Геология и землепользование определяют круговорот азота и серы в микробных сообществах подземных вод в водоносных горизонтах островов Тихого океана.

ISME Communications, том 3, номер статьи: 58 (2023 г.) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Население островов с ограниченными ресурсами процветало на Гавайях на протяжении более тысячелетия, но теперь сталкивается с новыми агрессивными проблемами в отношении основных ресурсов, включая безопасность и устойчивость водных ресурсов. Характеристика микробного сообщества в экосистемах подземных вод является мощным подходом к выводу об изменениях, вызванных антропогенным воздействием в результате управления земельными ресурсами в сложных гидрогеологических водоносных горизонтах. В этом исследовании мы исследуем, как геология и землепользование влияют на геохимию, микробное разнообразие и метаболические функции. Мы отобрали в общей сложности 19 скважин в течение двух лет в водоразделе Хуалалай на острове Кона, Гавайи, проанализировав геохимию и микробные сообщества с помощью секвенирования ампликона 16S рРНК. Геохимический анализ выявил значительно более высокий уровень сульфатов вдоль северо-западной зоны вулканического рифта, а высокий уровень азота (N) коррелировал с высокой плотностью локальных канализационных систем (OSDS). Всего в 220 образцах было идентифицировано 12 973 варианта последовательности ампликона (ASV), включая 865 ASV, классифицированных как предполагаемые циклеры N и серы (S). В циклерах N и S преобладал предполагаемый S-окислитель, связанный с полной денитрификацией (Acinetobacter), который значительно обогащался до 4 раз по сравнению с образцами, сгруппированными по геохимическому признаку. Значительное присутствие Acinetobacter предполагает потенциал биоремедиации вулканических подземных вод для микробного связанного S-окисления и денитрификации, обеспечивающего экосистемную услугу для островного населения, зависящего от водоносных горизонтов подземных вод.

Микробы играют регулирующую роль в сложных взаимодействиях между гидрологией, геологией и землепользованием [1, 2], что приводит к весьма изменчивой биогеохимии подземных вод. Микробы в подземных водоносных горизонтах составляют примерно 40% микробной жизни Земли [3, 4] и имеют решающее значение для экосистемных услуг, включая обеспечение чистой питьевой водой. Подповерхностные микробные сообщества улучшают качество воды за счет расщепления органических материалов и круговорота азота (N), серы (S) и железа (Fe) [5]. В отличие от окислительно-восстановительного структурирования осадочных систем, противоположные окислительно-восстановительные реакции происходят одновременно в уникальных микросредах (например, биопленках, частицах), что приводит к разнообразному микробиому подземных вод в крупных подземных водных средах [6, 7]. В результате использование неорганических соединений в качестве источников энергии (хемолитоавтотрофия) является очень распространенным метаболическим путем в экосистемах подземных вод, часто связанным с циклами углерода (C), водорода (H) и серы (S) с кислородом (O) и нитратами. (NO3-) как наиболее широко используемые акцепторы электронов [1]. В одном из немногих исследований микробиома, проведенных в глубоких водоносных горизонтах подземных вод Гавайев, анализ выявил высокое функциональное разнообразие, характеризующееся прежде всего хемолитотрофным метаболизмом [8].

Характеристика микробного сообщества экосистем подземных вод является мощным подходом к выводу о геохимических изменениях, возникающих в результате антропогенного воздействия и землепользования в гидрогеологически сложных водоносных горизонтах [9, 10]. Изменения в структуре и разнообразии подземных микробных сообществ могут предупредить пользователей об ухудшении качества воды, поскольку микробы в недрах быстро реагируют на изменения в окружающей среде из-за изменений в землепользовании и/или загрязнений, что приводит к уменьшению разнообразия и сокращению биогеохимических путей [11, 12]. Это особенно важно на Гавайях, поскольку все водные ресурсы здесь почти полностью зависят от подземных вод. Примерно 89% запасов питьевой воды на Гавайях находится в подземных водных ресурсах с минимальным вкладом поверхностных вод (т.е. водохранилищ, дождевых коллекторов) [13] и мелкомасштабной деятельности по опреснению. На Гавайях самое большое количество выгребных ям на душу населения в США [14]. Загрязнение из неточечных источников из личных систем удаления сточных вод (OSDS, выгребных ям) и сельского хозяйства является двумя основными источниками антропогенных питательных веществ, которые влияют на прибрежные экосистемы и были признаны основными экологическими проблемами на Гавайях [15,16]. ,17,18].

3. Sequencing error probabilities were modeled with dada2's iterative learn errors function and denoised with an iterative partitioning algorithm with default parameters. Reads were merged and any pairs with an overlap of fewer than 20 bases, or with more than one mismatch, were discarded. Both the mothur v1.44.1 [57] and the Silva database (version 138) [58] were used to align and annotate sequences. Sequences with a start or stop position outside the 5th-95th percentile range (over all sequences) were discarded. Potential chimeras were removed with VSEARCH [59] as implemented in Mothur and assigned taxonomy using the RDP classifier [60]. ASVs with no taxonomic information at phylum level, or matching mitochondria or chloroplasts were discarded. Sequences can be referenced at BioProject ID: PRJNA819449. Statistical analysis was performed using the Phyloseq [61], Vegan [62], DESeq2 [63] factoextra [64], sf [50], and base statistical packages for R [65]. Nutrient and major ion concentrations were z-score transformed (mg L−1) prior to Principal Component Analysis (PCA). ASVs were subsampled to 2000 for Beta diversity (CCA, NMDS, PERMANOVA) analysis, and PERMANOVA tests were performed with 99999 permutations. An initial beta-diversity analysis was performed comparing the 0.8 and 0.2 µm 16S community and no significant difference (Permanova p > 0.5) was observed and therefore samples were combined for further analysis./p>

50% of overall relative abundances of groundwater samples. Beta-diversity of the microbial community was significantly different between PCA (S, N1, N2, N3) groups (PERMANOVA, p < 0.01; Supplementary Fig. 3). However, alpha-diversity (Pielou and Shannon indices) was not significantly different between PCA groups (Supplementary Fig. 4)./p>100%) has the potential for denitrification, compared to 9.3% at N1, 30.1% at N2 and 46.3% at N3./p>5000 years) due to either excess geothermal-derived inorganic C, or isolated flow paths resulting in decreased connectivity with the rest of the aquifer [77, 78]. Decreased recharge, and older age indicates a diminished likelihood of abiotic production of oxidized S species such as SO42−, and S2O32− from volcanic outgassing. However, biotic H2S oxidation rates have been shown to far exceed abiotic oxidation in both aerobic and anaerobic conditions [36], further suggesting that SO42− production in these samples may be produced by microbial activity./p>2 mg L−1 DO) in low carbon, low temperature systems where it can remove up to 40.2% of N as gas at a rate of 0.203 mg L−1 h−1 [84]. The high sulfate concentrations coupled with significantly lower NOx− in group S compared to groups N2 and N3, further supports our hypothesis that the electrons required for N-reduction originates from microbial oxidation of sulfur producing SO42− by Acinetobacter (S group) and possibly Thiobacillus (N1 group)./p>

Блог