时空驱动与功能响应：美国密西西比海湾海岸沙-水微生物群落结构、多样性及其生物地球化学过程研究

《Environmental Microbiology Reports》：Bacterial Communities in Sand and Seawater of Northern Gulf Coast Beaches: Temporal, Spatial, and Environmental Influences

本文首次对密西西比海岸10个海滩为期一年的季度采样研究，系统揭示了沙与海水中细菌群落在结构、多样性和功能上的根本性差异。研究发现，时间变化对群落结构的影响强于空间距离，且两个栖息地的关键环境驱动因子（温度、盐度）及其与“核心”菌群、胞外酶活性的关联模式显著不同，为理解这一受淡水影响强烈的动态海岸带微生物生态与功能提供了重要基线。

　　

引言

海洋环境深受自然与人为事件引起的物理化学因子波动影响。在墨西哥湾北部，富含营养盐的淡水输入可引发大范围的藻华和缺氧区（如“死亡区”）。尽管该区域生物多样性丰富，支撑着重要的渔业生产，但其生态学，尤其是微生物生态，研究相对匮乏。微生物是海洋食物网的基础，并对生态系统健康有重大影响。本研究首次对密西西比海岸海滩的沙和海水细菌群落进行了全面分析，旨在探究其多样性、组成、时空变化模式、环境驱动因素以及与生物地球化学过程（通过胞外酶活性表征）的关联。

实验方法

本研究沿密西西比海岸53.1公里范围内的10个海滩，自2024年3月至2025年3月，每3个月采集一次海水和沙样。每个海滩每次采集3个独立重复样品。现场测定水温、pH、溶解氧（DO）和盐度。通过高通量16S rRNA基因（V4区）测序分析细菌群落。同时，测定与碳（β-葡萄糖苷酶）、氮（N-乙酰葡糖胺糖苷酶，NAGase）、磷（磷酸酶）矿化相关的水解酶活性，以及沙中的氧化酶（酚氧化酶、过氧化物酶）活性。使用统计方法分析群落结构（Bray-Curtis相异度）、α多样性（观察到的ASVs数、逆辛普森指数）、优势分类群相对丰度及其与环境因子、酶活性的关系。

环境参数的变化

水温、盐度和pH在采样日期和海滩间均存在显著差异。时间距离（控制地理距离后）与各环境参数的差异呈正相关。地理距离（控制时间后）则与盐度和pH的差异显著相关。

沙与海水细菌群落的整体模式

细菌群落在沙和海水之间存在根本性差异，且受采样日期的影响远大于海滩间的地理距离影响。沙和海水各自的微生物组在研究期间的时间变异均大于海滩间的空间变异。

• •
  海水细菌群落：群落结构受采样日期和海滩的显著影响，时间影响（R²= 0.522）强于空间影响（R²= 0.149）。群落差异与时间距离呈强正相关。环境因子中，盐度是解释群落变异的最强预测因子（R²= 0.85），其次是温度（R²= 0.39）。
• •
  沙细菌群落：群落结构同样受日期和海滩的显著影响。时间距离是群落差异的强预测因子。水温（R²= 0.35）和盐度（R²= 0.30）是沙细菌群落变异最强的环境预测因子。

沙与海水细菌群落的α多样性

沙的细菌物种丰富度（平均S_obs: 1308）和多样性（平均逆辛普森指数: 233.0）均显著高于海水（丰富度: 651；多样性: 62.9）。沙的细菌丰富度和多样性与水温、DO呈正相关。而海水的细菌丰富度与水温、DO、pH呈负相关；海水多样性与水温、DO呈负相关，与盐度呈正相关。

沙与海水细菌群落的分类组成

沙和海水群落均以γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）为主。其他丰富门类包括α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）、放线菌门（Actinomycetota）、浮霉菌门（Planctomycetota）和蓝藻门（Cyanobacteriota）。沙中还含有较高比例的绿弯菌门（Chloroflexota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）等。各主要门类在沙和海水中的比例均随采样日期显著变化，部分门类在沙或海水中也因海滩不同而异。

多个优势细菌门类的比例与环境因子显著相关。例如，在沙和海水群落中，γ-变形菌纲和拟杆菌门的比例均与温度呈负相关。在海水群落中，放线菌门、蓝藻门、疣微菌门（Verrucomicrobiota）的比例与盐度呈负相关，而与DO呈正相关；α-变形菌纲的比例则与盐度呈正相关，与DO呈负相关。

沙与海水“核心”细菌微生物组的模式

研究定义了每个栖息地中“核心”微生物组（出现频率最高且在每个样品中占比>1%的10个ASVs）。这些核心及优势ASVs的相对丰度在日期和海滩间存在差异，并与环境因子相关。

• •
  沙核心ASVs：主要包括属于黄杆菌科（Flavobacteriaceae，拟杆菌门）的ASV 13，以及属于假交替单胞菌属（Pseudoalteromonas， γ-变形菌纲）、冷单胞菌属（Arcticiflavibacter， 拟杆菌门）、沃氏菌属（Woeseia， γ-变形菌纲）等的ASVs。它们展现出不同的时空分布模式，并与特定环境条件关联（如ASV 38和ASV 39与高盐度、高pH相关；ASV 139与高温相关）。
• •
  海水核心ASVs：主要包括属于聚球藻属PCC-6307（Cyanobium PCC-6307， 蓝藻门）的ASV 1和ASV 3，属于“Candidatus Actinomarina”（放线菌门）的ASV 4和ASV 10，以及属于SAR86支系（γ-变形菌纲）、红杆菌科（Rhodobacteraceae， α-变形菌纲）等的ASVs。这些ASVs表现出强烈的季节更替和与环境因子的显著关联。例如，ASV 2（Sporichthyaceae, hgcl clade， 放线菌门）在低盐、高DO条件下丰度高，且与β-葡萄糖苷酶活性正相关；而ASV 7（红杆菌科）则在高盐、高pH条件下占优势。

细菌群落组成与酶活性的关系

沙中β-葡萄糖苷酶、NAGase和酚氧化酶的活性因日期和海滩而异。海水中的水解酶活性也因日期和海滩不同而显著变化。酶活性之间及与环境因子、群落指标存在多种相关性。

• •
  与细菌门类的关系：在沙中，拟杆菌门的比例与β-葡萄糖苷酶、NAGase活性正相关。在海水和沙中，多种水解酶活性与放线菌门、浮霉菌门、蓝藻门、疣微菌门的比例呈正相关，而与α-变形菌纲的比例呈负相关。
• •
  与核心/优势ASVs的关系：特定的ASVs与酶活性存在强相关。例如，海水中ASV 2和ASV 4的丰度与β-葡萄糖苷酶活性正相关；ASV 9、ASV 11、ASV 14的丰度与磷酸酶活性负相关。沙中ASV 17、ASV 81、ASV 106、ASV 204的丰度与磷酸酶活性正相关。

讨论

本研究证实了沿海系统中细菌群落结构的时间变异性强于空间变异性这一普遍模式。海水群落可能呈现年度循环模式，而沙群落则未显示明显年际循环。沙支持着比海水更丰富、更多样的细菌群落，且两个栖息地对环境驱动因素的响应不同：沙群落与水温关联最强，而海水群落受盐度影响最大。

优势细菌类群（如γ-变形菌纲、拟杆菌门）的响应模式在沙和海水间具有一定一致性，但在更精细的ASV水平上存在生态位分异。例如，同属于黄杆菌目（Flavobacteriales）的不同ASVs对环境因子（温度、DO、pH、盐度）表现出相反或差异化的响应。在海水群落中，与淡水相关的ASV 2在低盐条件下占优，并与有机物降解功能关联；而典型海洋类群如红杆菌科（ASV 7）则在高盐条件下占优，体现了与藻华后有机质利用相关的动态。

本研究还提供了该海岸带潜在微生物风险的基线信息。在沙中检测到属于厚壁菌门（Bacillota）的ASVs，但未在核心微生物组中发现指示微生物Enterococcus。检测到多个弧菌属（Vibrio）ASVs，其在海水中的丰度高于沙，并表现出时空波动，提示其可能与局部或季节性条件有关。

结论

本研究系统阐释了密西西比海岸带沙和海水细菌群落截然不同的生态动态。沙拥有比海水更丰富多样的菌群。海水群落呈现更强的季节性重构，并主要受盐度变化驱动，反映了海湾圣路易斯湾和比洛克西湾淡水输入的重要影响。紧密相关的ASVs呈现对比鲜明的分布模式，表明在两个栖息地中均存在生态位分异。这些发现为理解受淡水强烈影响的动态海岸带生态系统中微生物群落的结构、功能及其环境驱动机制提供了关键见解，并为未来相关研究与监测建立了重要基线。