科研 | Microbiome:多领域益生菌群落可作为对珊瑚礁影响较小的石油泄漏邻近地点施加化学分散剂的替代品

2021
07/29

+
分享
评论
微生态
A-
A+

从上个世纪开始,珊瑚礁遭受了包括石油污染在内的人为活动的影响。


编译:微科盟傻狍子,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。


导读  

从上个世纪开始,珊瑚礁遭受了包括石油污染在内的人为活动的影响。化学修复方法,如施加分散剂等会对珊瑚造成重大伤害,并降低它们对胁迫的恢复能力。为了评估石油污染的影响并找到化学分散剂的替代解决方案,我们对环境变化敏感的火珊瑚Millepora alcicornis进行了实验。将Millepora alcicornis置于真实的石油泄漏场景中,并应用了创新的多领域生物群落(细菌、丝状真菌和酵母)和化学分散剂(Corexit® 9500,最广泛使用的分散剂之一),评估对宿主健康和与宿主相关的微生物群落的影响。结果表明,选择的多域微生物群落有助于减轻石油的影响显著降解多环芳烃和正构烷烃组分并保持了珊瑚的生理完整性暴露于Corexit 9500会对宿主生理产生负面影响,并改变珊瑚相关的微生物群落。暴露后,在患病珊瑚中常见的某些细菌属如RugeriaRoseovarius的丰度增加。本实验还在微生物组中确定了Corexit 9500的几个生物指标。Corexit 9500对珊瑚健康和微生物群落的影响远远大于石油本身,在流通系统中暴露仅4天后珊瑚就会死亡。在使用Corexit 9500的处理过程中,由于分散剂对藻华球菌及其相关微生物群的毒性,无法直接观察到多领域生物群落的作用。


 

论文ID


 

名:Multi-domain probiotic consortium as an alternative tochemical remediation of oil spills at coral reefs and adjacent sites

多领域益生菌群落可作为对珊瑚礁影响较小的石油泄漏邻近地点施加化学分散剂的替代品

期刊Microbiome

IF:14.650

发表时间:2021.05

通讯作者:Rebecca L. Vega Thurber&RaquelS. Peixoto

通讯作者单位:俄勒冈州立大学微生物学系&巴西里约热内卢联邦大学保罗微生物研究所


实验设计



图1 A pBMC-BC的选择步骤和实验时间表。B 直肠中胚层结构。C 显示采集样本时间(T0、T1和T2)的实验时间表。


结果

 
1.与珊瑚相关的微生物组合的选择
从含有油烃的培养基中共获得了57株细菌分离株。基于部分16S rRNA基因测序鉴定为弧菌属的分离株被排除在外,因为它们与疾病和珊瑚白化具有潜在关联。所选菌株对彼此均无拮抗作用。该菌群的成员被鉴定为Halomonas aquamarinaPseudoalteromonas shioyasakiensisCobetia marinaShewanella sp.Ochrobactrumanthropi
实验中共分离到161株真菌。其中37株在孵化5天内在两个部分中均有生长,并被聚为9种不同的形态,根据文献报道,这些形态类型在分类学上被确定并预测对珊瑚或其他生物的风险较低。pBMC-BC组合的真菌菌株为Geotrichum sp.mucilaginosaPenicilliumcitrinum
 
2.暴露于不同的处理方法会改变珊瑚的生理机能,而 pBMC-BC 可保护 M. alcicornis 免受石油影响
利用共生菌科(Symbiodiniaceae)的最大光合能力(Fv/Fm)和大体形态的变化,研究了M. alcicornis的共生菌。在珊瑚暴露于分散剂后的第4天(T1),表现出视觉上可察觉的生理影响。在T2,使用Corexit 9500处理的珊瑚碎片已经死亡,一些暴露于oWSF的碎片比未暴露于这种化学分散剂的碎片颜色更浅(图2a)。Fv/Fm数据证实了这些粗略的形态学观察结果。
 

图2 A 在T0T1T2处理下,通过摄影记录评估珊瑚碎片的形态变化。B Fv/Fm法测定T0T1T2处理5d的珊瑚光合效率。
 
对于未暴露于Corexit 9500(包括对照)下的珊瑚,在整个实验中,所有处理(图2b)的Fv/Fm值从0.55到0.63±0.03(平均值±标准误差),仍然在> 0.5的健康范围内。唯一的例外是不含pBMC-BC的oWSF处理,T2下的Fv/Fm平均值比其他非corexit 9500处理的Fv/Fm低30%(低于>0.5的健康范围)。另外,从T0T2, oWSF样品的Fv/Fm显著下降(p=0.01),而其余未添加分散剂的处理没有显著下降。
暴露于Corexit 9500的处理,即oWSF +Corexit 9500、pmc-bc + Corexit 9500和oWSF+pmc-bc + Corexit 9500处理,在整个实验中Fv/Fm值低于对照组(p<0.0001)。到T2时,与对照相比,分散剂处理的珊瑚光合效率损失了88-97% (p< 0.0001)。将有Corexit 9500的处理作为一组,而没有Corexit 9500的处理作为第二组,前者在每个采样时间的Fv/Fm平均值低于后者: T0时为12%,T1时为87%,T2时为92%。与Fv/Fm结果一致,在分散剂处理中观察到同样的形态变化(图2a)。在T 1时,暴露在分散剂下的珊瑚被漂白,到T2时,许多显示组织脱落坏死。与其他非分散剂处理相比,暴露在oWSF下的珊瑚碎片视觉上呈苍白和负面影响与但与暴露于分散剂的珊瑚碎片相比,其显示出的视觉压力较小。
 
3.暴露于不同的处理改变了局部的理化指标
在整个实验过程中,所有处理的水族箱温度都保持在24℃。不同处理的pH值不同,Corexit 9500处理的pH值低于未使用Corexit 9500的处理(p<0.001)。DOC浓度在T1T2时显著高于T0时(p<0.0001)。盐度水平随时间差异显著(p <0.0001)。两种处理的铵态氮和硝态氮水平均在T2时下降(p< 0.0001和p=0.0024)。随着时间的推移,所有处理T2时的磷酸盐浓度都高于T0时(p<0.001)
在使用石油和分散剂的处理中,多环芳烃水平显著增加。在有石油但不添加分散剂的处理中,T2时含pmc-bc的多环芳烃水平显著低于T2时仅添加石油的多环芳烃水平(p=0.032)。正链烷烃含量仅在oWSF+Corexit 9500和oWSF+pBMC-BC + Corexit 9500处理中检测到。T2时,两种处理的正构烷烃浓度均高于T0时(p=0.013)。而在T2时,pmc-bc接种处理的正构烷烃含量比只含分散剂和石油的处理低38%。重复测量的方差分析结果和物理化学条件的事后比较如表1所示,可量化的石油烃结果如图3所示。
 
表1 在整个时间段内对所有处理的重复测量方差分析结果和理化指标。

 

图3 对T0T1T2时可检测到的多环芳烃和正构烷烃进行定量分析。在所有未显示的处理中(包括对照处理),未检测到多环芳烃和正构烷烃。
 
4.不同的处理方式会改变珊瑚的微生物群
通过16S 扩增分析评估了总共397,454个序列,这些序列聚集成 5986 个 OTU。大多数样本显示的覆盖率值在 96.75 和 98.75% 之间,这表明该群落的测序工作令人满意。
以Shannon指数为代表的物种多样性随着时间的推移在处理之间没有显著差异。Chao1指数从T0T1时,除了Corexit 9500处理增加,其他处理的丰富度都降低了。然而,oWSF中的Chao1指数低于oWSF+pBMC-BC。β-多样性分析表明Corexit 9500 对细菌群落结构具有显著影响。此外,暴露于分散剂的微生物群落在T0T1之间以及T0T2之间显著不同。
NMDS分析也证实了化学分散剂对群落结构的影响,表明随着时间的推移,形成了两个不同的细菌群落簇:在添加分散剂的处理和不添加分散剂的处理中各有一个(图4)。本实验还根据每个处理随时间的相对丰度分析了细菌群落概况,并确定了与 M. alcicornis 样本相关的17个细菌门。在未处理时,所有处理都具有相似的细菌群落。从T1开始,这些群落在使用和不使用Corexit 9500的处理之间发生了变化。在未添加Corexit 9500的处理中存在Endozoicomonas sp.和Thalassospira sp.,而在添加Corexit 9500的处理中存在未分类的RhodobacteraceaeClostridiales,Desulfovibrio sp., Roseovarius sp.Shimia sp. (图5)。
 

图4 使用基于OTU分布的Bray-Curtis相似系数,对不同处理下的细菌属进行nMDS排序。辐射蓝线的角度和长度表示非生物变量与排序分数之间关系的方向和强度。

图5 使用基于核糖体RNA 16S亚基部分序列所获得的DNA序列,对不同处理下的细菌属进行分类比较。注: T1中的pmc-bc +Corexit9500样品缺失,原因是序列质量较低。
 
变形菌门在所有处理中占主导地位。在T0时,α-变形菌纲和γ-变形菌纲在所有处理中占主导地位,但在没有Corexit 9500的处理中,γ-变形菌纲变得比α-变形菌纲更丰富,随着时间的推移分别在23-46% 和15-21%之间变化。我们无法确认 pBMC-BC分离株在群落中存在,但可以通过海洋螺旋菌目、交替单胞菌目和根瘤菌目推断pBMC-BC在该群落存在。
指示物种的分析表明,一些OTU与pBMC-BC、oWSF或Corexit处理相关,实验中确定了95个重要的OTU(p<0.05)(图6)。在这三个处理中,化学分散剂样品中发现的潜在指示菌数量最多。
 

图6 每个处理中指示物种OTU的相对丰度的气泡图。所有指标OTUs的相对丰度百分比如下图所示。气泡表明OTUs有统计学意义(p < 0.05),且指标值> 60。
 

讨论


水污染是全球珊瑚礁灭绝的三大原因之一。为此,联合国最近在“全球可持续发展目标”中强调了减少海洋污染和保护和恢复珊瑚生态系统的必要性。最近,美国国家科学院、工程院和医学院的一个委员会审查了可能的方法和全球干预措施,以提高珊瑚礁的恢复能力。在这些干预措施中,有益微生物的操纵和制定污染补救办法被列为有助于珊瑚持久性的可能策略
与其他石油清理技术相比,生物修复技术具有成本较低、适用于不同生态系统且影响最小等优点。利用石油降解菌修复石油污染可能有除了降解化合物以外的好处。其他文献表明通过益生菌菌群成功地将石油对Mussismilia hartii珊瑚的毒性降至最低。益生菌最初被定义为对人类健康有益的活微生物。这个定义后来扩展到包括任何宿主系统,包括珊瑚。微生物益生菌提供的好处之一是中和有毒化合物,保护宿主免受它们的有害影响。因此,使用与珊瑚有关的微生物来减轻石油污染及其对珊瑚健康的影响可以被认为是一种益生菌方法。本研究结果表明,虽然在珊瑚微生物组检测中无法检测到pBMC-BC菌群成员,但接种该菌群能够减轻观察到的负面生理效应。
事实证明,在存在石油、海洋病原体和升高温度的情况下,使用与珊瑚相关的微生物群已被证明有利于珊瑚的健康。多领域菌群的应用导致正构烷烃的降解和多环芳烃烃组分的显著减少。一种特定的微生物菌株通常无法降解油的几种不同烃类成分;与之相反的是,当有一组微生物能够降解某些组分时,碳氢化合物的降解效率更高。这项研究提供的证据表明,从珊瑚微生物组中分离出的多领域菌群可有效降解不同的石油馏分。
本研究表明,暴露于Corexit 9500会导致钙化刺胞动物相关细菌群落发生显著变化,同时也会对宿主生理产生负面影响。在珊瑚中,化学分散剂破坏范围从明显的影响如漂白和组织坏死到更不明显的影响如抑制受精和幼虫变态,这两者都影响物种的延续。本实验在一个真实的开放系统实验中观察了这些影响,并揭示了Corexit 9500对珊瑚相关微生物组的影响。
据报道,有超过200种微生物能够兼性降解石油烃。其中,RoseovariusErythrobacter在分散剂的作用下数量增加。然而,分散剂的存在也降低了一些其他的石油降解细菌的丰度,如ThalossospiraHyphomonas。Corexit 9500 存在和不存在时都会出现不同的油降解细菌,因此不清楚分散剂是否会影响微生物群在实验环境下修复石油的能力。在以前的研究中,化学分散剂不仅被证明对石油降解无效,而且会阻碍生物降解。
微生物已被用作海洋生态系统中不同污染物的生物指标。分散剂的存在也增加了被发现与患病珊瑚有关的细菌数量。例如,先前报道与患病珊瑚有关的 Ruegeria属在含有分散剂的处理中增加。此外,Roseovarius属的成员,也与患病和珊瑚有关,随着时间的推移在分散剂的处理下增加。综上所述,这些结果表明,相关微生物群落的有益相互作用的破坏可能会对宿主正常生长造成影响。
虽然没有被列为生物指标,但随着时间的推移,在Corexit 9500的处理下OTUs弧菌的相对丰度有所增加,这可以通过某些弧菌物种代谢分散剂的能力来解释。此外,弧菌是许多不同宿主群的致病性和机会性细菌,可感染人类、植物和珊瑚等。在珊瑚中,弧菌与多种疾病有关。本实验观察到Corexit 9500处理后弧菌属成员数量增加。这些结果表明,化学分散剂不仅通过其毒性本身影响珊瑚的健康,而且还可能增加机会性或致病性细菌(即弧菌属的成员)的丰度,从而导致珊瑚生态失调并感染疾病。
尽管Corexit 9500的大多数生物指标都被描述为条件致病菌,但有一种分散剂生物指标(Labrenzia属的一员)此前曾被报道通过产生抗菌化合物对珊瑚具有潜在的有益特性。对与珊瑚有关的Labrenzia菌株进行基因组分析,发现4个卤代酸脱氢酶编码基因和1个卤代烷脱氢酶编码基因,可用于多种芳香卤素、卤醇和卤代酸的降解。因此该物种可作为未来珊瑚礁附近石油污染清理实验的候选物种。
另一方面,一些与健康珊瑚相关的细菌也被发现是分散剂缺失的生物指标,这意味着它们受到Corexit 9500存在的严重影响。例如,ParvularculaInquilinus Endozoicomonas都受到化学分散剂的负面影响。这些属的成员经常与健康的珊瑚联系在一起,且不同菌株的基因组显示出功能适应性和可塑性,表明其与宿主之间的关系对珊瑚的环境适应和生存很重要。
该研究探讨了石油和Corexit 9500对珊瑚生理和微生物群的影响,以及制定了避免在珊瑚礁区域使用化学分散剂的生物修复策略。与预期的一样,Corexit 9500在施用后不久影响了宿主的生理和微生物群。相比之下,尽管暴露在石油中也会影响珊瑚的健康和生理,但并没有显著改变微生物群的结构。这一结果表明,即使宿主的生理参数受到影响,珊瑚的自然微生物群在一定程度上仍能抵御石油污染。先前的研究表明,一些与珊瑚相关的细菌有能力利用石油作为碳源来降解石油。当遇到石油泄漏时,降解石油的细菌会大量增加。因此,多领域生物群落的管理可能通过增加石油降解细菌的丰度进一步促进适应性反应。事实上,通过Fv/Fm间接健康代理和形态特征的测量,多领域生物群落能够保护珊瑚免受石油暴露的负面影响,并通过增加石油降解从而改善宿主健康。这些结果支持了这样一种假设,即生物修复群落不仅可以帮助降解水中的石油,而且还可以保持天然珊瑚微生物群对偶尔发生的石油泄漏的恢复能力。因此,多领域生物群落可以作为石油泄漏处理技术,并具有两个优势:(1)用益生菌填充生态位,以防止致病生物在珊瑚礁上定居;(2)有助于降低碳氢化合物的浓度及其对珊瑚的潜在影响。正如数据所显示的,可以通过多领域生物群落实现珊瑚健康的生理改善,而不会导致珊瑚微生物群的重大变化。接种益生菌还可以促进其他有益微生物的生长,这可以通过在人体中使用益生菌的数据来证明。
生物修复群落成员丰度低的可能原因是,尽管成员在生物组织中的丰度没有增加,但它们在周围水域中的丰度可能有所增加。然而,这个假设只是推测性的。进一步的研究还应包括使用宏基因组学和宏转录组学方法表征周围水中的微生物丰度,以及对碳氢化合物进行更详细的分析和量化。通过这些方法,可以解决尚未解决的问题,使人们能够更好地理解这些微生物菌群对宿主生物有益影响的分子机制和生态原理。鉴于接种群落与改善珊瑚健康之间的相关性,未来我们将称它们为BMC-BCs而不是pBMC-BC。
目前,没有将天然有益细菌注入珊瑚礁系统会产生负面影响的报道。然而,对于环境益生菌在自然系统中的应用仍有许多事情有待了解。例如,必须克服各种障碍才能使BMC大规模适用和有效。其中包括菌群规模化生产和优化;储存期间的生物产品维护及后勤问题。在将这些开发的技术应用于该领域之前,需使用长期实验来测试其效率并绘制任何潜在风险。虽然有上述问题,然而使用珊瑚有益微生物(BMCs)仍被认为是一种非常有前景的替代方案
珊瑚礁的生存正在受到环境变化的挑战。科学界和环保组织认为必须尽量减少影响珊瑚礁生存的局部和全球胁迫。南大西洋的珊瑚礁被认为是主要的珊瑚礁生长地点,目前正在遭受前所未有的影响,导致该地区珊瑚大规模死亡。最近的一次大规模死亡事件影响了一个地点约90%的M. alcicornis。对M. alcicornis微生物群落的研究和益生菌的加入有助于减轻石油泄漏和其他压力因素对珊瑚的影响。这项研究探讨了珊瑚微生物群落对化学分散剂的影响,进一步了解了在不利压力条件下宿主与其相关微生物之间的生态相互作用。
 

评论

 
作者在本文中通过对在石油泄露环境中添加益生菌群落和化学分散剂Corexit® 9500,来其对珊瑚生长的影响。结果表明,添加化学分散剂不但不能降解石油,反而对具有降解石油能力的菌群造成影响,而添加益生菌菌群的处理中,石油对珊瑚的伤害显著降低。本研究为进一步对宿主和微生物的研究提供了数据支撑,并为减少海洋污染和保护及恢复珊瑚生态系统提供了一种可行的策略


不感兴趣

看过了

取消

本文由“健康号”用户上传、授权发布,以上内容(含文字、图片、视频)不代表健康界立场。“健康号”系信息发布平台,仅提供信息存储服务,如有转载、侵权等任何问题,请联系健康界(jkh@hmkx.cn)处理。
关键词:
微生物群,益生菌,分散剂,石油,科研,细菌,宿主

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

不感兴趣

看过了

取消

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

  • 医生交流群 加入
  • 医院运营群 加入
  • 医技交流群 加入
  • 护士交流群 加入
  • 大健康行业交流群 加入

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!