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洋山港海域与船舶压载水及沉积物细菌多样性比较

肖南燕  
【摘要】:船舶压载水及沉积物的排放被认为是致病微生物和外来有害生物传入港口国的主要途径之一,为控制和防止船舶压载水传播有害水生物和病原体,国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)于2004年出台了《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》,随斐济国在2016年3月签署公约,成为第49个公约缔约成员国,参与规模比例达34.82%,离公约生效仅差0.18%,公约生效日期指日可待。我国作为港口大国,海岸线绵长,港口众多,受压载水及沉积物排放所产生的危害风险较大,其中上海洋山港自2005年底开港以来,已发展成我国最大的对外贸易港口,日益繁荣的航运业给洋山港海域带来了巨大的生态环境压力。在本次研究中我们使用传统微生物培养计数和高通量测序技术,结合生物信息学和统计学方法,首次对压载水及沉积物中细菌群落的物种组成进行了系统分析,分别对洋山港海域海水、洋山港入境船舶压载水及压载舱沉积物的细菌多样性进行研究,对其丰度、物种组成和群落多样性进行分析,并进一步对港口水域海水与船舶压载水细菌群落在丰度、物种组成和群落多样性与环境因子相关性的差别进行分析,丰富了港口微生物生态学基础理论,为研究压载水及沉积物微生物提供基础,进一步为洋山港入侵生物学和港口环境保护提供基础和依据,具有重要的理论和现实意义。研究结果如下:1.洋山港海域细菌群落的多样性分析洋山港海域可培养细菌总数1.2-9.1!104cfu/ml,相比其他近岸海域和港口处于较低水平。该海域海水样品中细菌分布于18门、33纲、83目、142科、242属,优势类群为变形菌门(proteobacteria84.7%)、拟杆菌门(bacteroidetes8.8%)和蓝藻门(cyanobacteria3.6%),秋季、冬季和春季样品优势类群为γ变形菌(gammaproteobacteria)和α变形菌(alphaproteobacteria),夏季样品优势类群为黄杆菌(flavobacteriales)。群落多样性指数显示,该海域微生物多样性整体情况呈现夏季﹥春季﹥冬季﹥秋季。影响洋山港细菌群落季节性差异的主要环境因子依次为叶绿素a、温度、总有机碳和盐度。海水温度和盐度等重要环境因子的季节变化,导致细菌优势类群存在明显的季节差异。2.洋山港入境船舶压载水细菌群落多样性的分析洋山港海域入境船舶压载水中可培养细菌总数为4.8-1300×103cfu/ml,方差分析结果显示所有压载水可培养细菌总数两两之间均存在显著性差异(p0.05),但属于正常海水可培养细菌总数范围内。船舶压载水样品中细菌分布于30门、79纲、147目、263科、436属,优势类群为变形菌门(proteobacteria58.8%)、拟杆菌门(bacteroidetes23.3%)、蓝藻门(chloroflexicyanobacteria1.6%)和浮霉菌门(planctomycetes4.4%),另有0.7%的otu序列在进行blast比对后没有得到确切的分类学信息。检测到的弧菌属(vibrio)、莫拉氏菌属(moraxella)、不动杆菌属(acinetobacter)、分支杆菌属(mycobacterium)和立克次氏体群(rickettsiales)均为潜在致病菌,并在压载水中首次检测到polaribacter、idiomarina和candidatusrhabdochlamydia等细菌。航线、压载地和压载天数的差异都可能影响细菌种群的丰度和组成,压载水中仍可能存在未知微生物。3.船舶压载舱沉积物细菌群落的多样性分析船舶压载舱沉积物样品可培养细菌总数为3.2-8.6×107cfu/g,方差分析结果显示所有沉积物可培养细菌总数两两之间均存在显著性差异(p0.05),相较海洋沉积物略低。压载舱沉积物样品中细菌分布于37门、100纲、185目、288科、371属,优势类群为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门,与海洋沉积物相似。其中非培养优势类群为变形菌门(proteobacteria59.4%)、拟杆菌门(bacteroidetes16.7%)、放线菌门(actinobacteria6.5%)、绿弯菌门(chloroflexi4.2%)、芽单胞菌门(gemmatimonadetes3.3%)、厚壁菌门(firmicutes2.1%)、酸杆菌门(acidobacteria1.6%)和浮霉菌门(planctomycetes1.6%),可培养优势类群为变形菌门(proteobacteria79.11%)和厚壁菌门(firmicutes19.76%);更细致的分类结果显示,非培养细菌优势类群为γ变形菌(gammaproteobacteria)、α变形菌(alphaproteobacteria)、黄杆菌(flavobacteriales)和δ变形菌(deltaproteobacteria);可培养细菌优势类群为γ变形菌(gammaproteobacteria)、芽孢杆菌(bacilli)和α变形菌(alphaproteobacteria)。船舶压载舱沉积物非培养细菌的群落多样性远大于培养细菌。本次研究在压载舱沉积物样品中检测到的分枝杆菌属(mycobacterium)、游动球菌属(planococcus)、假单胞菌属(paenibacillus)、类芽孢杆菌属(streptomyces)、链霉菌属(inquilinus)均存在于沉积物样品中,为致病菌或条件致病菌。4.港口水域海水与船舶压载水细菌群落多样性的比较(1)可培养细菌总数的比较:洋山港海域春季海水样品中可培养细菌总数为1.2-3.2×104cfu/ml;船舶压载水春季样品中可培养细菌总数为4.8-790.0×103cfu/ml,其中一组为在到港前进行过100%换水,与一般海水无异,可培养细菌总数在104-106 CFU/mL;而另一组压载水样品在到港前并未进行换水,可培养细菌总数在103-104 CFU/mL。总体上到港前并未进行换水压载水样品可培养细菌总数较换过水的压载水样品低102-103 CFU/mL,且由于洋山港海域可培养细菌总数相比其他近岸海域和港口处于较低水平,港口海水样品中可培养细菌总数比船舶压载水样品低102-103 CFU/mL。(2)物种组成的比较:海水和压载水的物种主要分布在变形菌门、拟杆菌门和放线菌门,但压载水中还生存着较多的浮霉菌门微生物。压载水和海水环境中的优势类群较相似,主要均为γ变形菌、α变形菌和黄杆菌,而海水中除上述三大类群外,蓝藻和β变形菌也是海水中的优势类群。(3)群落多样性与环境因子相关性分析:群落多样性指数显示海水样品细菌群落多样性情况不如压载水样品,压载水样品相较海水样品,微生物种群较多,物种较为丰富,多样性程度高;而海水样品的细菌物种组成相对单一,物种丰富程度不及压载水样品。其中压载水样品的ACE指数、Chao指数和Shannon指数均高于海水样品,压载水样品的Shannon指数高于海水样品约一倍,各多样性指数均显示压载水样品生物多样性程度高。群落多样性与环境因子相关性分析结果显示,港口海水细菌群落与温度和盐度有很大的相关性,而压载水微生物于硝酸盐和磷酸盐等营养盐因子存在相关性。海水与压载水环境因子对生境中的物种分布存在不同程度的影响,压载舱的独特环境,如黑暗无光和缺氧,也导致该生境中的细菌群落种类和优势类群与港口生境不相同。


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