冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中微生物的垂直分布多样性及其对环境因子的响应

邓兴渝, 曹文瑞, 姜明玉, 曾志刚, 常凤鸣, 宋召军

邓兴渝，曹文瑞，姜明玉，等. 冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中微生物的垂直分布多样性及其对环境因子的响应[J]. 海洋地质与第四纪地质，2023，43(5)： 198-213. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2023061901
引用本文: 邓兴渝，曹文瑞，姜明玉，等. 冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中微生物的垂直分布多样性及其对环境因子的响应[J]. 海洋地质与第四纪地质，2023，43(5)： 198-213. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2023061901
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DENG Xingyu，CAO Wenrui，JIANG Mingyu，et al. Microbial vertical diversity in core sediments and its response to environmental factors near the hydrothermal field of the southern Okinawa Trough[J]. Marine Geology & Quaternary Geology，2023，43(5)：198-213. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2023061901
Citation: DENG Xingyu，CAO Wenrui，JIANG Mingyu，et al. Microbial vertical diversity in core sediments and its response to environmental factors near the hydrothermal field of the southern Okinawa Trough[J]. Marine Geology & Quaternary Geology，2023，43(5)：198-213. DOI: 10.16562/j.cnki.0256-1492.2023061901
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冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中微生物的垂直分布多样性及其对环境因子的响应

  • 1.

    山东科技大学地球科学与工程学院，青岛 266590

  • 2.

    中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室，青岛 266071

基金项目: 山东省自然科学基金面上项目“冲绳海槽唐印热液区周边沉积物中硫氧化菌多样性及其硫代谢途径的比较研究”（ZR2020MD088）；国家自然科学基金面上项目“西太平洋铁锰结核的生物成矿特征及其成矿元素的微生物迁移过程研究”（41976202）；中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金课题（MGE2022KG4，MGE2022KG6）；国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“典型弧后盆地热液活动及其成矿机理”（2013CB429700）；泰山学者工程“海底热液系统、岩浆活动、沉积记录与结核结壳研究”（ts201511061）
详细信息
    作者简介:

    邓兴渝（1998—），女，硕士研究生，主要从事地质微生物方向研究，E-mail：dengxingyu@qdio.ac.cn

    通讯作者:

    曹文瑞（1985—），男，副研究员，研究方向为地质微生物，E-mail：wrcao@qdio.ac.cn

  • 中图分类号: P736

Microbial vertical diversity in core sediments and its response to environmental factors near the hydrothermal field of the southern Okinawa Trough

  • 1.

    College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China

  • 2.

    Key Laboratory of Marine Geology and Environment, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China

摘要

    摘要
  • 摘要: 近年来，海底热液环境中的微生物及其环境适应机制已经成为海洋科学研究的热点。目前，相关的研究主要集中在表层沉积物及微生物的水平分布多样性方面，而对柱状沉积物中微生物垂直分布多样性研究却很少。本文基于西太平洋冲绳海槽南部热液区附近S2站位的柱状沉积物样品，通过对其不同层位的样品进行分离培养和16S rRNA基因高通量测序，揭示了样品中可培养微生物和总体微生物的垂直群落分布特征，同时结合对样品主量元素、微量元素、碳氮含量等指标的评估和冗余分析等统计学方法，讨论了微生物群落结构及其对环境因子的响应。研究发现该位点的柱状沉积物有机质含量较为贫乏，存在两个富含Cu-Zn-Pb的层；各个层位的沉积物中微生物类群均以变形菌为主要类群，同时表层沉积物表现出更高的微生物多样性。此外研究还表明柱状沉积物中有机碳含量与其微生物的群落组成有着更为密切的关系。总之， 本研究的结果和获得的菌种资源为进一步深入研究海底热液环境中微生物参与元素地球化学循环的过程提供了一定的基础。
    Abstract: In recent years, microbe and its adaptation mechanism in submarine hydrothermal environment have become the focus of marine science research. At present, relevant researches focus on the horizontal distribution diversity of surface sediments and microorganisms, and only few researches on the vertical distribution diversity of microorganisms in columnar sediments. Based on the columnar sediment samples from the S2 station in the southern hydrothermal area of the Okinawa Trough in the western Pacific Ocean, we revealed the vertical community distribution characteristics of culturable microorganisms and the overall microorganisms in the samples through isolation, culture, and high-throughput sequencing of 16S rRNA gene from the samples at different levels. At the same time, the microbial community structure and its response to environmental factors were discussed by using statistical methods such as the evaluation of major elements, trace elements, carbon and nitrogen contents, and redundancy analysis. Results show that the organic matter content of the core sediment at this site is relatively poor, and Cu-Zn-Pb is rich in two layers; the microbial community of each layer is composed of mainly Proteobacteria, while the surface sediments exhibit higher microbial diversity. Meanwhile, it indicated a closer relationship between the organic carbon content of core sediments and the composition of their microbial communities. This study obtained bacterial strain resources and provided a basis for further research into microbial participation in the geochemical cycle of elements in submarine hydrothermal environment.
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  • 深海沉积环境不仅具有低温、高压等特点，而且还含有复杂和独特的化学成分，不同深海生境（如热液喷口、冷泉、多金属结核区和海山区等）的微生物群落存在显著差异[1]，它们不仅参与元素循环，同时其参与的氧化还原过程也非常复杂[2]。而深海热液区则代表了地球上最具物理和化学多样性的生境[3-4]，其化学梯度和热梯度为微生物群落提供了广泛的生态位[5-6]。

    为了研究与深海热液环境相关的微生物多样性，研究人员利用纯培养和免培养的方法，发现了包括深海热液喷口在内的极端环境中的微生物群落[7]。尽管纯培养的方法对于利用模式微生物来解释验证热液发生过程非常关键，而且对于发现新物种、新的天然活性产物等以及其他有工业应用潜力的天然产品也有重要意义[8-9]，但是由于热液环境的微生物分离培养较为困难，所以这方面的研究目前还较少。Wang等[10]从西北印度洋卡尔斯伯格洋中脊热液区成功分离与纯化到了代表性的菌种，首次证实了该类群微生物具有硫还原功能，并在氢气的氧化过程中获得能量，揭示了其单质硫还原的关键基因和代谢途径。杜瑞等[11]曾对冲绳海槽热液区的硫氧化细菌进行了分离培养，并对其代谢类型和活性进行了初步探究，为深海热液系统的硫循环机制奠定了基础。与纯培养的技术相比，免培养的方法具有检测整个微生物系统多样性的优势，包括尚未培养的微生物的多样性[12-14]。迄今为止，利用免培养方法对冲绳海槽热液区微生物群落的研究相继报道[15-21]，但是这些研究对象大多是热液区的表层沉积物。

    冲绳海槽是西北太平洋的新近纪弧后裂谷盆地，存在着许多活动热液区，在气候生态、海洋矿产资源[22-23]和营养循环中发挥着重要作用[24]。冲绳海槽南部，平均水深在2 000 m以上[25-26]，除具有一般深海环境的高压、低温和黑暗等特点外，该区域还含有丰富的金属资源，其包含锰、铁、镍、钴和铜等几十种元素[27]。本研究样品位于第四与那国（Yonaguni Knoll Ⅳ）热液区以及唐印（Tangyin）热液区附近。其中第四与那国热液区位于长约1 000 m、宽约500 m的狭长的深谷区，活动的热液区呈南-北向排列[28-29]。唐印热液区（25°04′N、122°34′E）则是2014年HOBAB3航次利用“科学号”科学考察船新发现的，它位于雨花山海丘北坡，水深1 206 m，在本区发现了旺盛的海底热液活动和密集的化能自养生物群落[28, 30]。目前，关于冲绳海槽南部HOBAB4-S2沉积物柱状样的研究，主要是对其进行了年代学分析、粒度分析、矿物学分析（硫化物矿物和黏土矿物）、沉积物地球化学以及单矿物的元素和硫同位素组成等方面的研究[28]。然而应用微生物学和分子生物学等技术手段对该样品的微生物群落组成进行深入调查，并结合环境因子进行分析的研究尚未开展。

    因此，本研究以冲绳海槽南部热液区附近HOBAB4-S2沉积物柱中不同层位的沉积物样品为研究对象，基于纯培养方法和16S rRNA基因的V3-V4区域Illumina平台的高通量测序技术，对该沉积物柱的微生物垂直分布多样性开展调查，并结合样品的地球化学特征分析微生物群落组成对关键环境因子的响应。

    1.   材料与方法

    1.1   样本来源

    本研究样品是2016年5月由中国科学院海洋研究所“科学”号考察船在HOBAB4航次期间通过重力沉积物柱取样器从冲绳海槽南部的S2站采集的，该HOBAB4-S2沉积物岩芯全长4.77 m，其位于唐印热液区和第四与那国热液区之间的裂谷盆地（24°52'49.91″N、122°37'19.70″E），水深为1 505 m[28]。

    1.2   元素地球化学特征

    分层处理后的沉积物样品被冷冻干燥，选取所需层位的沉积物样品，每个层位取＞10.0 g沉积物样品于60℃烘箱中烘干，将烘干样品用玛瑙研钵研磨并过筛（100目）。利用S8 Tiger X射线荧光光谱仪（X-ray Fluorescence，XRF）（Bruker，德国）测定每个样品中的主、微量元素组成情况，检出限为0.8～220 μg/g；利用PE 2400 II CHNS/O分析仪(PerkinElmer，美国）测定每个样品的总有机碳（TOC）、总碳（TC）和总氮（TN）含量， TOC、TC和TN的检测下限分别为0.07%、0.07%和0.02%。上述分析测试均在中国科学院海洋研究所分析测试中心完成，分析结果用于了解沉积物样品的地球化学特征和初级生产力。

    1.3   主要试剂和培养基

    在无菌条件下，将1 g沉积物样品加至9 mL无菌海水中，充分震荡，静置10 min后取上清液1 mL继续用无菌海水进行梯度稀释，最终获得10−1、10−2、10−3、10−4、10−5共计5个浓度梯度的稀释液。每个梯度分别取100 μL涂布在分离培养基平板上，随后置于25℃培养5—7天。本研究所用的分离培养基有2216E[31]、SPG和ASC培养基[11, 32]。

    在25℃培养箱中培养后，观察平板中菌落形态，对菌落大小、颜色、边缘、透明度等特征进行描述和记录。根据形态特征，挑取平板中不同形态的单菌落，在对应的培养基平板上进行划线纯化。将纯化后的菌株接种对应的液体培养基培养，离心后将菌体细胞重悬于20%的甘油中，并转入冻存管，放在–80℃下保藏。

    1.4   菌株DNA提取、16S rRNA基因扩增和分类鉴定及系统发育分析

    采用煮沸法提取菌株的基因组DNA，选择27F/1492R通用引物（27F：5'-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3'；1492R：5'-TACGGYTACCTTGTTACGAC-3'）对菌株的16S rRNA基因进行PCR扩增[33, 34]。PCR扩增使用以下程序：在94℃下初始预变性3 min；94℃变性45 s，55℃退火60 s，72℃延伸90 s，30个循环；72℃继续延伸10 min，于4℃保存[35]。PCR产物在1%琼脂糖凝胶上通过电泳进行检测，将合格的PCR产物送至北京六合华大基因科技有限公司进行测序。

    将所得的16S rRNA基因序列在NCBI数据库中进行BLAST比对（https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi），同时在EzTaxon-e服务器(http://www.ezbiocloud.net)中计算所得序列与亲缘模式菌株的16S rRNA基因序列的相似性。使用CLUSTAL X对所有获得的16S rRNA基因序列和所对应的亲缘模式菌株的16S rRNA基因序列进行多重比对。随后使用MEGA（version 11）[36]进行系统发育分析，并构建基于最大似然法（Maximum likelihood approach）[37]的系统发育树。构建过程使用complete deletion选项进行分析，并根据双参数模型（Kimura's two-parameter model）[38]计算距离，进行1000次重复验证。

    1.5   环境样品DNA提取扩增、高通量测序和数据分析

    对于选取的每个沉积物样品，分别采集三份重复样，利用试剂盒Fast DNA Soil-Direct Kit（MP BIO，美国）提取沉积物样品的总DNA。DNA浓度和完整性分别通过NanoDrop 2000分光光度计（Therm，USA）和琼脂糖凝胶电泳进行评估。以提取的样品DNA为模板，用引物343F(5'-TACGGRAGGCAGCAG-3')和798R(5'- AGGGTATCTAATCCT-3')，对16S rRNA基因的V3-V4区进行扩增[39]。PCR 产物使用电泳检测，检测后使用磁珠纯化，纯化后作为二轮PCR模板，进行二轮PCR扩增，并再次使用电泳检测，检测后使用磁珠纯化，纯化后对PCR产物进行Qubit定量。根据PCR产物浓度进行等量混样，并上机测序。

    获得的高通量原始序列数据用cutadapt软件剪切掉引物序列，并使用DADA2将上一步合格的双端原始数据（raw data）使用Qiime2默认参数进行质量过滤、降噪、拼接及去嵌合体等质控分析之后，对序列进行去重；得到代表序列及ASV（Amplicon Sequence Variant，扩增子序列变异）丰度表格。使用QIIME 2软件包挑选出各个ASV的代表序列后，并将所有代表序列与Silva（version138）数据库（https://ftp.arb-silva.de）进行比对注释。物种比对注释使用q2-feature-classifier 软件默认参数进行分析。菌群丰富度指数（Chao）、多样性指数（Shannon和Simpson）以及发育树谱系多样性指数（PD whole tree）等α多样性指数使用QIME计算。由于每个样品的3个重复呈现的微生物群落组成是相近的，在进一步分析中使用了3个重复的平均值。利用主坐标分析（Principal coordinates analysis，PCoA）评估不同样品之间的相似性及差异性，同时利用冗余分析（Redundancy analysis，RDA）讨论环境因子、样品、微生物类群三者之间的关系。上述16S rRNA基因扩增子测序和数据分析在青岛欧易生物科技有限公司和欧易生物云平台（https://cloud.oebiotech.com/）完成。

    1.6   登录序列号

    本研究可培养菌株16S rRNA基因序列已提交GenBank，登录号见表1。本研究16S rRNA V3-V4区高通量测序序列已提交GenBank，登录号为：SRR24489263-SRR24489263319。

    表  1  本研究使用样品的地球化学组成
    Table  1.  Geochemical compositions of the samples used in this study
    样品深
    度/cmbsf    		 18 30 81 100 110 171 181 190 199 240 248 267 288 301 311 334 380 392 475
    Na2O/% 2.03 1.98 1.81 1.9 1.86 1.98 1.8 1.84 1.84 1.79 1.79 1.78 1.95 1.89 1.96 1.83 1.89 2.02 1.88
    MgO/% 2.64 2.3 2.49 2.5 2.59 2.03 2.43 2.65 2.58 2.4 2.38 2.41 2.71 2.58 2.48 2.39 2.54 2.57 2.49
    Al2O3/% 16.32 15.39 16.33 15.77 15.23 14.25 16.11 16.65 16.31 16.37 16.2 16.41 16.13 15.92 15.31 15.98 15.96 15.9 16.37
    SiO2/% 58.88 60.43 59.27 59.7 59.17 62.59 59.43 58.05 57.99 59.26 59.53 59.27 59.12 58.48 58.99 59.51 59.62 58.96 58.55
    Fe2O3/% 6.43 5.85 6.43 6.03 5.98 5.09 6.21 6.41 6.43 6.31 6.18 6.23 6.32 6.23 5.8 6.14 6.26 6.24 6.26
    K2O/% 3.26 2.97 3.27 3.11 3.09 2.76 3.26 3.46 3.35 3.29 3.23 3.26 3.28 3.23 3.04 3.21 3.24 3.17 3.28
    CaO/% 2.21 2.67 2.4 2.66 3.52 2.92 2.6 2.66 2.92 2.55 2.6 2.49 2.41 3.13 3.46 2.68 2.52 2.62 2.75
    P/10−6 706.1 714.3 684.3 674 632.5 623.6 631.4 607.2 635.4 642 649.2 689.1 646.6 602.5 653.1 620.1 623 899 618.5
    S/10−6 761.1 859.7 649.3 841 804.9 956.8 567.1 580.2 657.2 517.6 559 569.4 620.3 650.5 782.9 556.5 734.1 660.4 661.3
    Cl/10−6 6037.2 6000 3860.6 4979.2 4420.3 5220.8 4230.2 5057 5537.6 3815.5 4061.6 4257.9 5084 5536.1 6376.4 4519.6 4159.3 6186.9 5395
    Ti/10−6 4742.1 4697.5 4834.1 4714.8 4530.7 4377.6 4777.1 4603 4734.4 4868.5 4826 4845.9 4641.3 4639.4 4567 4743.7 4663.3 4562.8 4811.9
    V/10−6 131.8 110 128.4 124.9 122.7 100.9 122.7 129.6 128.4 118.9 119.6 117.4 139.2 127.3 117 119.8 131.9 129.2 125
    Cr/10−6 99.5 84.6 94.9 88.2 88.8 76.1 90.1 100.1 95.2 91.6 90.8 90 97.6 92.6 85.8 88.6 94.6 89.8 93.4
    Mn/10−6 478.4 505.3 527.1 463 496.2 404.1 507 475 493.8 513.2 510.5 542.4 489.8 503.1 492.1 509.3 458.6 623.8 529.6
    Co/10−6 16.5 16.6 18.6 16 21.8 13.9 16.6 16.7 16.1 15.6 15.6 17.7 17.7 17.5 16 17 16.7 16 16.8
    Ni/10−6 40.3 35.8 40.8 37.2 36.9 30.8 37.5 39.9 38.5 38.5 37.3 37.5 39.4 39.5 35.9 36.9 38.8 37.3 39
    Cu/10−6 48.9 28.2 38.5 36.5 35 18.9 26.3 40.1 28.6 28.9 25.4 26.5 57.9 28.5 25.2 26 44.3 43.9 27
    Zn/10−6 130.8 95.9 117.6 113.9 110.4 83.4 103.3 126.8 107.2 108.3 103.2 105.5 154.7 107.4 95.7 102.5 135.4 129.5 105.4
    Ga/10−6 21.2 19.7 22.5 20.2 20.9 18.3 21 22.9 21.6 22.8 20.9 21.6 21.3 21.7 19 21.5 22.2 20.7 21.7
    As/10−6 17 15.5 19.4 12.3 10.5 8.3 12.2 14.8 12.5 12.6 12.2 13.2 17.3 11.6 9.2 11.5 14 14.7 11.7
    Rb/10−6 150.6 135.9 153.3 141.8 140.8 122.5 152.7 163.4 158 157.3 151.8 152.6 150.5 151.1 137.3 150.6 149.7 144.6 154
    Sr/10−6 144 149 149 149 170 149 149 155 159 151 152 147 151 162 167 152 151 155 155
    Zr/10−6 194 208 190 203 189 236 196 170 177 192 198 196 184 179 200 194 189 191 187
    Nb/10−6 18.3 21.6 18 17.3 17.7 17 18.8 17.7 20.4 18.5 19 18.7 17.8 19 18.9 18.5 21.1 17.8 18.2
    U/10−6 3.7 3.8 3.5 3.5 3.9 2.9 3.8 3.9 4.2 4.1 3.8 3.8 3.8 3.8 3.4 3.8 3.9 3.6 3.6
    Mo/10−6 1.2 1.5 1.3 1.1 1.3 1 1.4 1.5 1.6 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1.3 1.3 1.7 1.2 1.3
    Sn/10−6 10.1 9.7 8.3 7.3 10.6 8 12.2 14.6 13.6 9.5 11.1 14.2 10.9 14.4 15.2 10.8 18.7 13.6 10.9
    Sb/10−6 15.2 9.6 9.3 7.1 10 11.2 13.4 18.3 13.8 7.7 12.3 15.7 11.8 20.6 17.2 13 24.5 15 14.9
    Ba/10−6 524 474 521 493 507 430 517 549 515 509 500 497 562 504 487 503 537 518 500
    Hf/10−6 5.5 5.9 5.4 6 5.5 6.7 5.5 5.1 5.1 5.7 5.9 5.5 5.3 5.4 5.8 5.5 5.2 5.6 5.3
    W/10−6 2.9 7.3 5.1 12.1 9.1 12.9 4.4 2.4 6.3 4.3 4.2 6.9 11.6 3.2 7.6 4.3 4.4 6.6 4.6
    Pb/10−6 93.5 33.6 55.9 58.3 49.9 27.6 36.8 61.1 37.5 37.4 33.8 34.5 116.9 39.3 36.7 38.7 92.3 94.9 36
    Bi/10−6 0.5 0.2 1 1.3 1.4 2.4 1.2 1.6 0.3 1.3 1.5 0 0 0 0.7 1 0.6 1.3 0
    Th/10−6 15.2 15 13.8 13.9 12.8 10.6 16.1 14 16.1 14.7 14.6 15.5 14.7 16.4 13.1 14.8 15.1 14.7 14.5
    Ce/10−6 76.5 54.2 62.8 73.7 71.8 74.8 65.5 68.4 78.7 72.8 66.4 69.4 66.8 68.4 72.9 65.1 68 65.7 84.4
    Nd/10−6 27.8 38.4 34 29.1 32.8 29.3 35.1 31 26.9 26.8 33.6 30.8 35.7 31.3 31.8 28 27.5 25.2 29.5
    Y/10−6 26.8 27.4 26.8 27 25.5 26.1 26.8 24.4 26 26.2 27.7 27.2 25.8 25.8 26.1 26.7 25.4 25.6 27
    La/10−6 44.7 36.3 44.3 35.3 36.4 40.3 41.2 36.4 44.6 44.8 39.8 42 37.7 38.1 33.8 40.8 38.2 44.6 43.8
    Sc/10−6 13.9 15 16.6 14.7 15.5 10.6 16 15.6 16.1 13.6 12.9 17.5 13.4 14.3 12.8 15.9 15.1 15.4 14.3
    TN/% 0.16 0.1 0.14 0.1 0.13 0.07 0.11 0.15 0.13 0.12 0.1 0.15 0.16 0.12 0.13 0.12 0.14 0.14 0.12
    TC/% 1.43 1.1 1.29 1.24 1.58 1.16 1.33 1.54 1.33 1.39 1.38 1.63 1.43 1.62 1.64 1.41 1.52 1.43 1.52
    TOC/% 1.05 0.7 0.91 0.69 0.92 0.67 0.82 0.93 0.85 0.66 0.86 1.01 0.96 0.98 0.86 0.85 1.04 1.02 0.9
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    2.   结果

    2.1   主量元素和微量元素组成分析

    冲绳海槽南部沉积岩芯HOBAB4-S2的主量元素分析结果表明，其SiO2的含量较高，其次是Al2O3含量，MgO、Na2O含量则较低。结合前人测得的部分数据[40]，其中SiO2含量的变化范围为55.35%～69.31%，平均值59.56%（n=61）；Al2O3含量的变化范围为10.01%～16.86%，平均值15.54%（n=61）；MgO含量的变化范围为1.91%～2.71%，平均值2.42%（n=61）；Na2O含量的变化范围为1.78%～2.46%，平均值2.09%（n=61）。Cu含量为18.9×10−6～65.0×10−6，平均值38.35×10−6（n=61），Zn和Pb含量分别为83.4×10−6～356×10−6和27.6×10−6～160×10−6，平均值分别为129.82×10−6（n=61）和64.49×10−6（n=61）。在沉积岩芯HOBAB4-S2孔中发现了两个富含Cu-Zn-Pb的层（图1），分别在166 cmbsf和444 cmbsf处。我们研究的冲绳海槽南部沉积岩芯HOBAB4-S2微量元素含量普遍较高，其Ba、Zr、Ti的含量平均值分别为507.74×10−6、193.32×10−6、4693.74×10−6（n=19）。此外，该沉积物柱的总碳、总氮和总有机碳含量测试结果表明，其总碳、总氮和总有机碳平均含量分别为1.42%、0.13%、0.88%，且总碳在30 cmbsf处的沉积物中含量最低，而总氮在171 cmbsf处的沉积物中含量则最低，分别为1.10%和0.07%（表1）。

    图  1  不同层位沉积物中Cu、Zn、Pb、TC、TN和TOC含量变化
    部分数据来自Yang et al[40]。
    Figure  1.  Variations in Cu, Zn, Pb, TC, TN, and TOC concentrations in different layers
    Parts of data are from Yang et al[40].
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    2.2   可培养细菌的分离鉴定及其多样性

    共从冲绳海槽沉积物中分离获得64株菌种，随后通过近全长16S rRNA基因序列分析鉴定。结果表明，这些菌株属于4个门、5个纲、7个目、14个科、25个属；有38株、1株、21株、4株分别属于Proteobacteria（变形菌门）、Bacteroidota（拟杆菌门）、Bacillota（芽孢杆菌门）、Actinomycetota（放线菌门）。其中，Proteobacteria是最大的一个类群，包含两类，即19株Alphaproteobacteria（α-变形菌纲）和19株Gammaproteobacteria（γ-变形菌纲）。在目水平上，21株Bacillales（芽孢杆菌目）是优势类群，其次是19株Oceanospirillales（海洋螺菌目）、12株Rhizobiales（根瘤菌目）、4株Sphingomonadales（鞘脂单胞菌目）和4株Pseudonocardiales（假诺卡式菌目）。对于其他3个目，每个目的分离菌株都少于4株。在科水平上，最丰富的科是15株Alcanivoracaceae（食碱菌科）、13株Bacillaceae（芽孢杆菌科）和7株Phyllobacteriaceae（叶杆菌科）。其他9个科中的每科都少于7株。从属上看，其中占据优势地位的是Alcanivorax的菌株，占比达到了分离菌株总数的1/4，其次为Paenisporosarcina，占比约11%。从不同沉积物层位分离得到菌株的详细信息见表2。

    表  2  基于16S rRNA基因序列的菌株分类鉴定信息
    Table  2.  Isolation and identification of strains based on 16S rRNA gene sequence analysis
    菌株号亲缘菌株16S rRNA
    基因相似性/%    		层位深度
    /cmbsf    		16S rRNA基因
    序列登录号
    18A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.2218OQ186762
    18E01Bacillus tequilensis KCTC 13622T99.7918OQ186763
    18E02Pelagibacterium halotolerans B2T99.7818OQ186764
    18E03Bacillus altitudinis 41KF2bT99.9318OQ186765
    18E04Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.9318OQ186766
    18E05Alcanivorax xenomutans JC109T10018OQ186767
    18M01Alcanivorax venustensis ISO4T10018OQ186768
    18S01Alcanivorax xenomutans JC109T10018OQ186769
    81A02Alcanivorax xenomutans JC109T99.9381OQ186770
    81E01Rossellomorea aquimaris TF-12T99.2181OQ186771
    81E02Sutcliffiella halmapala DSM 8723T99.1481OQ186772
    81E03Rossellomorea aquimaris TF-12T99.2981OQ186773
    81E05Fictibacillus arsenicus Con a/3T99.7181OQ186774
    81E06Bacillus safensis subsp. safensis FO-36bT99.8681OQ186775
    81E07-1Alcanivorax xenomutans JC109T99.9381OQ186777
    81E07-2Staphylococcus pseudoxylosus S04009T99.8681OQ186778
    81E08Mesobacillus thioparans BMP-1T99.7181OQ186779
    81E09Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.7781OQ186780
    110E01Halomonas titanicae BH1T99.44110OQ186781
    110E02Metabacillus idriensis SMC 4352-2T99.93110OQ186782
    110E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T100110OQ186783
    110E04Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.77110OQ186784
    110E05Pelagibacterium halotolerans B2T99.78110OQ186785
    110E06Sutcliffiella horikoshii DSM 8719T99.29110OQ186786
    110E07Virgibacillus halodenitrificans DSM 10037T99.93110OQ186787
    181E01Halomonas titanicae BH1T100181OQ186788
    181E02Rossellomorea aquimaris TF-12T99.36181OQ186789
    181E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.79181OQ186790
    181E04Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.08181OQ186791
    181M01Halomonas titanicae BH1T100181OQ186792
    181S01Martelella mediterranea DSM 17316T99.63181OQ186793
    199A01Alcanivorax xenomutans JC109T100199OQ186794
    199E01Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.17199OQ186795
    199E02Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.77199OQ186796
    199E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.78199OQ186797
    199M01Halomonas titanicae BH1T100199OQ186798
    248E02Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.38248OQ186799
    248E04Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.03248OQ186800
    248E05Citromicrobium bathyomarinum JF-1T99.7248OQ186801
    301A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93301OQ186802
    301E02Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.31301OQ186803
    301E04Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.72301OQ186804
    301E05Pelagerythrobacter marinus H32T99.93301OQ186805
    301E06Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T98.94301OQ186806
    334E03Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.15334OQ186807
    334E04Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.14334OQ186808
    334E05Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186809
    334M01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93334OQ186810
    334S02Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186811
    334S03Muricauda ruestringensis DSM 13258T98.48334OQ186812
    334S04Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186813
    392A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93392OQ186814
    392E01Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.71392OQ186815
    392E02Alcanivorax xenomutans JC109T100392OQ186816
    392E03Pelagerythrobacter marinus H32T100392OQ186817
    392E04Pelagibacterium nitratireducens JLT2005T99.77392OQ186818
    392E05Paracoccus marcusii DSM 11574T99.77392OQ186819
    392E06Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.79392OQ186820
    475E01Alkalihalobacillus hwajinpoensis SW-72T99.65475OQ186821
    475E02Thalassospira xiamenensis M-5T99.65475OQ186822
    475E03Qipengyuania vulgaris 022 2-10T99.85475OQ186823
    475E04Pelagibacterium nitratireducens JLT2005T99.7475OQ186824
    475S01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93475OQ186825
    475M01Thalassospira xiamenensis M-5T99.85475OQ186826
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    将所有菌株及其已知亲缘模式菌株一起构建基于16S rRNA基因序列的系统发育树（图2）。结果表明，作为占据优势数量的Proteobacteria中的Alcanivorax xenomutans，从表层到深层的沉积物中均有分离出，而其他分离到的属于Proteobacteria的物种，如Citromicrobium bathyomarinum，Martelella mediterranea，Nitratireductor aquibiodomus，Pelagerythrobacter marinus，Qipengyuania vulgaris则大多来自于更深层的环境中。分离得到隶属于Bacillota的菌株则明显分为两大类群，其中属于Bacillaceae的菌株除了181E02、475E01之外，均来自于较上层的沉积物（≤110 cmbsf）；而Planococcaceae（葡萄球菌科）的菌株则全部来自于深层的沉积物（≥248 cmbsf）。此外，我们还在334 cmbsf层位处分离到唯一一株属于Bacteroidota的菌株334S03，它与亲缘模式菌株Muricauda ruestringensis DSM 13258T的16S rRNA基因序列相似性为98.48%，为潜在的新物种。

    图  2  基于16S rRNA基因序列构建的可培养细菌的系统发育树
    分支1中包含的菌株有18A01、18E05、18S01、81A02、81E07-1、199A01、301A01、334E05、334M01、334S02、334S04、392A01、392E02、475E05和Alcanivorax xenomutans JC109T (HE601937)。
    Figure  2.  Phylogenetic tree of cultivable bacteria isolated from hydrothermal field sediment core in the southern Okinawa Trough based on the 16S rRNA gene sequences using the maximum-likelihood algorithm
    GenBank accession numbers are shown in parentheses. Bar, 0.1 substitutions per nucleotide position. Branch 1 represented 18A01, 18E05, 18S01, 81A02, 81E07-1, 199A01, 301A01, 334E05, 334M01, 334S02, 334S04, 392A01, 392E02, 475E05, and Alcanivorax xenomutans JC109T (HE601937).
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    2.3   基于16S rRNA基因高通量测序分析的微生物多样性

    所有样品的测序深度指数（Good’s Coverage）覆盖范围在0.9991至0.9999之间，表明测得的序列代表了研究样品中的绝大多数微生物类群。所有样品的菌群丰富度指数（Chao）、多样性指数（Shannon和Simpson）以及发育树谱系多样性指数（PD whole tree）见图3。可见，18 cmbsf的样品表现出最大Chao值，为461.62，而475 cmbsf的样品，其Chao值在所有样品中最低，为165.09。样品的Shannon和Simpson指数范围分别为2.13～5.46和0.50～0.91，它们的最大值出现在100 cmbsf的样品中，最小值出现在380 cmbsf的样品中。结合PD whole tree指数分析，不难发现浅层的样品体现出更大的微生物多样性，且随着样品深度的增加，沉积物样品中微生物的多样性呈现出减少的趋势。

    图  3  样品的α-多样性指数表征
    Figure  3.  Characteristics of α-diversity index of the samples
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    物种聚类分析结果显示（图4），在门水平上，所有样品中Proteobacteria均占据了主要的微生物类群，其占比69.0%～95.4%。Proteobacteria的最大丰度出现在380 cmbsf的层位，而最小丰度出现在100 cmbsf的层位样品中。样品中检测到的其他主要门类还有Bacteroidota和Bacillota，但它们的相对丰度在所有样品中均小于12%。Bacteroidota的相对丰度呈现出随着沉积物深度增加而不断减小的趋势，尤其在240～248 cmbsf的层位处表现为断崖式的下降，由240 cmbsf处的7.3%下降到248 cmbsf处的2.4%。在纲水平上，Proteobacteria主要分为两个主要类群，其分别为Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria，且它们在不同层位的样品中分布不尽相同；在浅层次（18～110 cmbsf）的沉积物中Alphaproteobacteria比Gammaproteobacteria更多，而随着沉积物深度的增加，Gammaproteobacteria相对丰度有明显的增加（从18 cmbsf处的9.0%增加到＞248 cmbsf处的55.7%～73.3%），同时Alphaproteobacteria明显减少（从18 cmbsf处的63.5%减少到＞248 cmbsf处的18.3%～32.2%），这个现象在240～248 cmbsf界面也表现得尤为突出，分析数值显示240 cmbsf处Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria相对丰度分别为21.0%和45.9%，而248 cmbsf处的Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria相对丰度分别为71.4%和20.3%。在目水平上，属于Alphaproteobacteria的未培养类群的SAR11分支和属于Gammaproteobacteria的Ectothiorhodospirales（外硫红螺旋菌目）分别占据了主导地位，在不同层位的沉积物样品中，它们的丰度变化主导了更高级分类单元上物种相对丰度的变化。在科水平上，可以看出高丰度水平的Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria实际上是由高比例的SAR11-Clade I和Thioalkalispiraceae（硫碱螺旋菌科）引起的。此外，科水平的细菌组成随着沉积物深度的不同体现出更高的多样性，比如属于Campylobaterota（弯曲菌门）的Sulfurvaceae相对丰度在浅层（18～110 cmbsf）的沉积物中随着深度而增加，而在248 cmbsf的层位及更深层处又急剧减少；在100 cmbsf层位处的样品中，SAR11-Clade III占据了整体群落比例的14.2%，而其他层位中SAR11-Clade III的比例均小于1%；在475 cmbsf层位的样品中，除了Thioalkalispiraceae以外，Pseudomonadaceae（假单胞菌科）和Alcanivoracaceae同样成为构成Gammaproteobacteria的主要分类单元，它们的相对丰度值分别达到了16.6%和7.6%，而在其他所有样品中二者的占比均低于5%。

    图  4  基于科水平的物种聚类显示的样品中不同细菌所占的比例
    Figure  4.  Relative abundance of bacteria in the samples on family level
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    为了更好地阐明不同微生物类群在不同生境之间的分布规律及差异性，以16S rRNA基因序列测序获得的相对丰度值，通过Bary Curtis矩阵法得到了PCoA图（图5)；以科水平ANOVA差异统计获得的差异物种的相对丰度值绘制了聚类热图（Cluster heatmap）（图6）。结果表明，浅层（18～81 cmbsf）沉积物和深层沉积物（380～475 cmbsf）的样品有着显著的分布差异，而它们自身的微生物组成则是比较接近的。171～311 cmbsf层位的样品和上述两者都有较明显的差异，通过聚类分析也能与浅层和深层的样品区别开来，自身形成一个较大的分支。在科水平上，深层沉积物尤其是475 cmbsf层位的样品与其他样品相比体现出了巨大的物种差异性。这些都说明，尽管来自于同一个位点，微生物群落在垂直水平上的分布是有明显差异的，同时也反映了冲绳海槽热液区中的沉积物是一个相对复杂的生态系统。

    图  5  基于物种相对丰度的不同层位样品间的主坐标分析
    Figure  5.  Principal coordinate analysis (PCoA) on each sample based on the microbial relative abundance
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    图  6  基于科水平差异物种相对丰度的样本聚类热图
    Figure  6.  Cluster heatmap based on relative abundance of differential species at family level
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    2.4   微生物群落、环境因子和样品间的关系

    选取TC、TN、TOC、Cu、Zn、Pb这6个典型的环境因子，选取以科水平相对丰度前10的微生物，通过RDA分析展示了冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中微生物群落分布、不同层位样品以及环境因子三者之间的关系。根据图7发现，在环境因子之间，柱状沉积物中的Cu、Zn、Pb、TN与TOC呈现出正相关。而TOC对研究样品中微生物群落组成的影响最强，同时其他几个环境因子对微生物的群落分布也具有显著影响且影响力相当。具体来说，未培养的微生物类群SAR11-Clade I与TOC含量，Thioalkalispiraceae与TC含量之间表现出明显的正相关；Sulfurovaceae与TOC等环境因子之间也表现出较强的正相关关系；但是在较浅层样品中相对丰度较高的Prevotellaceae（普雷沃氏菌科）、Muribaculaceae、Lachnospiraceae（毛螺旋菌科）等几个类群的丰富度与参与分析的环境因子之间表现出显著的负相关。从各层位样品在图中的分布还可以看出，浅层沉积物样品和深层沉积物样品分别分布在相对独立的区域，意味着深度接近的沉积物表征出相似的环境因子参数，其对微生物群落分布的影响程度也比较近似。

    图  7  样品、微生物种群及环境因子RDA图
    Figure  7.  Redundancy analysis on the relationships between environmental factors and relative abundance at family level
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    3.   讨论

    3.1   沉积物柱的元素地球化学特征

    在本研究中结合前人的研究数据，166 cmbsf和444 cmbsf层位的沉积物样品中Cu、Zn、Pb元素富集，其含量明显高于正常沉积物中的含量。具体来说，在沉积物166 cmbsf处，Cu、Zn和Pb的含量分别为73.7×10−6、356.0×10−6、160.0×10−6；在444 cmbsf处含量略有下降，分别为38.8×10−6、321.0×10−6、121.0×10−6，均明显高于冲绳海槽中部非热液区沉积物中的元素值（Cu 为23×10−6，Zn 为91×10−6，Pb为18×10−6）[41]和冲绳海槽北端沉积物中的元素值[42]，指示其沉积物中除了有海槽正常沉积物之外，可能还有其他来源含金属物质组分的加入，且杨娅敏等[28]对该柱状沉积物样品的研究也表明，HOBAB4-S2柱状沉积物中存在热液活动事件的记录。

    Wang等[18]研究冲绳海槽北部柱状沉积物样品的TC含量，其均显著高于南部表层沉积物样品的TC含量，而其TN和TOC含量则在所有沉积物样品中无显著差异，且与我们测得的数据结果一致。有研究报道，在富含有机质的地区如秘鲁海盆和秘鲁海沟处，其沉积物的总有机碳（TOC）含量为2%～8%，而冲绳海槽的沉积物，其总有机碳的含量为0.66%～1.05%，比富有机质的沉积物中有机碳的含量低很多[43]，表明研究区属于贫有机质的区域。同时根据前人的研究可以发现，环境中细菌的群落组成结构在不同TOC含量的环境中表现出很大差异[18,44]，而本研究中，从图7可以看出冲绳海槽南部热液区附近柱状沉积物中细菌群落结构的最重要变量是TOC，跟之前的研究结果表现一致。同时，本研究的微生物群落结构分析和RDA分析中可以看出由SAR11-Clade I主导的Alphaproteobacteria类群和由Thioalkalispiraceae主导的Gammaproteobacteria整体上来看与TOC和TC含量都有一定的正相关关系。但是由于TOC对Alphaproteobacteria的影响程度大于Gammaproteobacteria，而TC对Gammaproteobacteria的影响程度大于Alphaproteobacteria，造成了从浅层到深层Gammaproteobacteria增多而Alphaproteobacteria减少的趋势，这与Teske[45]之前对海洋沉积物中微生物的调查研究结果相近。因此，柱状沉积物中的TOC和TC含量会对该区域微生物的多样性和群落结构特征产生重要的影响。尽管其中原因和涉及的微生物代谢机制可能很复杂且需要进一步的深入研究，但我们很容易得出这样的推测：TC和TOC作为微生物重要的营养物质和能量来源，微生物的代谢过程会因其所处环境中的含量不同而产生一定的偏好性，从而引起主导微生物类群的差异。

    3.2   沉积物柱中的微生物多样性

    在我们利用纯培养手段分离的64个菌株中，Proteobacteria在门分类水平上最丰富。据报道Proteobacteria通常作为常见的栖息菌群存在于不同的热液环境中，比如Perez Rodriguez等和Rajasabapathy等[46-47]分别在不同热液区分离鉴定到了大量的Gammaproteobacteria。同时，有研究表明一些属于Proteobacteria的Alcanivorax、Thalassospira、Halomonas、Paracoccus可能参与到产酸或产碱的硫氧化过程[11]，本研究分离的菌株中也有相当的比例属于这些属，而这些属的菌株在其他热液环境中也曾分离到[47-48]。另外有研究表明，属于Gammaproteobacteria的Marinobacter和Pseudoalteromonas的微生物类群在很大程度上参与了金属氧化[49]，冲绳海槽中部热液区的沉积物中也分离到了大量的Marinobacter和Pseudoalteromonas属的菌株，但是遗憾的是本研究并没有分离到这两个属的菌株，尽管高通量测序数据表明它们在样品中是存在的。除了Proteobacteria之外，Bacillota是分离得到菌株中第二大门类的类群，这类细菌由于其独特的细胞结构和生理抗逆性可以耐受的温度范围很广，以不同的表型存在于不同的热液环境中[50]。研究人员曾从卡斯特罗海山热液区分离了15种属于Bacillus的菌株，而铁锰等金属元素对它们的生长有明显的促进作用[51]，同时分离自Guaymas盆地的一些属于Bacillus的菌株参与了铜介导的锰氧化过程[52]。因此，我们推测本研究样品分离的属于Bacillota的菌株也可能参与了周边生态系统中的金属氧化过程。

    基于16S rDNA高通量测序的微生物组成分析显示，本研究中沉积物样品中的微生物组成在门水平上，Proteobacteria占据绝对的优势地位。在这个门中，Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria是两个主要的类群，这一结果与冲绳海槽中部Iheya North和Iheya Ridge热液区以及太平洋富含金属的热液喷口附近沉积物中微生物组成的报道类似[21,53-55]。先前的研究表明Epsilonproteobacteria（ε-变形菌纲）在与热液喷口流体和烟囱结构相关的微生物栖息地中占主导地位，同时也是从活跃的热液喷口中鉴定出的优势细菌，在碳、硫的循环中发挥重要作用[56-57]，而且在冲绳海槽的部分热液喷口处也发现Epsilonproteobacteria占据了一定丰度比例[16,18-20]。然而，在本研究的样品中Epsilonproteobacteria的丰度是极低的。另一方面，关于冲绳海槽非热液区沉积物中微生物的群落研究表明，Deltaproteobacteria（δ-变形菌纲）和Chloroflexi（绿弯菌门）通常为主要类群[18,58]，而Deltaproteobacteria和Chloroflexi的相对丰度在本研究的样品中也是非常低的（＜1%）。通过综合比较，我们发现尽管在海洋热液区沉积环境中，Proteobacteria通常作为主导的微生物类群，但是上述的研究内容支持了这样一种假设，由于海底热液的活跃程度不同以及与热液喷口的距离不同，不同位点的沉积物样品中微生物组成受热液活动的影响程度不同，从而造成了其微生物主要类群的差异。比如Epsilonproteobacteria看起来更喜欢活跃的热液喷口流体和烟囱体周围的高温环境；Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria更喜欢不活跃的热液栖息地。进一步推测可以看出，HOBAB4-S2柱状沉积物样品由于其具有高丰度的Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria和低丰度的Epsilonproteobacteria，与冲绳海槽活跃的热液喷口和非热液区沉积物中微生物群落均有较大差异，表明尽管该位点附近的热液喷口可能是不活跃的，但是其沉积物中微生物群落组成还是受周边热液活动影响的。

    3.3   柱状沉积物中微生物多样性的影响因素

    由于热带西太平洋地理位置和水文条件的特殊，细菌群落的多样性很容易受到洋流的影响[59]，这是一个非常复杂和动态的过程，主要涉及到沉积物的来源、盐度、有机质的生物利用率、pH以及其他的地球化学和物理化学因素[60]。本研究的区域位于冲绳海槽南部热液区附近，其沉积和物质输运除了受热液活动影响，也在一定程度上受洋流[61]因素的影响。冗余分析结果显示相比于其他测定的环境因子，柱状沉积物中TOC、Zn和Pb的含量与微生物的群落组成有着更为密切的关系，因此环境特征对于特定环境下微生物的群落结构具有非常重要的影响。从我们研究的结果中发现，微生物的群落结构随沉积物深度的不同而不同，这可能是地球化学环境的一个反映，也可能决定了微生物的种类、数量和多样性分布。另外，不同的沉积事件、沉积过程也可能形成不同的微生物群落。因此推测微生物的群落结构和组成在一定程度上跟沉积事件的干扰和热液活动事件有关，而这一点在西菲律宾海盆和西太平洋暖池的研究中已经证实[59,62-63]。

    4.   结论

    （1）冲绳海槽南部HOBAB4-S2柱状沉积物主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3等组成，这3种组分含量为3.8%～69.3%。该位点的沉积物有机质含量较为贫乏，同时有两个富含Cu-Zn-Pb的层。

    （2）利用HOBAB4-S2柱状沉积物，通过分离培养得到纯菌株64株，Proteobacteria约占总数的59%。基于16S rRNA基因高通量测序的结果同样表明，在所有沉积物层位中变形菌门为占据绝对优势的类群，这种现象在更深层（＞240 cmbsf）的沉积物中表现的更为明显；相对于深层的沉积物，表层沉积物表现出更高的微生物多样性。通过比较可培养和免培养方法获得的不同微生物群落多样性表明，该位点沉积物中存在大量有活力但不可培养的微生物。

    （3）相比于其他测定的环境因子，柱状沉积物的TOC含量与其微生物的群落组成有着更为密切的关系。

    总的来说，本研究揭示了冲绳海槽南部热液区附近沉积环境中细菌的多样性和垂直分布特征，为微生物的群落结构及其与地质沉积过程的相关性提供了证据。随着现代分离培养技术和组学技术的快速发展，通过个性化分离培养手段培养难培养的微生物并从分子水平上开展研究，同时结合高通量测序的组学分析，将有助于进一步地理解海底热液环境中微生物的代谢机制及其与环境的协同演化过程以及它们在全球物质循环过程中的作用。

  • 图  1   不同层位沉积物中Cu、Zn、Pb、TC、TN和TOC含量变化

    部分数据来自Yang et al[40]。

    Figure  1.   Variations in Cu, Zn, Pb, TC, TN, and TOC concentrations in different layers

    Parts of data are from Yang et al[40].

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    图  2   基于16S rRNA基因序列构建的可培养细菌的系统发育树

    分支1中包含的菌株有18A01、18E05、18S01、81A02、81E07-1、199A01、301A01、334E05、334M01、334S02、334S04、392A01、392E02、475E05和Alcanivorax xenomutans JC109T (HE601937)。

    Figure  2.   Phylogenetic tree of cultivable bacteria isolated from hydrothermal field sediment core in the southern Okinawa Trough based on the 16S rRNA gene sequences using the maximum-likelihood algorithm

    GenBank accession numbers are shown in parentheses. Bar, 0.1 substitutions per nucleotide position. Branch 1 represented 18A01, 18E05, 18S01, 81A02, 81E07-1, 199A01, 301A01, 334E05, 334M01, 334S02, 334S04, 392A01, 392E02, 475E05, and Alcanivorax xenomutans JC109T (HE601937).

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    图  3   样品的α-多样性指数表征

    Figure  3.   Characteristics of α-diversity index of the samples

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    图  4   基于科水平的物种聚类显示的样品中不同细菌所占的比例

    Figure  4.   Relative abundance of bacteria in the samples on family level

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    图  5   基于物种相对丰度的不同层位样品间的主坐标分析

    Figure  5.   Principal coordinate analysis (PCoA) on each sample based on the microbial relative abundance

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    图  6   基于科水平差异物种相对丰度的样本聚类热图

    Figure  6.   Cluster heatmap based on relative abundance of differential species at family level

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    图  7   样品、微生物种群及环境因子RDA图

    Figure  7.   Redundancy analysis on the relationships between environmental factors and relative abundance at family level

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    表  1   本研究使用样品的地球化学组成

    Table  1   Geochemical compositions of the samples used in this study

    样品深
    度/cmbsf    		 18 30 81 100 110 171 181 190 199 240 248 267 288 301 311 334 380 392 475
    Na2O/% 2.03 1.98 1.81 1.9 1.86 1.98 1.8 1.84 1.84 1.79 1.79 1.78 1.95 1.89 1.96 1.83 1.89 2.02 1.88
    MgO/% 2.64 2.3 2.49 2.5 2.59 2.03 2.43 2.65 2.58 2.4 2.38 2.41 2.71 2.58 2.48 2.39 2.54 2.57 2.49
    Al2O3/% 16.32 15.39 16.33 15.77 15.23 14.25 16.11 16.65 16.31 16.37 16.2 16.41 16.13 15.92 15.31 15.98 15.96 15.9 16.37
    SiO2/% 58.88 60.43 59.27 59.7 59.17 62.59 59.43 58.05 57.99 59.26 59.53 59.27 59.12 58.48 58.99 59.51 59.62 58.96 58.55
    Fe2O3/% 6.43 5.85 6.43 6.03 5.98 5.09 6.21 6.41 6.43 6.31 6.18 6.23 6.32 6.23 5.8 6.14 6.26 6.24 6.26
    K2O/% 3.26 2.97 3.27 3.11 3.09 2.76 3.26 3.46 3.35 3.29 3.23 3.26 3.28 3.23 3.04 3.21 3.24 3.17 3.28
    CaO/% 2.21 2.67 2.4 2.66 3.52 2.92 2.6 2.66 2.92 2.55 2.6 2.49 2.41 3.13 3.46 2.68 2.52 2.62 2.75
    P/10−6 706.1 714.3 684.3 674 632.5 623.6 631.4 607.2 635.4 642 649.2 689.1 646.6 602.5 653.1 620.1 623 899 618.5
    S/10−6 761.1 859.7 649.3 841 804.9 956.8 567.1 580.2 657.2 517.6 559 569.4 620.3 650.5 782.9 556.5 734.1 660.4 661.3
    Cl/10−6 6037.2 6000 3860.6 4979.2 4420.3 5220.8 4230.2 5057 5537.6 3815.5 4061.6 4257.9 5084 5536.1 6376.4 4519.6 4159.3 6186.9 5395
    Ti/10−6 4742.1 4697.5 4834.1 4714.8 4530.7 4377.6 4777.1 4603 4734.4 4868.5 4826 4845.9 4641.3 4639.4 4567 4743.7 4663.3 4562.8 4811.9
    V/10−6 131.8 110 128.4 124.9 122.7 100.9 122.7 129.6 128.4 118.9 119.6 117.4 139.2 127.3 117 119.8 131.9 129.2 125
    Cr/10−6 99.5 84.6 94.9 88.2 88.8 76.1 90.1 100.1 95.2 91.6 90.8 90 97.6 92.6 85.8 88.6 94.6 89.8 93.4
    Mn/10−6 478.4 505.3 527.1 463 496.2 404.1 507 475 493.8 513.2 510.5 542.4 489.8 503.1 492.1 509.3 458.6 623.8 529.6
    Co/10−6 16.5 16.6 18.6 16 21.8 13.9 16.6 16.7 16.1 15.6 15.6 17.7 17.7 17.5 16 17 16.7 16 16.8
    Ni/10−6 40.3 35.8 40.8 37.2 36.9 30.8 37.5 39.9 38.5 38.5 37.3 37.5 39.4 39.5 35.9 36.9 38.8 37.3 39
    Cu/10−6 48.9 28.2 38.5 36.5 35 18.9 26.3 40.1 28.6 28.9 25.4 26.5 57.9 28.5 25.2 26 44.3 43.9 27
    Zn/10−6 130.8 95.9 117.6 113.9 110.4 83.4 103.3 126.8 107.2 108.3 103.2 105.5 154.7 107.4 95.7 102.5 135.4 129.5 105.4
    Ga/10−6 21.2 19.7 22.5 20.2 20.9 18.3 21 22.9 21.6 22.8 20.9 21.6 21.3 21.7 19 21.5 22.2 20.7 21.7
    As/10−6 17 15.5 19.4 12.3 10.5 8.3 12.2 14.8 12.5 12.6 12.2 13.2 17.3 11.6 9.2 11.5 14 14.7 11.7
    Rb/10−6 150.6 135.9 153.3 141.8 140.8 122.5 152.7 163.4 158 157.3 151.8 152.6 150.5 151.1 137.3 150.6 149.7 144.6 154
    Sr/10−6 144 149 149 149 170 149 149 155 159 151 152 147 151 162 167 152 151 155 155
    Zr/10−6 194 208 190 203 189 236 196 170 177 192 198 196 184 179 200 194 189 191 187
    Nb/10−6 18.3 21.6 18 17.3 17.7 17 18.8 17.7 20.4 18.5 19 18.7 17.8 19 18.9 18.5 21.1 17.8 18.2
    U/10−6 3.7 3.8 3.5 3.5 3.9 2.9 3.8 3.9 4.2 4.1 3.8 3.8 3.8 3.8 3.4 3.8 3.9 3.6 3.6
    Mo/10−6 1.2 1.5 1.3 1.1 1.3 1 1.4 1.5 1.6 1.3 1.3 1.3 1.4 1.4 1.3 1.3 1.7 1.2 1.3
    Sn/10−6 10.1 9.7 8.3 7.3 10.6 8 12.2 14.6 13.6 9.5 11.1 14.2 10.9 14.4 15.2 10.8 18.7 13.6 10.9
    Sb/10−6 15.2 9.6 9.3 7.1 10 11.2 13.4 18.3 13.8 7.7 12.3 15.7 11.8 20.6 17.2 13 24.5 15 14.9
    Ba/10−6 524 474 521 493 507 430 517 549 515 509 500 497 562 504 487 503 537 518 500
    Hf/10−6 5.5 5.9 5.4 6 5.5 6.7 5.5 5.1 5.1 5.7 5.9 5.5 5.3 5.4 5.8 5.5 5.2 5.6 5.3
    W/10−6 2.9 7.3 5.1 12.1 9.1 12.9 4.4 2.4 6.3 4.3 4.2 6.9 11.6 3.2 7.6 4.3 4.4 6.6 4.6
    Pb/10−6 93.5 33.6 55.9 58.3 49.9 27.6 36.8 61.1 37.5 37.4 33.8 34.5 116.9 39.3 36.7 38.7 92.3 94.9 36
    Bi/10−6 0.5 0.2 1 1.3 1.4 2.4 1.2 1.6 0.3 1.3 1.5 0 0 0 0.7 1 0.6 1.3 0
    Th/10−6 15.2 15 13.8 13.9 12.8 10.6 16.1 14 16.1 14.7 14.6 15.5 14.7 16.4 13.1 14.8 15.1 14.7 14.5
    Ce/10−6 76.5 54.2 62.8 73.7 71.8 74.8 65.5 68.4 78.7 72.8 66.4 69.4 66.8 68.4 72.9 65.1 68 65.7 84.4
    Nd/10−6 27.8 38.4 34 29.1 32.8 29.3 35.1 31 26.9 26.8 33.6 30.8 35.7 31.3 31.8 28 27.5 25.2 29.5
    Y/10−6 26.8 27.4 26.8 27 25.5 26.1 26.8 24.4 26 26.2 27.7 27.2 25.8 25.8 26.1 26.7 25.4 25.6 27
    La/10−6 44.7 36.3 44.3 35.3 36.4 40.3 41.2 36.4 44.6 44.8 39.8 42 37.7 38.1 33.8 40.8 38.2 44.6 43.8
    Sc/10−6 13.9 15 16.6 14.7 15.5 10.6 16 15.6 16.1 13.6 12.9 17.5 13.4 14.3 12.8 15.9 15.1 15.4 14.3
    TN/% 0.16 0.1 0.14 0.1 0.13 0.07 0.11 0.15 0.13 0.12 0.1 0.15 0.16 0.12 0.13 0.12 0.14 0.14 0.12
    TC/% 1.43 1.1 1.29 1.24 1.58 1.16 1.33 1.54 1.33 1.39 1.38 1.63 1.43 1.62 1.64 1.41 1.52 1.43 1.52
    TOC/% 1.05 0.7 0.91 0.69 0.92 0.67 0.82 0.93 0.85 0.66 0.86 1.01 0.96 0.98 0.86 0.85 1.04 1.02 0.9
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    表  2   基于16S rRNA基因序列的菌株分类鉴定信息

    Table  2   Isolation and identification of strains based on 16S rRNA gene sequence analysis

    菌株号亲缘菌株16S rRNA
    基因相似性/%    		层位深度
    /cmbsf    		16S rRNA基因
    序列登录号
    18A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.2218OQ186762
    18E01Bacillus tequilensis KCTC 13622T99.7918OQ186763
    18E02Pelagibacterium halotolerans B2T99.7818OQ186764
    18E03Bacillus altitudinis 41KF2bT99.9318OQ186765
    18E04Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.9318OQ186766
    18E05Alcanivorax xenomutans JC109T10018OQ186767
    18M01Alcanivorax venustensis ISO4T10018OQ186768
    18S01Alcanivorax xenomutans JC109T10018OQ186769
    81A02Alcanivorax xenomutans JC109T99.9381OQ186770
    81E01Rossellomorea aquimaris TF-12T99.2181OQ186771
    81E02Sutcliffiella halmapala DSM 8723T99.1481OQ186772
    81E03Rossellomorea aquimaris TF-12T99.2981OQ186773
    81E05Fictibacillus arsenicus Con a/3T99.7181OQ186774
    81E06Bacillus safensis subsp. safensis FO-36bT99.8681OQ186775
    81E07-1Alcanivorax xenomutans JC109T99.9381OQ186777
    81E07-2Staphylococcus pseudoxylosus S04009T99.8681OQ186778
    81E08Mesobacillus thioparans BMP-1T99.7181OQ186779
    81E09Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.7781OQ186780
    110E01Halomonas titanicae BH1T99.44110OQ186781
    110E02Metabacillus idriensis SMC 4352-2T99.93110OQ186782
    110E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T100110OQ186783
    110E04Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.77110OQ186784
    110E05Pelagibacterium halotolerans B2T99.78110OQ186785
    110E06Sutcliffiella horikoshii DSM 8719T99.29110OQ186786
    110E07Virgibacillus halodenitrificans DSM 10037T99.93110OQ186787
    181E01Halomonas titanicae BH1T100181OQ186788
    181E02Rossellomorea aquimaris TF-12T99.36181OQ186789
    181E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.79181OQ186790
    181E04Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.08181OQ186791
    181M01Halomonas titanicae BH1T100181OQ186792
    181S01Martelella mediterranea DSM 17316T99.63181OQ186793
    199A01Alcanivorax xenomutans JC109T100199OQ186794
    199E01Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.17199OQ186795
    199E02Mesorhizobium sediminum YIM M12096T99.77199OQ186796
    199E03Pseudonocardia carboxydivorans Y8T99.78199OQ186797
    199M01Halomonas titanicae BH1T100199OQ186798
    248E02Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.38248OQ186799
    248E04Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T99.03248OQ186800
    248E05Citromicrobium bathyomarinum JF-1T99.7248OQ186801
    301A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93301OQ186802
    301E02Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.31301OQ186803
    301E04Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.72301OQ186804
    301E05Pelagerythrobacter marinus H32T99.93301OQ186805
    301E06Nitratireductor aquibiodomus JCM 21793T98.94301OQ186806
    334E03Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.15334OQ186807
    334E04Paenisporosarcina macmurdoensis CMS 21wT99.14334OQ186808
    334E05Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186809
    334M01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93334OQ186810
    334S02Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186811
    334S03Muricauda ruestringensis DSM 13258T98.48334OQ186812
    334S04Alcanivorax xenomutans JC109T100334OQ186813
    392A01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93392OQ186814
    392E01Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.71392OQ186815
    392E02Alcanivorax xenomutans JC109T100392OQ186816
    392E03Pelagerythrobacter marinus H32T100392OQ186817
    392E04Pelagibacterium nitratireducens JLT2005T99.77392OQ186818
    392E05Paracoccus marcusii DSM 11574T99.77392OQ186819
    392E06Paenisporosarcina quisquiliarum SK 55T99.79392OQ186820
    475E01Alkalihalobacillus hwajinpoensis SW-72T99.65475OQ186821
    475E02Thalassospira xiamenensis M-5T99.65475OQ186822
    475E03Qipengyuania vulgaris 022 2-10T99.85475OQ186823
    475E04Pelagibacterium nitratireducens JLT2005T99.7475OQ186824
    475S01Alcanivorax xenomutans JC109T99.93475OQ186825
    475M01Thalassospira xiamenensis M-5T99.85475OQ186826
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    • 施引文献(4)

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-18
  • 修回日期:  2023-07-29
  • 录用日期:  2023-07-29
  • 网络出版日期:  2023-10-29
  • 刊出日期:  2023-10-27

目录

摘要
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  • 1.   材料与方法

  • 1.1   样本来源

  • 1.2   元素地球化学特征

  • 1.3   主要试剂和培养基

  • 1.4   菌株DNA提取、16S rRNA基因扩增和分类鉴定及系统发育分析

  • 1.5   环境样品DNA提取扩增、高通量测序和数据分析

  • 1.6   登录序列号

  • 2.   结果

  • 2.1   主量元素和微量元素组成分析

  • 2.2   可培养细菌的分离鉴定及其多样性

  • 2.3   基于16S rRNA基因高通量测序分析的微生物多样性

  • 2.4   微生物群落、环境因子和样品间的关系

  • 3.   讨论

  • 3.1   沉积物柱的元素地球化学特征

  • 3.2   沉积物柱中的微生物多样性

  • 3.3   柱状沉积物中微生物多样性的影响因素

  • 4.   结论

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