长江河口沿环境梯度的微生物群落分布模式

《European Journal of Protistology》：Distribution patterns of microbial communities along the environmental gradients in the Yangtze River estuary

　　袁磊|张睿歆|潘颖|易振振
中国广州市，华南师范大学生命科学学院，亚热带生物多样性与生物监测重点实验室，邮编510631

摘要
微生物对河口-近海生态系统的营养动态和生物地球化学循环至关重要，然而，针对长江口（YRE）水体和沉积物生境中原生生物和微真核生物群落的综合分析仍然有限。我们结合了16S和18S rDNA扩增子测序技术，来表征YRE沿岸水体、底水及沉积物样本中的原生生物和微真核生物群落特征。研究发现，微真核生物在水柱中的α多样性高于沉积物中，而原生生物在沉积物中的多样性更高。这种对比明显的多样性模式伴随着优势类群的明显变化：沉积物和缺氧底水中以底栖及厌氧类群为主，而在营养丰富的河口水体中则以光养性和富营养化类群为主。沿河口-近海连续体，盐度、营养物质和溶解氧是驱动群落更替的主要因素，形成了从富营养化、低盐度的群落到高盐度、寡营养化、低氧的近海群落的转变，其中包括可能有害的甲藻。共现网络揭示了微真核生物与原生生物之间的广泛关联，其中微真核生物表现出相对稀疏且模块化的交互结构，而原生生物则呈现出密集、高度聚集且较少分隔的网络。这些发现强调了生境异质性和环境梯度对YRE微生物多样性和群落结构的共同影响。

引言
包括原生生物和微真核生物在内的微生物在稳定海洋生态系统的营养网结构以及驱动生物地球化学循环中起着关键作用。它们作为初级生产者、异养消费者、寄生生物和腐生生物，促进了不同营养级之间的养分循环和能量传递（Anderson等人，2024；Crump和Bowen，2024；Hao等人，2025）。此外，微生物对环境变化极为敏感，因此常被用作海洋生态系统状况的指标（Glasl等人，2019；Paerl等人，2003）。例如，蓝细菌和甲藻常与富营养化条件相关联（Miao等人，2024；Dervaux等人，2015），而纤毛虫（纤毛门）的数量可反映水质污染状况（Babko等人，2022）。原生生物和微真核生物通过捕食、共生和竞争等生态相互作用紧密相连，共同调节生态系统功能（Zhu等人，2018）。因此，同时研究这两类生物的群落结构对于理解海洋生态系统的结构、动态和健康状况至关重要。

河口是陆地与海洋之间的关键过渡带，是地球上最动态且生物生产力最高的生态系统之一（Barbier等人，2011）。在河口中，淡水输入、养分通量、潮汐混合以及密度驱动的环流共同作用，形成了复杂而动态的生态系统（Nguyen等人，2025；Savage等人，2010；Wang和Zhang，2020；Zhu等人，2024）。河口及其邻近海域的物理化学梯度显著，盐度、营养物质、温度、光照和不同水体类型是影响微生物群落组成和结构的关键因素（Campbell和Kirchman，2013；Hervé等人，2025；Xian等人，2024；Zhu等人，2020，Zhu等人，2021）。此外，不同生境类型（水体或沉积物）具有不同的水文和物理化学特性（Austen等人，2022），进一步增加了环境的异质性。然而，这些自然梯度如何共同影响河口中不同生境中的原生生物和微真核生物群落仍尚不明确。

长江年均径流量为9.0×10^11立方米，为邻近海域输送了大量淡水，从而形成了从河口到近海的自然盐度梯度。同时，这些区域受到多方向水流的影响，形成了极其复杂和动态的环境（Xian等人，2024；Zhou等人，2019）。过去几十年里，长江流域的人为干扰改变了进入长江口的河流输入物负荷和组成（Dai等人，2011）。这些营养物质是YRE初级生产力的重要来源（Feng等人，2009）。高通量测序技术揭示了YRE中惊人的微生物多样性（Wang等人，2025；Yi等人，2020）。多项研究聚焦于水体微生物群落及其对盐度、营养物质和溶解氧等环境梯度的响应（Chang等人，2025；Jiang等人，2022；Wang等人，2023），还有研究探讨了沉积物微生物群落结构及其在生物地球化学循环中的作用（Guo等人，2019；Liu等人，2021a；Zou等人，2022）。这些研究加深了我们对YRE微生物多样性的理解，并为河口生态系统的恢复和管理提供了重要见解。全面了解微生物群落对于评估河口生态系统的生态功能至关重要（Jin等人，2024；Liu等人，2018）。然而，以往的研究大多局限于单一维度，要么关注单一生境（水体或沉积物），要么仅关注单一微生物类群（原生生物或微真核生物）（Feng等人，2009）。目前，尚缺乏涵盖水体和沉积物生境中原生生物及微真核生物群落的综合理解。

通过整合水体（SW）、底水（BW）和沉积物（SE）中的微生物群落数据，我们的研究有助于揭示环境变异如何影响YRE中的微生物多样性和群落组成。为实现这一目标，我们分别使用16S rDNA和18S rDNA扩增子测序技术来表征原生生物和微真核生物群落。本研究的主要目的是：（1）探讨生境异质性如何影响YRE中的微生物多样性和组成；（2）评估微生物群落在空间和环境梯度上的更替情况。

**采样和环境参数**
2023年11月的一次秋季考察中，我们在从长江口到开阔水域的29个采样点进行了采样（坐标范围为北纬29°36′至31°44′，东经121°12′至124°0′，图1）。根据盐度梯度，这29个采样点被分为河口区（C1–C5，盐度<15 psu）和近海区（a5_1至a5_8、a6_1至a6_8、a7_1至a7_8，盐度>15 PSU）（表S1）。每个采样点采集了表层水（深度约1.5米）和底水（距离底部2米）的样本。

水样中的环境参数总结见表S1。所有水样的环境因素变化范围如下：盐度（0.188–34.36 PSU）、深度（1.0–68.5米）、温度（20.60–26.27°C）、NO2?（0.01–1.45 μM）、NO3?（0.00–115.16 μM）、硅酸盐（1.61–121.03 μM）、PO43?（0.00–2.07 μM）、溶解氧（DO）（1.70–7.77 mg/L）和叶绿素a（0.19–4.71 μg/L）（表S1）。环境参数的空间变化见图S1。

**生境异质性影响微生物多样性和组成**
我们的结果显示，不同生境中的微生物群落存在差异，这体现在α多样性和分类组成上（图2，图3）。这一模式与先前的研究结果一致（Fang等人，2022；Kong等人，2019；Ma等人，2022；Tee等人，2021；Yi等人，2017；Zhu等人，2025），证实了显著的生境异质性是微生物群落结构的主要决定因素。养分水平、氧气可用性和有机物质的差异进一步影响了微生物群落的组成。

**结论**
研究表明，YRE中的微生物群落受到生境异质性和河口-近海环境梯度的共同影响。从水体到沉积物的垂直过渡形成了不同的生态位，这对原生生物和微真核生物具有不同的选择性，导致了α多样性和生境特异性分类偏好的差异。从河口到近海的连续体及其相关梯度也影响了微生物群落的分布。

**作者贡献声明**
袁磊：撰写初稿、数据验证、软件应用、实验设计、正式分析、数据整理。
张睿歆：撰写初稿、数据可视化、软件使用。
潘颖：撰写修订稿、监督工作。
易振振：撰写修订稿、资金申请、概念构思。

**未引用参考文献**
侯等人，2013

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
感谢曾任职于华南师范大学的苏华博士在采样工作中的帮助。本研究得到了国家自然科学基金（32370471、32070406）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011110）以及华南师范大学金种子项目（25SMGB01）的支持。数据和样本是在NORC2023-03号学术航次中，使用R/V Ke Xue San、Bo Hai Ke和Chuang Xin Yi号调查船收集的。