上升流影响原始海岸泻湖沉积物微生物群落的分类与功能稳定性研究

《ISME Communications》：Taxonomic and functional stability of sedimentary microbial communities in a pristine upwelling-influenced coastal lagoon

本研究针对原始海岸泻湖生态系统微生物群落特征认知不足的问题，通过宏基因组学技术系统分析了受季节性上升流影响的圣金廷湾沉积物微生物的分类多样性和功能潜能。研究发现尽管存在显著环境梯度，该泻湖仍维持了高度稳定的核心微生物群落（60%属和38%种共享）及完整的氮硫循环功能基因网络，而抗生素抗性基因和毒力因子分布则呈现异质性。该研究为理解海洋过程主导的沿海沉积物微生物动态提供了重要基线，对评估生态系统健康具有标志性意义。

　　

在海洋与陆地交汇的过渡地带，海岸泻湖作为动态生态系统扮演着关键界面角色。这些浅水半封闭系统经历着复杂的潮汐交换和陆源输入过程，深刻影响着营养盐可用性和有机质动态。尽管沉积物中栖息着驱动氮硫循环、有机质分解和污染物降解等关键生物地球化学过程的多样化微生物群落，但相较于河流输入主导的泻湖，主要由海洋过程塑造的泻湖微生物群落仍鲜为人知，限制了我们对其分类多样性、功能角色及环境响应机制的理解。

墨西哥下加利福尼亚半岛西北海岸的圣金廷湾（Bahía de San Quintín, BSQ）为研究这一问题提供了理想天然实验室。这个以鳗草（Zostera marina）为主的沿海泻湖受人为干扰极小，其营养动态主要受加利福尼亚海流相关的季节性上升流和与太平洋的潮汐交换调控。前期研究虽已发现好氧反硝化细菌分布与沉积物质地、pH和有机质含量相关，且氮去除主要通过反硝化和厌氧氨氧化（anammox）实现，但BSQ沉积物微生物群落的整体分类组成和功能潜力，特别是在对比上升流条件下的特征，仍待全面解析。

发表于《ISME Communications》的这项研究采用鸟枪法宏基因组学（shotgun metagenomics）深入探讨了受上升流影响的原始海岸泻湖沉积物微生物群落的分类和功能稳定性。研究人员通过对比不同泻湖区域（入口区、过渡区、内部区）、生境（裸沉积物 vs. 海草床）和上升流季节（强烈 vs. 减弱）的样本，揭示了尽管存在明显的物理化学梯度，该泻湖仍维持了高度稳定的微生物核心群落及其功能潜能。

研究团队在2021年10月（上升流减弱期）和2022年6月（强烈上升流期）采集了BSQ东部Brazo San Quintín臂三个区域的沉积物样本。每个区域设置植被点和相邻裸点，通过SCUBA采集表层沉积物（0-5厘米）。对沉积物进行粒度、pH、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、铵盐（NH₄⁺）、硝酸盐（NO₃^-）、亚硝酸盐（NO₂^-）以及铁形态（Fe(II)、Fe(III)）等理化分析。宏基因组DNA提取后，进行Illumina NovaSeq 6000测序，使用Trimmomatic进行质控，MEGAHIT进行组装，Kaiju和Kraken2进行物种分类注释，Prodigal预测编码序列（CDSs），并通过DIAMOND比对NCyc、SCyc、BacMet、CARD和VFDB等数据库进行功能注释（氮循环、硫循环、金属相关基因、抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子）。统计分析包括多样性指数计算、β多样性（PERMANOVA）、冗余分析（RDA）等。

理化特征

沉积物理化性质呈现显著的空间和季节模式。粒度从入口区向内部区由沙质向粉砂质过渡，伴随着TOC和TN的2.7倍增加，以及NH₄⁺浓度的升高。NO₃^-和NO₂^-在入口区较高且强烈上升流期增加，而Fe(III)和Fe(II)则向内部区富集。海草床沉积物具有更高的TOC、TN和NH₄⁺。

微生物分类组成分布

宏基因组组装获得约810万条contig，其中98.2%为细菌。优势类群为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria, 27.4%）、δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria, 16.8%）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria, 15.2%）、放线菌门（Actinobacteria, 7.8%）和黄杆菌纲（Flavobacteria, 4.5%）。最丰富的属为弧菌属（Vibrio）、沃斯氏菌属（Woeseia）和嗜冷杆菌属（Psychrobacter）。古菌相对丰度较低（0.8%），以盐杆菌纲（Halobacteria）和甲烷微菌纲（Methanomicrobia）为主。研究鉴定出一个高度保守的核心微生物组：相对丰度>0.1%的属和种中，分别有60%（370属）和38%（325种）在所有区域共享；在不同生境和季节间，共享比例分别达69%和57%。

群落多样性分布

属水平丰富度（observed richness）为2094-2177，香农指数（Shannon index）为5.56-6.75；种水平丰富度为12204-14576，香农指数为7.47-7.92。物种水平香农多样性在上升流减弱期显著更高。β多样性分析显示，上升流季节是导致群落结构差异的唯一显著因素（PERMANOVA, p<0.05）。冗余分析（RDA）表明，仅NO₃^-和Fe(III)显著影响群落结构，共同解释了39.3%的变异。

预测功能分析

从1020万条预测编码序列（CDSs）中，167,321条（1.6%）被注释到五大功能类别，涉及1861个基因家族。氮循环（57/79个参考基因）、硫循环（114/207）基因的检出比例（72.2%, 54.1%）远高于抗生素抗性基因（ARGs, 4.3%）和毒力因子（15.3%）。氮、硫代谢基因在区域、季节和生境间共享度高（79-96%），而金属相关基因（58-82%）、ARGs（29-55%）和毒力因子（49-70%）共享度较低，分布更异质。关键氮硫循环途径（如反硝化、同化硝酸盐还原、同化硫酸盐还原）完整性达100%，而厌氧氨氧化（anammox, ≤10%）、硝化（≤50%）、氮固定（≤75%）等途径完整性较低。上升流季节显著影响部分氮硫基因的相对丰度。功能基因分布的RDA分析同样显示NO₃^-和Fe(III)是主要驱动因子，解释了21.4%的变异。

本研究结论表明，尽管存在显著的物理化学梯度和季节性上升流变化，圣金廷湾沉积物仍孕育了多样化且高度稳定的微生物群落。其核心微生物组（高比例共享分类单元）与保守的氮硫循环功能基因网络共同构成了支撑关键生物地球化学过程的功能核心，体现了微生物群落对 fluctuating 而富营养条件的良好适应，这可能得益于泻湖较低的人为干扰。相比之下，抗生素抗性基因和毒力因子呈现较低的相对丰度和较高的异质性，反映了局部选择压力的影响。这些发现凸显了BSQ沉积物微生物组的适应性和功能鲁棒性。在相对未受干扰的沿海系统中建立此类基线，对于预测微生物对环境变化的响应及识别生态系统扰动的早期迹象至关重要。该研究为理解主要由海洋过程塑造的沿海沉积物微生物动态提供了宝贵的基准参考。