泉州湾红树林沉积物微生物多样性及其对水质变化的响应机制研究

《Frontiers in Microbiology》：Microbial diversity and water quality changes in mangrove sediments in Quanzhou Bay

本研究通过高通量测序技术揭示了泉州湾红树林沉积物微生物群落结构受溶解氧（LDO）和盐度等环境因子的关键驱动作用，发现变形菌门（Pseudomonadota）为优势菌群且功能预测显示其核心代谢通路（如氨基酸合成、细菌趋化性）具有环境适应性调整特征，为城市化海岸带生态系统健康评估提供了微生物生态学基准。

　　

1 引言

泉州湾红树林位于福建省泉州市，地理坐标介于东经118°37′45″~118°42′44″、北纬24°47′37″~24°57′29″之间。作为福建省重要海湾之一，该区域独特的河口地理位置和丰富的自然资源使其成为生态系统研究的热点。近年来，随着周边工业化与城镇化进程加速，红树林湿地生态系统受到不同程度人为压力影响。红树林沉积物微生物作为生态系统中最基础的生命形式，承担着养分循环、能量转化等关键生态功能，其对环境变化的敏感性使其成为评估生态系统健康的重要指标。

全球红树林沉积物微生物研究显示，变形菌门（Pseudomonadota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和绿弯菌门（Chloroflexi）通常为优势菌群，且对盐度、营养盐及污染物梯度具有显著响应。本研究聚焦泉州湾内受洛阳江和晋江淡水输入影响的非工业污染梯度，通过整合高通量测序与原位理化分析，系统解析不同位点（丰泽-FZ、晋江-JJ、洛江-LJ、石狮-SS）细菌群落的组装规律，旨在阐明：（1）站点特异性群落结构特征；（2）关键环境驱动因子；（3）微生物功能适应性的生态学意义。

2 材料与方法

2.1 样品采集

于2024年8月13日在泉州湾四个代表性区域采集沉积物样品。采样点布局涵盖淡水输入影响梯度（FZ近洛阳江口、JJ近晋江口）及湾内-外湾梯度（LJ为内部区域、SS为外湾区域）。样品采集深度约10 cm，每份样品量约0.5 kg，立即冰盒保存。孔隙水同步采集并现场测定部分理化参数。

2.2 理化指标测定

使用哈希公司便携式测定仪检测pH、电导率（CDC）、溶解氧（LDO）和盐度；铵氮（NH₄-N）和硝酸盐氮（NO₃-N）采用标准方法测定。

2.3 DNA提取与测序

通过引物515F/806R扩增16S rRNA基因V4区，使用NovaSeq 6000平台进行PE250测序。生物信息学分析基于QIIME2流程，采用DADA2插件生成扩增子序列变异（ASVs），并以97%相似度聚类为操作分类单元（OTUs）。分类学注释通过SILVA数据库（版本138.1）完成，同时根据LPSN标准更新原核生物命名（如Proteobacteria改为Pseudomonadota）。

2.4 数据分析

α多样性指数（Shannon、Chao1、Observed features、Faith’s PD、Simpson）通过R语言计算；β多样性基于Bray-Curtis距离矩阵进行非度量多维尺度分析（NMDS）和主坐标分析（PCoA）；功能预测采用PICRUSt2参照KEGG数据库完成。

3 结果

3.1 微生物群落多样性及组成

α多样性分析显示各站点物种丰富度相近，JJ样品的Shannon指数和Faith系统发育多样性最高，Simpson指数均大于0.990，表明群落由少数高丰度物种主导。OTU韦恩图显示JJ特有OTU数量最多（12,318个），FZ最少（7,410个）。

门水平上群落以变形菌门（Pseudomonadota，最高占FZ站点）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota，最高占JJ站点）、拟杆菌门（Bacteroidota）和热变形菌门（Thermoproteota）为主。JJ站点热变形菌门相对丰度显著高于其他站点。纲水平优势类群为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）；属水平硝化球菌属（Nitrosopumilus_5141）为主要类群。

NMDS分析显示SS、JJ、LJ站点群落结构相似，而FZ站点形成独立聚类；PCA进一步揭示JJ站点沿PC2轴分离，与其较低的无机氮（NH₄-N、NO₃-N）含量及较高热变形菌门丰度相关。

3.2 特征微生物类群

LEfSe分析共鉴定87个显著差异类群。SS区域以拟杆菌门（Bacteroidota）为最显著差异类群；JJ区域仅识别4个特征类群（包括热脱硫弧菌纲Thermodesulfovibrionia）；FZ区域特征类群最多（31个），涵盖古菌域（Archaea）和γ-变形菌纲等。

3.3 功能预测分析

KEGG通路预测显示所有站点均富含鞭毛组装（Flagellar assembly）、细菌趋化性（Bacterial chemotaxis）及缬氨酸-亮氨酸-异亮氨酸生物合成通路。PCA分析表明FZ站点功能谱与其它站点沿PC1轴（53.59%方差）显著分离，提示功能适应性与局部环境梯度相关。

3.4 水质参数特征

FZ站点NH₄-N（105.50 mg/L）和NO₃-N（422.75 mg/L）含量最高，JJ站点最低（分别为62.73 mg/L和299.00 mg/L）。溶解氧（LDO）在FZ与其它站点间差异显著（8.15~10.23 mg/L），盐度梯度为15.13%~23.00%。

3.5 微生物与环境因子关联

RDA分析表明群落结构差异主要与LDO（解释度最高）和盐度相关。FZ站点微生物群落与所有环境因子呈正相关，而其它站点呈负相关。相关性热图显示30个属水平微生物与6个环境因子存在显著关联（18个正相关、12个负相关）。

4 讨论

泉州湾人工红树林沉积物微生物群落结构呈现显著空间异质性，与全球红树林生态系统以变形菌门为主导的规律一致，但局部环境梯度塑造了独特的群落组装模式。FZ站点的群落分异可能源于其特殊的河口位置及人为干扰组合，该站点较高的氮负荷与特定功能基因富集提示微生物对营养盐输入的适应性进化。

微生物功能冗余性（如核心代谢通路保守）与特异性适应（如趋化性通路差异）并存的现象，反映了红树林沉积物微生物在维持生态系统功能稳定性方面的双重策略。溶解氧（LDO）作为最关键环境驱动因子，可能通过调控好氧/厌氧微生物的代谢平衡影响碳氮循环效率。

5 结论

本研究证实泉州湾红树林沉积物微生物群落结构受局部环境异质性（特别是LDO和盐度）主导，变形菌门的核心生态功能与站点特异性代谢适应共同维系着湿地生物地球化学循环。未来研究应结合宏转录学验证功能预测结果，并关注植物-微生物互作对群落组装的影响，为城市化海岸带生态系统韧性评估提供微生物维度依据。