海洋微生物無(wú)處不在,通過(guò)光合作用和生物地球化學(xué)循環(huán)等關(guān)鍵過(guò)程,在海洋中發(fā)揮著(zhù)基本作用。由于其很高的更替頻率和不完整的分布,監測時(shí)需要在正確的時(shí)間和空間取樣。使用兩個(gè)在線(xiàn)流式細胞儀系統對那不勒斯灣沿岸地區的海洋微生物進(jìn)行了監測,驗證一種新的概念,證明該技術(shù)可以作為一個(gè)實(shí)時(shí)水質(zhì)報警系統的有用工具。建議將細菌和微型浮游植物濃度作為水質(zhì)的一般指標,這是評估環(huán)境條件變化的影響所必需的第一步,隨后將深入分析群落組成是否存在病原體或其他指標。在調查期間,我們發(fā)現在未經(jīng)處理的城市廢物排放區或河流輸入區細菌濃度高。一般說(shuō)來(lái),細菌的豐度與鹽度呈負相關(guān),這表明它們利用陸地來(lái)源的有機物進(jìn)行生長(cháng)。所使用的技術(shù)方法也是根據旨在評估和改善歐洲海洋水域質(zhì)量的歐洲指令2008/56/EC,是監測沿海地區的一種有用和快速的方法。海洋微生物具有高度的動(dòng)態(tài)性,對生態(tài)系統性質(zhì)的變化反應非???,從而導致急性污染事件為了捕捉這些反應并確定其原因,需要高頻準確的測量。大多數用于監測海洋微生物的方法都存在重復性低、響應時(shí)間長(cháng)和對勞動(dòng)力要求高的問(wèn)題。流式細胞術(shù)提供了一個(gè)解決這些限制的方法,允許快速、準確和可復制的海洋微生物計數,并在海洋生態(tài)學(xué)研究中得到了廣泛的應用。流式細胞術(shù)是一種利用散射和熒光來(lái)鑒別和計數細胞類(lèi)型的非軸測、基于單細胞的方法。由于光合色素的自熒光性,光合微生物可以直接分析,而非自熒光微生物(如異養細菌)則需要在分析前進(jìn)行染色。染色步驟需要樣品處理和孵育時(shí)間,這是正確評估細胞濃度所必需的。在環(huán)境科學(xué)中,自動(dòng)流式細胞術(shù)已用于自發(fā)熒光微生物和染色后的異養細菌。我們將這兩種方法結合起來(lái),分別使用了用于在線(xiàn)分析光營(yíng)養微生物的Cytosense(CytoBuoy BV)和連接到海洋航行船的泵的OnCyt自動(dòng)流式細胞儀(OnCyt Microbiology AG)。證明了高空間分辨率監測表面微生物分布是可行的,并提供了有用的第一手信息,可用于快速和實(shí)時(shí)地指示水質(zhì)。2017年6月19日在RV Vettoria上采樣。地表水由船泵通過(guò)在線(xiàn)熱鹽計 (SBE45 MicroThermalSalinograph,Seabird Electronics),測量溫度和鹽度,并通過(guò)在線(xiàn)熒光計測量總熒光(CycloPS7,Turner Design 連接databank)。然后,水流過(guò)采樣裝置(Cytobuy BV),并依次通過(guò)Cytosense流式細胞儀(Cytobuy BV)和OnCyt在線(xiàn)流式細胞儀。
Cytosense每2分鐘分析一次樣品,而OnCyt每13分鐘(取決于染色時(shí)間)分析一次樣品,對應每1km 采樣一次,取決于船速。常規流式細胞儀分析的離散樣本每10分鐘在表面采集一次,以驗證onCyt計數。在,將這些樣品固定、冷凍并稍后在實(shí)驗室用SYBRGreen染色后進(jìn)行分析。從CytoSense中,獲得了Synechochoccus sp(藍藻)、微微真核生物(1-3μm大小的混合種群)和納米真核生物的計數(2-10μm大?。?,同時(shí)onCyt提供非熒光,主要是異養細菌的濃度。盡管對于自養微微浮游生物(藍藻和微微真核生物),onCyt系統與傳統流式細胞術(shù)的比較已有報道,而且對于異養微生物,onCyt系統已用于淡水系統,但其在海水中的應用仍需測試。因此,我們調整了染色方案,以適應onCyt在培養溫度和時(shí)間方面的需要。為了保證測量的準確性,在含50 mM EDTA染色之前,樣品中加入多聚甲醛和戊二醛的混合物(1%和0.05%最終濃度)。使用CytSense和onCyt獲得的細胞計數與通過(guò)常規流式細胞術(shù)獲得的計數顯著(zhù)正相關(guān),如圖所示,對于細菌,計數和亞群(高核酸,HNA和低核酸,LNA,圖1c和d)都適用。

圖1 通過(guò)CytoSense、onCyt和常規流式細胞術(shù)(Verse)獲得的數據驗證。
a)CytoSenseVs Verse藍藻聚球藻計數的相關(guān)性b)onCyt Vs Verse總異養細菌計數的相關(guān)性c)通過(guò)onCyt獲得的異養細菌的流式圖d)通過(guò)Verse獲得的異養細菌生的流式圖
上船后,兩臺流式細胞儀在熱鹽分析儀之后連接到船上的采樣線(xiàn)上。然后海水被分成兩條線(xiàn),一條通向CytSense,另一條通向onCyt。兩臺儀器同時(shí)采集了樣本。
圖2 顯示了船的軌跡以及巡航期間收集的溫度、鹽度和熒光值。
兩個(gè)低鹽度區域很明顯,一個(gè)靠近港口(Torre Annunziata),另一個(gè)位于受薩諾河(Sarno)影響的區域。第一個(gè)位于離海岸一英里的城市垃圾收集站附近。第二條河流與薩諾河相對應,薩諾河流經(jīng)幾個(gè)農村和城市地區,然后排入那不勒斯灣。a)溫度,b)葉綠素熒光,c)航跡,d)鹽度。箭頭表示鹽度較低的地點(diǎn),Torre Annunziata(上圖)和Sarno(下圖)
細菌總濃度顯示出這兩個(gè)區域對應的峰值,第一個(gè)區域(Torre Annunciata)的最高濃度為1.5 x 106cell/ml,第二個(gè)區域(Sarno)的濃度為1.4 x 106cell/ml(圖3)。盡管HNA在Torre Annunziata占主導地位,但HNA和LNA均存在于Sarno現場(chǎng)(未顯示),表明采樣軌跡沿線(xiàn)的群落組成發(fā)生了變化。事實(shí)上,HNA和LNA現在被識別為不同的細菌集群,最終代表了相同的較大分支,但屬于不同的分類(lèi)單元,而不像以前認為的那樣,是更多(HNA)或更少(LNA)活性細菌。

圖3 樣本軌跡(左側)和中異養細菌總濃度(右側)cell/ ml
在Sarno現場(chǎng)采集的樣本顯示存在大腸桿菌,這是近期糞便污染的指標,但在Torre Annunziata現場(chǎng)(Milva Pepi,pers.Comm.)沒(méi)有,這表明在僅根據細菌總濃度正確評估人類(lèi)健康風(fēng)險之前,進(jìn)一步進(jìn)行細菌分析的重要性。有毒藻類(lèi)也是如此,其中單獨的分類(lèi)鑒定并不總是與必須使用其他適當的檢測方法證明的毒素的存在相對應。
自養微生物組分也顯示出兩個(gè)區域之間的明顯分離,藍細菌聚球藻(Synechococcus)在南部地區占優(yōu)勢,而微微真核生物和隱藻在北部地區占優(yōu)勢(圖4)。這也證實(shí)了先前的觀(guān)察結果,表明原核生物(藍藻)與大型真核生物(微微真核生物和隱藻)對不同的環(huán)境線(xiàn)索做出反應,后者通常負責總葉綠素的峰值(如熒光模式所示,圖1b)。

圖4 樣本軌跡(左側)和a)聚球藻b)微微真核生物c)隱藻濃度cell/ml自動(dòng)高頻流式細胞儀被證明是一種檢測海洋微生物的成本效益高、速度快的方法,允許實(shí)時(shí)測量細胞濃度與環(huán)境因素相關(guān)性,以便解釋和潛在地用作水質(zhì)標志,并為進(jìn)一步干預鋪平道路。反過(guò)來(lái),微生物群落,特別是異養細菌,似乎是環(huán)境條件變化的有用標志,需要考慮并納入水質(zhì)評估,如歐洲指令2008/56/EC所要求的,其目標是在2020年內達到所有歐洲水域的良好環(huán)境狀態(tài)(GES)。
由于細菌細胞總數可能不會(huì )進(jìn)一步反映致病性或毒性對人類(lèi)健康的風(fēng)險,因此必須謹慎行事。然而,流式細胞術(shù)可能是首次篩選的一種有價(jià)值的方法,實(shí)時(shí)預警潛在的關(guān)鍵位點(diǎn),以便通過(guò)其他方法進(jìn)一步監測和控制。
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