2021年加州橙县原油泄漏对海洋细菌群落的影响研究

《Microbiology Spectrum 3.7》：Bacterial response to the 2021 Orange County, California, oil spill was episodic but subtle relative to natural fluctuations

本研究揭示了原油泄漏对海洋细菌群落的长期影响，发现细菌群落结构和功能发生显著变化，强调了持续监测的重要性（原油泄漏、细菌群落、海洋生态）

　　2021年10月，美国加州橙县海岸附近发生了一起严重的原油泄漏事故，约24,696加仑的原油泄漏到沿海环境中。本研究利用长达10年的沿海短读长宏基因组时间序列数据，量化了此次原油泄漏对细菌群落的干扰程度和持续时间。研究发现，细菌β多样性在10月末发生了最大变化，与硫氧化菌株Candidatus Thioglobus的增加、潜在烃降解细菌总相对丰度的增加以及微微型蓝藻Synechococcus的异常下降相对应。功能方面，光合作用途径异常下降，而硫代谢途径和芳香烃降解途径异常增加。此外，细菌群落对总多环芳烃（PAHs）峰值的响应存在滞后性，大约在PAHs峰值出现1周后观察到最大的分类学变化，而在分类学变化出现1周后观察到独特的功能变化。这种响应模式在采样期间出现了两次，与再悬浮PAHs和由于物理传输事件导致的营养浓度增加的联合效应相对应。研究表明，原油泄漏对细菌群落的影响在时间上是延长的，强调了需要对原油泄漏后的海洋生态系统进行超过3个月的持续监测。

原油泄漏是海洋生态系统中常见的干扰事件，会对海洋环境造成长期的污染。细菌群落作为海洋生态系统中的重要组成部分，对环境干扰的响应迅速且敏感。在原油泄漏事件中，部分细菌群落成员可能对原油成分敏感而数量下降，而另一些则可能利用原油成分进行代谢而成为机会主义者。然而，由于在许多原油泄漏事件发生之前并未采集样本，因此难以准确评估其对海洋生态的影响。本研究利用位于受原油泄漏影响区域内的长期时间序列监测点，首次量化了原油泄漏对沿海加利福尼亚细菌群落的影响程度和持续时间。

研究地点位于加州纽波特码头（Newport Pier）附近的Microbes in the Coastal Region of Orange County（MiCRO）时间序列监测点。自2009年起，该监测点每周至每月对营养盐浓度、颗粒有机物（POM）和微生物群落进行监测，并对2010年至2020年的样本进行了短读长宏基因组测序，积累了长达10年的细菌群落组成和功能数据。在原油泄漏事件发生后，研究人员在泄漏前2个月每周采样一次，泄漏后1个月每周采样三次，随后3个月内每周采样一次，通过短读长宏基因组测序分析了细菌群落组成和功能的动态变化，并与过去10年的时间序列数据进行比较，以确定原油泄漏对细菌群落的影响程度和持续时间。

研究结果表明，原油泄漏后，海洋环境中的多环芳烃（PAHs）浓度发生了显著变化。低分子量PAHs（如芴、蒽和菲）浓度较低且随时间略有增加，而高分子量PAHs（如芘、苯并[a]蒽和荧蒽）浓度在10月20日达到峰值后下降，11月3日再次上升，并在12月29日达到超过17 ppb的峰值。这些PAHs浓度的变化与海洋物理传输过程密切相关，例如10月的上升与上升流事件有关，而12月的上升则与波浪方向的变化有关。

在微生物群落方面，原油泄漏对海洋细菌群落的结构和功能产生了显著影响。细菌群落的分类多样性和组成在PAHs浓度峰值后发生了变化。例如，寡营养型细菌如Synechococcus、Prochlorococcus和Candidatus Pelagibacter的相对丰度在PAHs浓度峰值后显著下降，而一些已知的油响应细菌和机会主义菌株如Halomonas、Owenweeksia、Polaribacter和Tenacibaculum的相对丰度则显著增加。这些变化在10月和12月至1月期间尤为明显，与PAHs浓度峰值的时间相对应。此外，功能基因分析表明，与芳香烃降解、重金属耐受性、硫代谢和生物膜形成相关的功能基因在原油泄漏后显著增加。例如，参与芳香烃降解的基因在10月至次年1月期间间歇性增加，而重金属耐受性基因、硫代谢基因和生物膜形成基因在11月3日至17日期间达到峰值。这些功能变化与细菌群落的分类学变化存在时间滞后性，表明细菌群落对原油泄漏的响应是一个复杂的动态过程。

本研究还发现，原油泄漏对细菌群落的影响具有一定的滞后性和反复性。在PAHs浓度峰值出现后约1周，观察到细菌群落结构的最大变化，而在这些分类学变化出现约1周后，才观察到独特的功能变化。这种响应模式在10月和12月至1月期间出现了两次，与再悬浮PAHs和营养浓度增加的物理传输事件相对应。这表明原油泄漏对海洋细菌群落的影响在时间上是延长的，且可能受到环境因素的调节。

综上所述，本研究首次量化了原油泄漏对海洋细菌群落的长期影响，揭示了细菌群落结构和功能的显著变化。这些发现不仅为理解原油泄漏对海洋生态系统的影响提供了重要的科学依据，还强调了在原油泄漏事件发生后进行持续监测的重要性，以便更好地评估和管理原油泄漏对海洋环境的长期影响。