于揭示樣品之間的聚簇, 并利用ANOSIM分析檢驗(yàn)差異。利用Canoco 5.0軟件進(jìn)行db-RDA分析以揭示物種聚類及其對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)情況。東西部樣品物種分布的差異檢驗(yàn)由IBM SPSS25.0完成, 利用非參數(shù)檢驗(yàn)中的Mann-Whitney U檢驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算, 同時(shí)利用相同方法與2012年本實(shí)驗(yàn)室的分析結(jié)果進(jìn)行比較分析[18]。

1.5 可培養(yǎng)菌株的分離鑒定及酶活驗(yàn)證

根據(jù)顏色、大小、形態(tài)的不同挑取菌落, 三次劃線分離純化后利用酚氯仿法提取DNA[19]。利用細(xì)菌16S rRNA基因通用引物B8F/B1510進(jìn)行PCR擴(kuò)增[20]。PCR產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶III酶切后進(jìn)行 RFLP分析, 選取圖譜不同的PCR產(chǎn)物送北京六合華大有限公司測(cè)序[21]。通過(guò)EzBioCloud數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.ezbiocloud.net/)對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行比對(duì), 確定菌株的分類地位[22]。對(duì)于淀粉酶、脂酶、明膠酶、褐藻膠酶及纖維素酶平板的配制及驗(yàn)證方法參照文獻(xiàn)[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌多樣性、豐富度和16S rRNA基因豐度

19個(gè)站位樣品高通量測(cè)序共獲得697 260條序列, 平均序列長(zhǎng)度為273 bp, 樣品原始序列數(shù)在31 197~44 799之間, 抽平后序列數(shù)為27 791。97%相似水平下共獲得2 375個(gè)OTU, 菲爾德斯半島東部樣品的OTU數(shù)目(Mn=954)、Shannon指數(shù)(Mn=4.83)和Chao1指數(shù)(Mn=1205)普遍高于西部樣品(Mn分別為610、3.92、823)(獨(dú)立樣品t檢驗(yàn),<0.05)(表2)。每個(gè)站位的覆蓋度數(shù)值(Good’s Coverage)都在98%以上, 表示本研究的采樣可以較好地代表采樣區(qū)域的微生物群落組成。熒光定量PCR結(jié)果顯示, 西部區(qū)域的細(xì)菌豐度平均為3.49×108copies·g–1, W1站位細(xì)菌豐度最高, W4站位細(xì)菌豐度最低, 東部區(qū)域的細(xì)菌豐度平均為1.89×108copies·g–1, E11站位細(xì)菌豐度最高, 在E2、E3和E9站位細(xì)菌豐度較低。

表2 基于97%相似性水平下的OTU的多樣性、豐富度和16S rRNA基因絕對(duì)豐度

2.2 細(xì)菌群落組成

將19個(gè)站位的樣品測(cè)序結(jié)果經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到的OTU表格基于Bray-Curtis距離進(jìn)行NMDS聚類分析(圖2), 可以發(fā)現(xiàn)沿著第一軸的方向上樣品按照東西部區(qū)域進(jìn)行聚類(<0.05)。將細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子進(jìn)行db-RDA分析(圖3), 結(jié)果與NMDS一致, 各站位按照半島東西部分別進(jìn)行聚類。其中經(jīng)度是影響樣品聚類的最主要因素(=7.0,=0.002)(環(huán)境因子數(shù)據(jù)由中國(guó)海洋大學(xué)劉曉收老師提供)。

圖2 OTU水平上基于Bray-Curtis距離的NMDS

Fig.2. NMDS based on Bray-Curtis distance at the OTU level

根據(jù)Silva數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)所得的OTU序列進(jìn)行分類學(xué)注釋。結(jié)果表明, 本實(shí)驗(yàn)沉積物樣品共獲得42個(gè)門, 變形菌門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 達(dá)到40%, 其次是擬桿菌門(30.15%)、放線菌門(18.39%)、浮霉菌門(Planctomycetes, 1.83%)。這4個(gè)門的微生物占總體比例的91.54%, 是南極菲爾德斯半島沉積物中的主要細(xì)菌類群(圖4)。在變形菌門中, γ-變形菌綱占據(jù)較大比例(占總體比例的30.09%), 其次為α-變形菌綱(Alphaproteobacteria, 7.36%)。α-變形菌綱的相對(duì)豐度在東部顯著高于西部(< 0.05), 且在E3站位相對(duì)豐度最高。擬桿菌門中占較高比例的為黃桿菌綱(占擬桿菌門的83.83%), 且東部區(qū)域的黃桿菌綱顯著低于西部區(qū)域(< 0.05)且在E2、E3和E9站位相對(duì)豐度較低。浮霉菌門、綠彎菌門(Chloroflexi)相對(duì)豐度在半島東部顯著高于西部(<0.05), 且在E9站位具有較高的豐度。

圖3 OTU水平上的db-RDA分析

Fig.3. The db-RDA analysis at the OTU level

圖4 豐度占總體比例的前0.5%門水平上的群落堆積圖

Fig.4. Bacterial community composition at phylum level of the more than 0.5% bacteria

在屬的水平上(圖5), γ-變形菌綱的顆粒狀球菌屬()占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(總體比例的19.97%), 其次為黃桿菌科中的一個(gè)還未被分類的類群()(8.89%)。黃桿菌科的屬在東部站位普遍低于西部站位。α-變形菌綱的紅細(xì)菌科(Rhodobacteraceae)與γ-變形菌綱的伍斯氏菌科(Woeseiaceae/JTB255)豐度東部站位顯著高于西部站位。

2.3 可培養(yǎng)細(xì)菌多樣性及胞外酶活性測(cè)定

2016年, 從16個(gè)站位沉積物樣品共分離菌株473株, 經(jīng)過(guò)酶切之后選取圖譜不同的129株細(xì)菌進(jìn)行測(cè)序, 測(cè)序結(jié)果顯示這些細(xì)菌分屬于4個(gè)門, 25個(gè)屬, 50個(gè)種。豐度最高的為擬桿菌門(41株, 20個(gè)種), 其次為變形菌門(38株, 17個(gè)種)、放線菌門(31株, 8個(gè)種)和厚壁菌門(19株, 5個(gè)種)。優(yōu)勢(shì)屬為鹽細(xì)菌屬()、動(dòng)性球菌屬(s)、莫拉氏菌屬()、嗜冷桿菌屬()、節(jié)桿菌屬()等(圖6)。優(yōu)勢(shì)種是阿穆斯基灣鹽水桿菌()(22株)、嗜鹽動(dòng)性球菌()(10株)、鹽晶嗜冷桿菌()(7株)等。從分離培養(yǎng)基來(lái)看, R2A上分離83株, 包括變形菌門27株, 15個(gè)種, 其次為擬桿菌門(25株, 12個(gè)種)、厚壁菌門(15株, 5個(gè)種)、放線菌門(16株, 6個(gè)種)。這87株菌屬于21個(gè)屬, 其中動(dòng)性球菌屬占優(yōu)勢(shì), 其次為莫拉氏菌屬、鹽細(xì)菌屬、嗜冷桿菌屬等。2216E上共分離46株細(xì)菌, 其中放線菌門占優(yōu)勢(shì)(15株, 3個(gè)種), 其次為擬桿菌門(14株, 10個(gè)種)、變形菌門(13株, 8個(gè)種)、厚壁菌門(4株, 2個(gè)種)。46株菌分別屬于17個(gè)屬, 其中鹽細(xì)菌屬占優(yōu)勢(shì), 其次為嗜冷桿菌屬、動(dòng)性球菌屬等。R2A上分離出的細(xì)菌種類較多, 共分離44個(gè)種, 2216E上分離出24個(gè)種。在地理位置上, 東部變形菌門占優(yōu)勢(shì), 其次為擬桿菌門, 在屬水平上嗜冷桿菌屬占優(yōu)勢(shì), 其次為鹽細(xì)菌屬、莫拉氏菌屬等。西部擬桿菌門占優(yōu)勢(shì), 其次為放線菌門, 屬水平上鹽細(xì)菌屬占優(yōu)勢(shì), 其次為動(dòng)性球菌屬、嗜冷桿菌屬等。西部細(xì)菌多樣性高于東部, 呈現(xiàn)出地理位置上的差異。

圖5 豐度在總豐度前0.5%屬水平的heatmap圖

Fig.5. Bacterial community composion at genus level of the more than 0.5% bacteria

圖6 屬水平上可培養(yǎng)細(xì)菌多樣性

Fig.6. Cultivable bacterial diversity at the genus level

依據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道從已測(cè)序的菌株中選取酶活研究較少的種屬38株(表3)進(jìn)行酶活力檢測(cè)。其中24株細(xì)菌具有淀粉酶活性, 有17株可以降解吐溫20, 12株可以降解吐溫40, 5株可以降解吐溫80, 同時(shí)可以降解吐溫20和40的菌株有10株, 同時(shí)可以降解吐溫20、40、80的有4株, 具有褐藻膠酶活性的有4株, 具有明膠酶活性的有18株, 具有纖維素酶活性的有4株。其中具有兩種或者兩種以上酶活性的菌株占55%, 表明菲爾德斯半島地區(qū)微生物具有較廣泛降解大分子物質(zhì)的能力。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)所用樣品為2016年中國(guó)第32次南極科考采集的南極菲爾德斯半島潮間帶19個(gè)站位的沉積物。為了研究潮間帶沉積物細(xì)菌的群落組成, 我們采用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)以及傳統(tǒng)的分離培養(yǎng)法系統(tǒng)地對(duì)非可培養(yǎng)以及可培養(yǎng)細(xì)菌多樣性進(jìn)行研究。對(duì)高通量結(jié)果進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)變形菌門、擬桿菌門、放線菌門為主要優(yōu)勢(shì)類群, 其中, 變形菌門中的γ-變形菌綱占比最高, 這與其他的研究結(jié)果基本一致[24-25]。擬桿菌門在海洋環(huán)境、土壤及沉積物中也是廣泛分布的一個(gè)類群, 在本研究中也具有較高豐度(30.15%)。據(jù)報(bào)道, 該門類細(xì)菌可以降解環(huán)境中存在的大分子聚合物, 如幾丁質(zhì)、纖維素等[26],為其他的異養(yǎng)細(xì)菌提供能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本研究通過(guò)NMDS分析(圖2)發(fā)現(xiàn)采取的樣品基本按照東西部進(jìn)行分離, 可能是因?yàn)榘雿u的東海岸多個(gè)國(guó)家建有科考站, 而西海岸有較多的動(dòng)物棲息, 造成東西海岸微生物的分布不同[6]。在研究中我們發(fā)現(xiàn)位于河口附近的E2、E3以及長(zhǎng)城站附近的E9站位微生物組成與其他站位顯著不同, qPCR結(jié)果證明這3個(gè)站位細(xì)菌豐度也較低(表2)。其中黃桿菌綱在E2、E3站位豐度較低, 具體表現(xiàn)為黃桿菌科中的一個(gè)還未被分類的類群和屬, 據(jù)報(bào)道, 海洋來(lái)源的黃桿菌具有可以編碼視紫紅質(zhì)蛋白的基因, 使細(xì)菌在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富或者缺乏的情況下通過(guò)光照獲得能量[27]。其中在這兩個(gè)站位中檢測(cè)出裝甲菌門(Armatimonadetes)、暗黑菌門(Atribacteria)、迷蹤菌門(Elusimicrobia), 這在其他站位并沒有檢測(cè)到。研究表明, 暗黑菌門在缺氧的富甲烷沉積物中比較常見[28]。E9站位中綠彎菌門的厭氧繩菌科(Anaerolineaceae)和δ-變形菌綱(Deltapro-teobacteria)豐度較高。厭氧繩菌科已有研究證明在烴類有機(jī)物質(zhì)多的區(qū)域較為豐富[29]。δ-變形菌綱中大多數(shù)細(xì)菌屬于硫酸鹽氧化菌, 暗示在該站位經(jīng)常發(fā)生硫酸鹽氧化還原反應(yīng), 脫硫桿菌()占δ-變形菌綱的63%, 其數(shù)量會(huì)隨著有機(jī)污染的增加而增多[30]。E9站位位于長(zhǎng)城站附近, 人類活動(dòng)對(duì)該站位微生物分布具有較大影響[31]。通過(guò)db-RDA分析(圖3)發(fā)現(xiàn)樣品分布規(guī)律與NMDS結(jié)果一致, 但環(huán)境因子包括溫度、鹽度、pH和葉綠素對(duì)各站位微生物群落聚類沒有顯著影響, 表明該地區(qū)影響微生物群落結(jié)構(gòu)和分布的主要因素可能仍需要進(jìn)一步研究。

表3 胞外酶活性檢測(cè)

*菌株具有的酶活性以“透明圈直徑/菌落直徑”表示, -表示無(wú)活性, W表示活性微弱。

與2012年分析結(jié)果(NCBI登錄號(hào)為: SRP045912)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn), 本研究中的β-變形菌綱、疣微菌門 (Verrucomicrobia)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)、硝化螺菌門(Nitrospirae)具有相對(duì)較高的豐度, 厚壁菌門和ε-變形菌綱(Epsilon-proteobacteria)具有相對(duì)較低的豐度 (<0.05), 表現(xiàn)出年際變化。有文獻(xiàn)報(bào)道, 藍(lán)細(xì)菌門的光合作用有利于沉積物顆粒形成, 促進(jìn)有機(jī)碳沉淀, 在極地環(huán)境中占主導(dǎo)[32]。硝化螺菌門在污水處理廠具有廣泛分布, 可以利用各種有機(jī)化合物及亞硝酸鹽等物質(zhì)[33]。這些結(jié)果表明, 相比于2012年, 菲爾德斯半島沉積物中有機(jī)物含量可能增加, 導(dǎo)致相關(guān)細(xì)菌數(shù)量發(fā)生變化, 這還需要多方面的證據(jù)。

對(duì)于可培養(yǎng)細(xì)菌, 在先前對(duì)南極不同地區(qū)沉積物微生物多樣性的研究中, 分離出的細(xì)菌分屬于變形菌、擬桿菌、放線菌和厚壁菌[34-36]。本研究中分離得到的主要為變形菌, 其次為放線菌、擬桿菌, 這與以往的研究基本一致。丁新彪等[35]從普里茲灣及鄰近海域沉積物中分離出較多假交替單胞菌屬(), 其次為屬科爾韋爾氏菌屬()等。李勝男[37]從南極菲爾德斯半島潮間帶沉積物中分離出較多的假交替單胞菌屬、動(dòng)性球菌屬、屬、嗜冷桿菌屬等。本研究中優(yōu)勢(shì)屬為鹽細(xì)菌屬、嗜冷桿菌屬、莫拉氏菌屬、節(jié)桿菌屬等。這與上述結(jié)果具有一定的差異, 可能與采樣時(shí)間位點(diǎn)及培養(yǎng)方式有關(guān)。從分離培養(yǎng)基來(lái)看, R2A可以分離出較多種類的細(xì)菌, 這在2216E培養(yǎng)基上沒有得到分離, 這也為以后分離菲爾德斯半島可培養(yǎng)細(xì)菌提供思路。根據(jù)地理位置來(lái)看, 門水平上, 東部變形菌門和擬桿菌門占優(yōu)勢(shì), 西部擬桿菌門和放線菌門占優(yōu)勢(shì)。屬水平上, 東部?jī)?yōu)勢(shì)類群主要為嗜冷桿菌屬, 西部的優(yōu)勢(shì)類群主要是鹽細(xì)菌屬, 且西部區(qū)域的多樣性高于東部區(qū)域, 可能是地理位置對(duì)細(xì)菌分布產(chǎn)生部分影響。

南極常年冰雪覆蓋, 溫度較低, 微生物能在這種寒冷的條件生存, 細(xì)菌體內(nèi)關(guān)于各種代謝的低溫酶起到很大的作用。在先前的研究中, 各國(guó)科學(xué)家從南極不同地區(qū)采集的樣品中分離出可以在低溫條件下具有較強(qiáng)降解酶活性的微生物菌株[38-39]。本研究在較低的溫度下對(duì)38株細(xì)菌的5種酶活性進(jìn)行篩選, 其中產(chǎn)淀粉酶的菌株占比較大, 其次為脂肪酶。低溫淀粉酶在工業(yè)上主要應(yīng)用于制作面食, 可以減少發(fā)酵時(shí)間, 提高口感, 還可以用于造紙、釀造及微生態(tài)制劑等多種領(lǐng)域。低溫脂肪酶可以作為洗滌添加劑提高洗滌效果, 也可應(yīng)用于造紙行業(yè)。低溫條件下分離得到的微生物是生產(chǎn)低溫酶的主要來(lái)源, 具有良好的應(yīng)用潛力。

此外, 我們通過(guò)非培養(yǎng)方法獲得的優(yōu)勢(shì)菌株中豐度較高的顆粒狀球菌屬、屬、屬、屬并沒有通過(guò)可培養(yǎng)的方式分離到。這可能與我們采用的有限的分離培養(yǎng)條件有關(guān)。這些類群大多屬于寡營(yíng)養(yǎng)類群, 且生長(zhǎng)緩慢。有報(bào)道顆粒狀球菌屬、屬、屬可以用1/10的R2A或者2216E培養(yǎng)基進(jìn)行分離, 而屬則有專門的R培養(yǎng)基[40-43]。而我們所用培養(yǎng)基沒有經(jīng)過(guò)稀釋, 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較豐富, 因此適合這種培養(yǎng)條件的細(xì)菌快速生長(zhǎng)后限制了這些寡營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)。這提示我們?cè)谶M(jìn)行環(huán)境微生物分離過(guò)程中, 可以通過(guò)非培養(yǎng)的結(jié)果作為參考, 設(shè)計(jì)更合理的培養(yǎng)方案, 以提高可培養(yǎng)細(xì)菌的多樣性, 更好地利用南極微生物資源。

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BACTERIAL COMMUNITY STRUCTURE OF INTERTIDAL SEDIMENTS IN THE FILDES PENINSULA, ANTARCTICA, AND PRELIMINARY SCREENING OF ENZYME-PRODUCING STRAINS

Wu Leilei1, Shang Li1, Sun Hao1, Shi Xiaochong1,2, Zhang Xiaohua1,2

(1College of Marine Life Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266003, China;2Laboratory of Marine Ecology and Environmental Science, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

To study the composition of the bacterial community and enzyme-producing activity of cultivable bacteria in the intertidal sediments of the Fildes Peninsula, Antarctica, sediment samples from 19 sites of the intertidal zone were collected, and the bacterial community composition of these sediments was sequenced by high-throughput sequencing using Illumina MiSeq technology. The absolute abundance of total bacteria in the sediments was measured by real-time PCR. The plate coating method was used to purify and isolate the culturable bacteria of sediment samples from 16 sites. Thirty-eight strains of bacteria were selected for the screening of enzyme activities. In total, 2 375 operational taxonomic units (OTUs) of the intertidal sediment samples were obtained, and these OTUs were assigned into 42 bacterial phyla, of which Proteobacteria, Bacteroidetes, and Actinobacteria were the dominant groups. The abundance of total bacteria ranged from 2.51 × 107to 6.65 × 108copies·g?1. Among culturable bacteria, 129 strains were assigned to four phyla, 25 genera, and 50 species. Proteobacteria, Actinobacteriaand Bacteroides were the predominant groups, which were basically consistent with the results of high-throughput sequencing. Thirty-eight strains were selected for the screening of low-temperature enzyme activities (including lipase, amylase, gelatinase, alginate, and cellulase), and 17 strains were found to produce lipase, 24 strains produced amylase, 18 strains produced gelatin, four strains produced alginate, and four strains produced cellulase.

intertidal sediments of the Fildes Peninsula, high-throughput sequencing, culturable bacteria, 16S rRNA gene, enzyme activity

2019年11月收到來(lái)稿, 2019年12月收到修改稿

國(guó)家海洋局極地專項(xiàng)(CHINARE-04-01、CHINARE-02-01)資助

吳蕾蕾, 女, 1996年生。碩士生, 主要研究方向?yàn)槟蠘O微生物多樣性。E-mail: wuleilei0524@163.com

史曉翀, E-mail:shixiaochong@ouc.edu.cn

10. 13679/j.jdyj.20190069