《Marine Pollution Bulletin》：Metabarcoding analysis of eukaryotic microalgae communities in the surface sediments of an integrated multi-trophic aquaculture zone
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海洋生态系统受养殖和水土流失协同影响，底栖与浮游藻类群落机制不明。本研究通过色素指纹与高通量测序整合分析，揭示Sungo湾底栖浮游藻类时空动态。结果显示：养殖类型主导群落结构，浮游藻类冬季以Trebouxiophyceae和Ulvophyceae占优，夏季转向Trebouxiophyceae主导。土壤有机碳/氮比值（TOC/TN）受养殖和季节径流双重调控，冬季升高（6.83-30）促进藻类光合色素积累，OTU多样性提升。
作者：Pi Yongrui | Wang Fei | Sun Ke | Chen Xin | Li Bin | Jiang Tao
中国山东省烟台大学海洋学院，烟台市，264005
摘要
沿海生态系统正日益受到集约化水产养殖和陆地径流变化的协同压力的威胁，但这些因素如何影响底栖和浮游藻类的分布机制仍不明确。为了解决这一问题，本研究通过结合色素特征分析和高通量测序技术，系统地研究了Sungo湾底栖和浮游藻类的时空动态。结果表明，水产养殖类型是决定藻类群落结构的主要因素：甲藻门在沿海养殖区和海带养殖区占主导地位，而Trebouxiophyceae和Ulvophyceae在牡蛎养殖区较为常见。季节性的陆地输入进一步调节了这些模式，形成了明显的冬夏差异。冬季，牡蛎的过滤和生物沉积作用加剧，加上陆地输入，导致沉积物中的总有机碳/总氮（TOC/TN）比值升高（6.83–30）。这些升高的比值与光合色素浓度的增加、测序读数的提升以及操作分类单元（OTU）丰富度的增加相吻合，这与Trebouxiophyceae和Ulvophyceae的优势地位相符。夏季，牡蛎过滤作用的减弱使得TOC/TN的调节主要受陆地输入影响，从而导致Trebouxiophyceae的优势地位。这项工作阐明了水产养殖实践和季节性陆地输入的双重调节作用，为管理人为影响下的沿海地区的底栖-浮游耦合和生态系统功能提供了重要见解。
引言
全球范围内，水产养殖对粮食安全和经济发展至关重要，但其扩张对沿海生态系统产生了深远影响。作为典型案例，中国的Sungo湾经历了近五十年的集约化水产养殖活动，使其成为研究这些环境相互作用的关键区域（Xia等人，2019年）。研究表明，该地区的水产养殖活动显著改变了生物因素，进而影响了基础浮游植物的种群结构（Fan等人，2020年）。这为研究持续水产养殖的更广泛生态影响提供了重要背景。
Sungo湾是一个典型的综合性多营养级水产养殖系统，已在多个方面进行了广泛研究，包括二氧化碳固定（Han等人，2013年）、碳沉积速率（Zhang等人，2011年）、沉积有机物的来源（Xia等人，2019年）、水产养殖容量（Duarte等人，2003年）、水产养殖产生的微塑料（Sun等人，2020c年）以及模型构建（Shi等人，2011年；Sun等人，2020b年）。尽管这些研究揭示了综合性多营养级水产养殖（IMTA）的益处和基本功能，但如果不解决这些相互关联的局限性，其可持续性仍无法得到完全保证。该生态系统中多样且丰富的真核生物在维持关键生态功能（如有机物分解、养分循环和食物网中的营养传递）方面发挥着直接作用（Gu等人，2020年）。虽然长期研究主要集中在Sungo湾海水中的浮游植物群落（Li等人，2024年），但关于表层沉积物中真核微藻群落的研究却相对较少。
浮游植物数据可通过基于形态学的方法获得，例如光学显微镜技术（Grippo等人，2010年；Yuan等人，2014年），但这需要专家知识和丰富的藻类鉴定培训。传统显微镜鉴定方法在评估生物多样性方面存在显著挑战，不仅适用于非光合原生动物，也适用于大多数微藻类。相比之下，当前的高通量测序（HTS）技术结合宏条形码分析，能够在大规模海洋生态系统中发现大量微藻多样性，尤其是那些缺乏明显形态特征且生命周期复杂的单细胞微藻（Kong等人，2019年；Keck等人，2020年）。18S rDNA的高变区已被广泛推荐作为海洋单细胞真核生物的条形码（de Vargas等人，2015年）。这种方法在表征表层沉积物中的底栖真核生物群落方面已被证明是有效的（Liu等人，2020年；Wang等人，2022a；Wang等人，2022b；Zhang等人，2017年）。
微藻底栖（MPB）群落在沿海生态系统中提供关键的服务，包括通过形成短暂生物膜实现底栖-浮游营养物质的耦合和沉积物稳定（Hancock等人，2021年）。在IMTA系统中，这些群落构成了基础的营养链接，但其真核生物多样性、空间分布以及对水产养殖压力的响应仍不为人所熟知，限制了我们对能量流动和系统恢复力的理解（Gu等人，2020年）。本研究通过应用高通量测序技术（HTS）对Sungo湾（一个典型的IMTA系统）的沉积物中18S rDNA进行分析，探讨了以下假设：（1）Sungo湾的真核MPB群落结构存在显著的空间异质性，这与水产养殖类型（如牡蛎养殖区与海带养殖区）相关；（2）光合色素浓度的空间分布是预测真核MPB分类组成变化的重要指标；（3）IMTA活动显著改变了沉积物的生物地球化学性质，这是导致真核MPB群落结构变化的主要驱动因素，与非养殖区域相比。
采样地点
Sungo湾位于山东省东部，黄海西北部，坐标为37°01’-37°09’N，122°24’-122°35’E，总面积约为144平方公里，入口处宽度为11.5公里（Sun等人，2020a）。Sungo湾表层海水的盐度变化较小，范围在30.37至33.3之间。表层水中的溶解无机氮（DIN）浓度（3.18–11.39 μmol/L）高于底层水（2.90–9.35 μmol/L）。
表层沉积物中生物元素的分布特征
2019年12月，Sungo湾的TOC含量范围为0.11%至0.63%，平均值为0.23%（图2a）。从西南部的贝类养殖区开始，TOC含量呈整体下降趋势。在海带养殖区与牡蛎混养区的交界处观察到局部TOC含量升高。2020年7月，Sungo湾的TOC含量范围为0.05%至0.69%，平均值为0.20%（图2a）。最高TOC含量出现在D8位置，最低值出现在D16位置。
讨论
本研究全面分析了Sungo湾综合性多营养级水产养殖（IMTA）系统中的底栖真核微藻群落。我们从表层沉积物中鉴定出214个属、6门的藻类OTU，这一丰富度远超过以往基于显微镜的水柱调查结果（39个属、3门）（Yuan等人，2014年），这可能得益于高通量测序（HTS）技术能够检测到休眠阶段的藻类（Wang等人，2022a；Wang等人，2022b）。
结论
本研究采用了一种综合方法，结合了18S rDNA的高通量测序和光合色素分析，定量解析了Sungo湾综合性多营养级水产养殖系统中的底栖真核微藻群落。我们的分析从表层沉积物中鉴定出214个属、6门的藻类OTU，这一丰富度是以往基于显微镜的调查结果的约5.5倍。
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Yongrui Pi：撰写初稿，概念构思。
Fei Wang：撰写、审稿与编辑，数据管理。
Ke Sun：撰写、审稿与编辑。
Xin Chen：方法学设计、实验实施、数据管理。
Bin Li：撰写、审稿与编辑，项目监督。
Tao Jiang：撰写、审稿与编辑，项目监督，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国山东省现代农业产业系统的财政支持（SDAIT-22-05）。
