海洋生态学

南海海滩岩微生物群落结构和特定菌株对其成因机制的启示*

  • 刘玓玓 , 1, 2 ,
  • 张喜洋 , 1, 3 ,
  • 孙富林 1, 4 ,
  • 王明壮 1, 5 ,
  • 谭飞 1, 3 ,
  • 施祺 1, 3 ,
  • 王冠 1, 3 ,
  • 杨红强 1, 3
展开
  • 1.中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.海洋学院, 华南农业大学, 广东 广州 510642
  • 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 4.中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 5.中国科学院大学, 北京 100049
张喜洋。email:

*感谢编辑部老师和三位审稿专家提出的宝贵建议

刘玓玓(2001—), 女, 河南濮阳人, 本科生, 从事海洋生物学研究。email:

Copy editor: 孙翠慈

收稿日期: 2023-10-07

  修回日期: 2023-10-23

  网络出版日期: 2023-12-08

基金资助

国家重点研发计划(2021YFC3100603)

国家重点研发计划(2022YFC3102402)

国家自然科学基金项目(42306076)

国家自然科学基金项目(42376165)

海南省重点研发项目(ZDYF2022SHFZ072)

Microbial communities and specific strains within beachrocks of the South China Sea: implications for the origin of beachrock*

  • LIU Didi , 1, 2 ,
  • ZHANG Xiyang , 1, 3 ,
  • SUN Fulin 1, 4 ,
  • WANG Mingzhuang 1, 5 ,
  • TAN Fei 1, 3 ,
  • SHI Qi 1, 3 ,
  • WANG Guan 1, 3 ,
  • YANG Hongqiang 1, 3
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. College of Marine Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. Key Laboratory of Tropical Marine Bio-resources and Ecology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
ZHANG Xiyang. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2023-10-07

  Revised date: 2023-10-23

  Online published: 2023-12-08

Supported by

National Key Research and Development Program of China(2021YFC3100603)

National Key Research and Development Program of China(2022YFC3102402)

National Natural Science Foundation of China(42306076)

National Natural Science Foundation of China(42376165)

Key Research and Development Program of Hainan Province(ZDYF2022SHFZ072)

摘要

热带—亚热带潮间带沉积物中丰富的菌—藻类微生物及其复杂的生命活动对颗粒的早期胶结过程起重要作用。本文通过16S rRNA高通量基因测序方法分析西沙群岛石屿、全富岛及海南龙湾珊瑚礁滨岸带海滩岩表生微生物群落结构, 确定主导海滩岩快速胶结的共性菌株/微生物功能群。表层生长草皮海藻的全富岛海滩岩原核生物多样性最高。龙湾潮间带上部暴露时间较长的海滩岩比潮间带下部海滩岩原核生物多样性高。相对固结的石屿海滩岩原核生物多样性最低。4个取样点具有较为相似的细菌门类组成, 物种丰度由大到小依次为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteriota)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota)和脱硫杆菌门(Desulfobacterota)。不同点位的海滩岩形成环境中蓝细菌主要种类大体相同, 其中眉藻(Calothrix sp.)是主导海滩岩早期胶结的共性钙化菌株, 通过分泌胞外聚合物成为碳酸盐矿物沉淀的“热点”。群落中检出的反硝化细菌和硫酸盐还原菌表明海滩岩内部氧化还原梯度较大, 表面下极浅处即存在缺氧微环境。微生物群落内强烈的光合作用、硫酸盐还原作用和反硝化作用不断提高微环境pH值, 有利碳酸盐矿物在粒间孔内的成核和生长并加速颗粒胶结。

本文引用格式

刘玓玓 , 张喜洋 , 孙富林 , 王明壮 , 谭飞 , 施祺 , 王冠 , 杨红强 . 南海海滩岩微生物群落结构和特定菌株对其成因机制的启示*[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(4) : 112 -122 . DOI: 10.11978/2023142

Abstract

Abundant bacterial-algal microorganisms and their metabolisms play important roles in early cementation of beachrocks along intertidal-supratidal zones of tropical-subtropical shorelands. In this study, 16S rRNA high-throughput sequencing analysis was employed to reveal the compositions of prokaryotic microbial communities and identify the common strains/microbial functional groups that dominated the beachrocks’ cementation. The Quanfu turf algae-bearing beachrocks have the highest biodiversity. The diversity of Longwan beachrocks in upper intertidal zone is higher than that in lower intertidal zone. The prokaryotic biodiversity of consolidated Shiyu beachrocks is the lowest. The bacterial phylum in the four sampling localities was roughly similar, which includes Proteobacteria, Bacteroideta, Actinobacteria, Cyanobacteria, Chloroflexi, Gemmatimonadetes and Desulfobacterota in descending order. The main cyanobacteria species were same. The common calcified cyanobacterial strain-Calothrix sp. was all detected, and the extracellular polymer substances could be the hotspots for precipitation of carbonate biomaterials. Denitrobacteria and sulfate-reducing bacteria detected in microbial communities indicate the anaerobic environment and steep redox gradient below the superficial beachrocks. Strong photosynthesis, sulfate reduction and denitrification in particle surface and intergranular pore together significantly rise pH, and promote the nucleation and growth of carbonate biomaterials, accelerating the consolidation of loose beach sands.

海滩岩是碳酸盐矿物快速胶结松散海滩沉积物形成的地质体(Ginsburg, 1953; 李平日, 1988), 广泛分布于全球热带-亚热带地区(Vousdoukas et al, 2007), 在中国南方海岸海滩岩常见于福建、广东、广西、海南(李建生 等, 1998)及西沙群岛(孙金龙 等, 2009; 朱长歧 等, 2015)等地。
尽管海滩岩的成因机制饱受争议, 越来越多证据表明微生物活动可能加速其早期胶结进程(Bernier et al, 1996; Webb et al, 1997, 1999; Khadkikar et al, 2003; 滕建彬 等, 2007a, b; Teng et al, 2008; Shen et al, 2008; 王月 等, 2011; McCutcheon et al, 2016, 2017)。底栖丝状蓝细菌既能物理固定松散沉积物(Neumann et al, 1970), 还能诱导矿物析出黏结颗粒。西沙群岛全富岛海滩岩中的巨大鞘丝藻(Lyngbya majuscula)、眉藻属(Calothrix)和双须藻属(Dichothrix)等具有胞外聚合物的光合蓝细菌是碳酸盐胶结物沉淀的“热点”(Zhang et al, 2022)。厌氧和好氧降解过程亦可推动海滩岩固化(Krumbein, 1979)。海滩岩中异养细菌在无光照条件下便诱导沉淀碳酸盐矿物(Neumeier, 1999)。与海滩岩形成环境类似的巴哈马现生叠层石中, 硫酸盐还原菌等异养细菌对碳酸盐沉淀的贡献可能已经超过蓝细菌(Reid et al, 2000; Andres et al, 2006)。海洋沉积物中的反硝化细菌对碳酸盐沉淀的贡献也不可忽视(高旭波 等, 2022)。量化测定海滩岩微生物群落结构是深入解析其微观复杂地质过程的前提。
明晰海滩岩表生微生物群落组成及多样性, 是识别主导海滩岩胶结的共性钙化菌株且准确评估不同微生物功能群贡献度的基础。本文选取南海不同沉积环境及沉积物类型的4个点位(图1a)海滩岩表层样品开展16S rRNA基因的高通量测序分析, 比较微生物群落组成和多样性差异, 厘清已知具钙化能力的蓝细菌菌株的分布和丰度, 进一步揭示海滩岩早期成岩过程中不同微生物功能群的地质作用。
图1 a. 采样点区域位置图; b. 为龙湾海滩岩野外照片; c. 全富岛海滩岩样品(QF)采自海滩岩表面草皮海藻; d. 石屿海滩岩样品(SY)为潮间带海滩岩表面

该图基于海南测绘地理信息局的审图号为琼S(2021)120号的标准地图制作, 底图无修改。龙湾1号取样点海滩岩样品(LW1)位于潮间带下部, 龙湾2号取样点海滩岩样品(LW2)位于潮间带上部

Fig. 1 (a) Map of sampling sites; (b) LW1 beachrocks from the lower part of intertidal zone and LW2 beachrocks from the upper part of intertidal zone; (c) QF beachrock and the surficial turf algae; (d) SY beachrock from intertidal zone

1 材料与方法

1.1 研究点位

龙湾海滩岩(19°16.6′N, 38°31.5′E; 图1b)位于海南琼海市潭门镇以北5公里的潮间带花岗岩风化型