北黄海海带养殖区微生物群落的动态及其环境行为

《Aquaculture》：Dynamics of microbial communities and their environmental behaviors in kelp farming areas, North Yellow Sea

大型藻类养殖对海洋生态系统具有关键作用，但不同区域的微生物群落结构和功能存在显著差异。本研究通过高通量测序技术，系统比较了山东黄海北部Sanggou湾（生态脆弱区）与Changdao海域（生态稳定区）的海洋水体和沉积物中微生物群落结构，发现多养模式（藻类与贝类共生）能显著提升微生物网络稳定性，增强氮磷循环功能，同时促进浮游微生物季节性演替，但沉积物微生物响应存在滞后性。研究揭示了不同养殖模式对微生物群落功能的影响机制，为优化海洋生态养殖提供理论依据。

　　

沈伟成|李兆然|盛艳青

中国科学院烟台海岸带研究所山东省海岸环境过程重点实验室，中国烟台264003

摘要

大规模海带养殖对全球循环经济和气候调节至关重要。然而，海洋养殖区频繁出现的生态干扰凸显了了解微生物群落动态及其在生物地球化学循环中作用的重要性。本研究通过高通量测序技术，系统分析了北黄海两个代表性海带养殖区海水及沉积物中的微生物群落，并结合了区域、季节性和养殖模式的影响。结果表明，桑沟湾的微生物多样性相对较低，这可能预示着生态稳定性的潜在风险；相比之下，长岛地区的群落结构更为复杂，可能具有更强的缓冲能力。虽然海带养殖活动似乎会影响浮游微生物的季节性演替，但沉积物中的微生物响应表现出滞后效应和累积变化。此外，季节性变化显著调节了营养循环的功能潜力，尤其是氮和磷的循环。值得注意的是，混养模式与预测功能的相对丰度增加和网络稳定性增强相关，这有助于形成更加稳定的代谢环境并提高对环境干扰的抵抗力。这些发现为优化海带养殖策略提供了关键见解，有助于减轻海洋水产养殖中的潜在生态风险。

引言

海带作为一种高营养价值的海洋生物资源，含有叶绿素a、岩藻黄质和多糖等多种生物活性成分，这些成分具有抗氧化和抗癌潜力，可应用于食品、化妆品和生物能源领域（Li等人，2023；Stévant和Rebours，2021）。此外，海带养殖作为一种高效的海洋碳汇，在减缓全球气候变化方面具有不可替代的生态价值（Huang等人，2024）。作为兼具商业韧性和生态可持续性的海洋产业，海带养殖正成为全球蓝色经济的重要增长点。目前，基于海带养殖的循环生物经济模式被视为实现联合国可持续发展目标的关键途径（Duarte等人，2022）。海带养殖的全球扩展为重塑世界海洋经济格局和应对食品安全挑战提供了有效方案（Rebours等人，2014）。

在中国，海带年产量占全球总量的近90%，其中山东半岛的近海养殖区贡献了全国产量的30%以上（Li等人，2025）。桑沟湾和长岛近海地区是北黄海沿山东半岛的两个主要海带养殖基地。然而，近年来桑沟湾的主要养殖区频繁发生海带叶片白化和腐烂等灾害，严重威胁当地水产养殖经济和周边生态安全（Li等人，2024）。相比之下，长岛近海地区未出现类似现象。尽管多项研究将原因归结为磷限制（Li等人，2024）和/或有害藻类爆发（Geng等人，2024），但从微生物角度的系统解释仍较为缺乏。作为海洋生态系统的重要组成部分，微生物通过其独特的多样性和复杂的代谢网络在生物化学循环中发挥着关键作用，并对养殖环境的季节性变化作出响应。它们的群落结构和功能动态直接关系到水产养殖系统的健康和稳定性（Hu等人，2025）。因此，对比分析桑沟湾和长岛海带养殖区的微生物差异对于揭示两者生态健康状况的差异至关重要。

在桑沟湾和长岛养殖区，几十年来发展了一种创新的集成养殖模式，将海带与贝类结合养殖。这种垂直养殖模式通过将贝类养殖笼悬挂在海带养殖绳上，形成了互利共生的生态系统。研究表明该模式显著提高了海带产量（Fan等人，2020），但微生物群落及其相互关系的影响尚不明确。作为该生物网络中的高效滤食者，贝类直接影响水柱中浮游微生物群落的多样性和相对丰度（Stevens等人，2024）。此外，贝类的代谢活动改变了周围环境的营养组成，从而间接影响沉积物微生物群落的结构和功能。因此，单养和混养模式之间的差异可能通过重塑养殖区的微生态环境导致微生物群落组成和代谢功能的差异，进而影响养殖系统的生态安全性。

然而，目前关于海带的研究主要集中在育种和生长调控方面（Muth，2012），而微生物群落的动态及其对养殖系统的影响机制尚不明确。为弥补现有研究的不足，本研究系统收集并分析了桑沟湾和长岛近海养殖区水体和沉积物中的微生物样本。研究的主要目标是：1）对比分析易受灾的桑沟湾与生态健康的長島海带养殖环境之间的微生物差异；2）评估海带-贝类集成养殖对微生物群落结构和功能的影响。基于此，我们提出以下假设：1）桑沟湾和長島在所有采样生境中的微生物群落结构和功能特征存在显著差异，这可能是导致两地生态健康状况不同的微生物基础；2）在集成养殖模式下，滤食性贝类的引入将显著改变水体和沉积物中的微生物群落组成，进而影响整个系统的生态稳定性。通过多维度比较分析这些微生物群落，本研究旨在深入理解桑沟湾和長島海带养殖区发生的生态变化，为海带养殖业的灾害预防和控制提供重要的理论和科学指导。

研究区域和采样

研究区域和采样位置

研究区域位于北黄海，采样点选在桑沟湾（37°7′30″ N, 122°34′26″ E）和长岛近海地区（38°20′49″ N, 120°54′25″ E）（图1）。这两个地区都是以海带养殖为主的典型海洋养殖区，采用海带-贝类混养模式。当地海水属于温带季风气候，最佳养殖期为每年11月（播种）至次年5月（收获），期间无冰覆盖

海带养殖区海水中微生物群落多样性

本研究系统分析了不同地理位置下单养和海带-双壳类混养模式下的微生物多样性。计算并比较了四个α多样性指数（图2）。结果表明，桑沟湾海带单养区的群落多样性（图2a、b、d）和均匀度指数（图2c）显著低于海带-贝类混养区（图2c）。这种差异表明

结论

总体而言，研究表明海带养殖活动可能驱动浮游微生物的季节性演替，而沉积物中的微生物响应则表现出滞后效应和累积影响。季节性变化显著影响微生物驱动的关键元素循环和转化。桑沟湾养殖区的微生物结构相对简单，这可能意味着更高的生态脆弱性风险；而长岛地区的微生物群落

CRediT作者贡献声明

沈伟成：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件应用、数据整理。李兆然：数据验证、项目管理、调查工作。盛艳青：撰写审查与编辑、监督工作、资源协调、方法设计、资金申请、正式数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF0506904）的财政支持。