Niche selection in bacterioplankton: A study of taxonomic composition and single-cell characteristics in an acidic reservoir

浮游细菌的生态位选择：酸性储层中分类组成和单细胞特征的研究

来源：Environmental Microbiology Reports. 2024;16:e13255.

 

摘要核心内容

 

研究背景：生态位选择（niche selection）和微生物扩散（dispersal）是塑造微生物群落的关键因素，但其相对重要性因环境和时空尺度而异。多数研究关注群落组成，而忽略了生理阶段和单细胞特征等多层次结构。

方法：在西班牙酸性水库（El Sancho，pH 3.5–4.5）的分层期（stratification）和混合期（mixing），同步分析浮游细菌的分类组成、丰度及单细胞特征。

发现：

分层期识别出5个生态位，混合期仅1个。

典范对应分析（CCA）显示不同生态位的分类和单细胞特征均存在差异。

环境变量对分类组成和单细胞特征的影响不同，但Procrustes分析表明二者变化高度同步（相关性高）。

结论：在微生物扩散不受限的条件下，环境选择是驱动微生物占据不同生态位的主导因素。

 

研究目的

 

识别水库水柱在分层期和混合期的微生物生态位。

确定环境差异是否驱动细菌分类组成和单细胞特征（在扩散率高的条件下）。

评估分类组成与单细胞特征两个结构层次的关联性。

揭示解释群落变异的关键环境因子。

 

研究思路

 

研究系统：

西班牙El Sancho酸性水库（pH 3.5–4.5），受酸性矿山排水（AMD）污染，是研究极端环境微生物生态的理想模型。

采样设计：

分层期（2013年9–10月）和混合期（2014年1–2月）采集不同深度水样（表1）。

 

数据采集：

环境参数：温度、pH、溶解氧（O₂）、荧光、营养盐（NH₄⁺、NOₓ）、碳组分（CO₂、DOC、POC）、叶绿素a（Chl a）、金属浓度（Fe、Al等）。

生物数据：

分类组成：16S rRNA基因测序（OTU分析）。

单细胞特征：流式细胞术量化HNA/LNA亚群丰度、细胞尺寸（SSC）、核酸含量（FL）、FL/SSC比值。

分析方法：

聚类分析（SIMPROF）识别生态位。

典范对应分析（CCA）关联环境因子与生物数据。

Procrustes分析检验分类与单细胞特征变化的同步性。

 

关键数据及其研究意义

1. 环境数据（图1，表S1）

 

测量内容：温度、O₂、pH、荧光、营养盐、金属等垂直剖面。

研究意义：

揭示水库的物理化学梯度（如分层期：表暖氧层→中层DCM→底层低温缺氧）。

Unisense微电极数据意义：

提供高分辨率溶解氧剖面（图1A），识别出"O₂峰值"生态位（16–20 m），该层与金属层最大净生产力相关（Soria-Piriz et al., 2019）。

证明缺氧低氧区的形成（分层期底层O₂接近0），解释了厌氧类群（如δ-变形菌）的富集（图3）。

支持湍流扩散系数（Kd）计算，表明金属层扩散率极低（Kd=5.2×10⁻⁷ m²/s），促进生态位分化。

 

 

2. 细菌分类组成（图2A, 3, S4–S5）

 

测量内容：基于16S测序的OTU、多样性指数、优势菌门/类相对丰度。

研究意义：

变形菌门（Proteobacteria） 主导（47–75%），但类群垂直分异显著：

α-变形菌（表层富集） vs. β/γ/δ-变形菌（深层富集）（图3）。

稀有类群：Armatimonadetes（17%）在酸性环境中首次报道，暗示特殊适应性。

 

3. 单细胞特征（图2B, 4, 5, S6–S7）

 

测量内容：HNA/LNA丰度、FL（核酸含量）、SSC（细胞尺寸）、FL/SSC（标准化核酸含量）。

研究意义：

细胞尺寸（SSC）随深度减小：与中性湖泊相反，可能与紫外线防护或捕食压力相关（图5C）。

FL/SSC峰值在DCM上层：反映高生长活性，与藻类生产力耦合（图5D）。

HNA/LNA比例稳定（~30%/70%），但绝对丰度和单细胞特征因生态位而异（图4, 5）。

 

 

 

核心结论

 

生态位分化：

分层期存在5个生态位（表暖层、O₂峰值层、DCM上层、DCM层、底层），混合期仅1个（图1B）。

环境选择主导：

尽管垂直扩散率高（日均位移达5.7 m），CCA和Procrustes分析（图2C）证实环境因子（温度、DOC、NH₄⁺、Fe）驱动群落多层级结构变化。

群落多层次响应同步：

分类组成（如α-变形菌减少）与单细胞特征（细胞尺寸减小）在垂直梯度上协同变化（r=0.55, p<0.001）。

极端环境特异性：

酸性条件导致：

细菌丰度低于中性湖泊（1–6×10⁵ cells/L）。

古菌稀少（<1% OTUs），与典型AMD环境不同。

表层细胞尺寸增大，可能是紫外线防护策略。

 

Unisense微电极数据的深层意义

 

高分辨率氧剖面的价值：

揭示毫米级氧梯度，精准定位"O₂峰值"生态位（16–20 m），该层与金属层最大净生产力相关（Soria-Piriz et al., 2019）。

证明分层期底层缺氧（图1A），直接解释厌氧类群（如δ-变形菌、OD1候选门）的富集（图3）。

支持扩散率计算：

结合温度剖面计算湍流扩散系数（Kd），证实金属层扩散率极低（Kd=5.2×10⁻⁷ m²/s），为生态位隔离提供物理解释（表S1）。

耦合生物地球化学过程：

低氧区与高CO₂、NH₄⁺、DOC浓度耦合（表S1），驱动异养细菌（如拟杆菌Bacteroidia）在深层富集，凸显碳循环的微生物调控机制。

 

总结

 

该研究通过多层级分析（分类+单细胞）证明：在扩散不受限的酸性水库中，环境选择是塑造细菌群落的核心力量。Unisense微电极提供的关键氧数据，不仅定义了独特生态位，还揭示了化学梯度与微生物功能的紧密耦合，为极端环境微生物生态学研究提供了高分辨率方法范例。