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

May 08, 2023

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].