高桥国家自然保护区红树林沉积物岩芯中微生物群落的垂直和空间变化

《Marine Pollution Bulletin》：Vertical and spatial variations of microbial communities in sediment cores from the mangrove of Gaoqiao National Nature Reserve

本研究对高乔红树林沉积物微生物群落进行16S rRNA测序分析，揭示其空间和垂直分布特征及环境驱动机制。优势菌门为假单胞菌门、放线菌门等，主要参与碳、氮、硫循环。环境因子pH、电导率和有机碳含量显著影响群落结构，为红树林生态修复提供科学依据。

　　

Jiatian Huang | Zhizhou Tan | Ruikun Sun | Zhengqing Dai | Lei He | Chengyong Li

广东海洋大学化学与环境学院，湛江，524088，中国

摘要

沉积物微生物群落是红树林生态系统功能的关键调节者。然而，关于红树林生态系统中沉积物岩芯内微生物群落的空间分布特征、潜在功能及其环境驱动机制的系统研究仍然较少。在本研究中，从高桥国家自然保护区的红树林中采集了15个沉积物岩芯，利用16S rRNA高通量测序技术分析了这些岩芯中的微生物群落组成。在近岸区、红树林区和离岸区这三个指定区域以及0至80厘米的不同沉积深度范围内，观察到了微生物群落结构的显著差异。主要存在的细菌门包括假单胞菌门（Pseudomonadota）、放线菌门（Actinomycetota）和绿弯菌门（Chloroflexota），以及古菌门中的热塑性菌门（Thermoplasmatota）。它们的分布显示出明显的生物地理和垂直分层模式。功能预测表明，参与碳、氮和硫循环的微生物群落具有更高的丰富度，因为这些群落表达了更强的代谢功能基因。此外，在30至45厘米的中层沉积物中，代谢功能基因的丰度较高。冗余分析（RDA）和变异分配分析（VPA）表明，沉积物pH值、电导率（EC）和总有机碳（TOC）含量是影响微生物群落结构和功能的主要环境因素。本研究加深了我们对红树林沉积物微生物生态学的理解，并为高桥红树林生态系统的针对性保护和恢复提供了科学依据。

引言

红树林是河口地区重要的生态系统，作为连接陆地和海洋环境的关键生态过渡带（Liu等人，2022年）。这类生态系统的主导植物是耐盐的木本植物，通常分布在热带和亚热带海岸的潮间带（Shiau等人，2017年；Verhoeven等人，2014年）。由于位于陆地-河口-海洋的交界处，红树林生态系统具有高度的栖息地异质性，这体现在复杂的水文条件、pH梯度和植被覆盖度的空间变化上（Bastien-Olvera等人，2024年；Li等人，2019年；Mahalati和Nasrolahi，2024年；Wu等人，2009年）。这种异质性不仅塑造了其宏观生物群落结构，还促进了高度多样的沉积物和根际微生物群落的发展，如细菌和古菌（Tong等人，2019年；Zhang等人，2017年）。因此，红树林生态系统对于维持全球生物多样性和生态平衡至关重要，对人类的可持续发展具有深远意义。

与其他红树林相比，高桥红树林是中国南部沿海少数保存完好的自然红树林群落之一，几乎未受到人类活动的影响（Leempoel等人，2013年）。此外，作为国家级红树林保护区，它保持了较高的生态系统完整性和代表性，为研究低干扰条件下的红树林生态过程提供了宝贵的样本。根据我们的实地调查，该红树林保护区目前正受到严重生态污染的威胁，包括塑料垃圾、细菌病原体和抗生素抗性基因（ARGs）（Sun等人，2023年；Xie等人，2021年）。然而，红树林根际和沉积物微生物群落既作为生态系统功能的关键调节者，也是环境健康和生态可持续性的重要指标。在高度不稳定的红树林生态系统中，这些微生物群落维持着必要的调节功能，但其调节能力可能受到上述生态污染物的影响（Barbier，2016年）。沉积物微生物群落是红树林生态系统的重要组成部分。这些微生物群落不仅参与有机物的分解，还驱动碳、氮和硫等关键生物元素的生物地球化学循环，从而维持系统内养分和水的有效循环（Fernanda Adame等人，2012年；Li等人，2025年；Zeng等人，2024年）。这些群落能够快速矿化落叶和死亡植被中的有机养分，将其转化为红树林植物可吸收的无机形式，从而构成了生态系统物质循环的基础（Mamidala等人，2023年）。同时，红树林植物的根系分泌物为微生物生长提供了丰富的碳源，促进了植物与微生物之间的互利共生关系（Padhy等人，2022年）。此外，微生物群落还是底栖食物网的重要组成部分。它们被中型动物和底栖无脊椎动物所摄取，从而支持更高的营养级，并在一定程度上影响河口的碳汇能力（Du等人，2014年）。此外，微生物群落在红树林生态系统的污染缓解中起着关键作用，特别是在烃类降解、重金属转化和有机毒素分解方面，为系统的生物修复提供了有效途径（Das等人，2024年；Wu等人，2022年；Zeng等人，2024年）。因此，高桥红树林生态系统的健康和平衡状况值得环境研究界的密切关注，全面了解该地区沉积物微生物群落的空间结构至关重要。

微生物群落的结构可能因地理位置而异（Gong等人，2019年）。了解微生物群落的空间分布模式有助于增强我们对微生物功能的认识，从而预测生态系统对环境变化的响应（Nathan等人，2020年；Wang等人，2021年）。此外，红树林微生物群落介导生物地球化学循环的机制及其关键调控因素尚未完全阐明。这些群落的功能特征，特别是与碳固定、硝化、反硝化和转运蛋白等关键过程相关的基因丰度，与其微生物多样性有关（Hu等人，2024年；Mai等人，2021年）。微生物群落可受多种环境变量的影响，如重金属浓度、总有机碳（TOC）、电导率（EC）和pH值（Nobrega等人，2022年；Xiao等人，2021年；Yin和Yan，2020年）。许多研究记录了湖泊湿地、海洋沉积物、河口沉积物和土壤中微生物群落的空间和垂直变化（Baker等人，2021年；Ma等人，2019年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2014年）。然而，关于红树林生态系统中微生物群落的空间分布模式及其相关功能预测和影响因素的系统研究仍然较少。

为填补高桥红树林保护区的关键知识空白，我们对从近岸区、红树林区和离岸区三个典型区域采集的15个80厘米沉积物岩芯进行了全面分析，以确定其中微生物群落的空间分布、功能潜力和环境驱动因素。通过高通量测序和生物信息学分析，本研究旨在回答三个核心问题：（1）微生物群落结构如何随空间和垂直梯度变化？（2）这些微生物群落在生物地球化学循环中介导哪些功能途径？（3）哪些关键环境因素驱动微生物群落的组装和功能分化？

样本采集

选择高桥红树林作为研究地点，是因为该地区对红树林植被的直接人为干扰最小，且具有自然形成的稳定沉积环境。2024年6月，使用活塞取样器从高桥红树林的15个采样点采集了沉积物岩芯。根据这些采样点与大陆的距离，将其分为近岸区、红树林区和离岸区三个区域。

测序统计和多样性估计

通过Illumina测序，从144个样本中获得了17,606,888个原始读段。经过质量过滤后，所有样本中共获得了16,489,049个有效标签。每个样本的标签数量范围为67,037到132,293个，所有样本中共鉴定出493,542个ASVs（序列相似度为100%）。离岸区的ASV数量最多，为240,091个，其次是红树林区，为157,870个，而近岸区的ASV数量最少。

沉积物岩芯中微生物群落多样性的垂直和空间变化

基于PCoA分析得出的β-多样性模式表明，空间和垂直变化在决定微生物群落结构方面起着关键作用（图2）。这些发现与先前的研究结果一致，即沿海生态系统（尤其是河口红树林沉积物岩芯）中微生物群落的空间变化受到采样位置的影响显著（Bahadori等人，2025年；Sonthiphand等人，2023年；Vieira等人，2025年；Wu等人，2023年）。

结论

本研究全面分析了中国高桥红树林保护区沉积物岩芯中的微生物群落，揭示了它们的空间分布、潜在生态功能及其关键环境驱动因素。结果表明，这些群落受到空间分区和垂直深度的双重影响。主要的功能门包括假单胞菌门（Pseudomonadota）、热塑性菌门（Thermoplasmatota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和绿弯菌门（Chloroflexota）。电导率（EC）、pH值和总有机碳（TOC）被确定为主要的环境驱动因素。

CRediT作者贡献声明

Jiatian Huang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，资源管理，项目协调，方法学设计，调查实施，数据分析，概念构建。Zhizhou Tan：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计，调查实施。Ruikun Sun：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计，概念构建。Zhengqing Dai：撰写 – 审稿与编辑，监督工作。Lei He：撰写 – 审稿与编辑。Chengyong Li：撰写 – 审稿与编辑。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22474027）、广东省高校创新团队项目（项目编号：2025KCXTD020）和广东海洋大学科研启动资金（项目编号：060302122402；060302122403）的支持。

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所述的工作。