人为营养输入提升微生物结构与固氮功能：尼罗河三角洲Manzala与Burullus泻湖的比较基因组学研究

本研究针对埃及尼罗河三角洲两大泻湖（Manzala和Burullus）受人为活动影响导致的生态退化问题，通过宏基因组学技术分析沉积物微生物群落结构与功能。研究发现高人为负荷的Manzala泻湖具有更高的总氮（TN）、总有机碳（TOC）和重金属含量，并显著促进Chloroflexi门微生物增殖及固氮基因（nifK/nifD/nifH）表达。该研究为沿海泻湖的营养输入管控和生态修复提供了重要的基因组学依据。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，沿海地带作为陆地与海洋之间的关键生态过渡区，正面临着前所未有的环境压力。尤其是沿海泻湖和河口区域，虽然仅占全球海岸线的13%，却是生物多样性维护、洪水调控和水体净化的重要生态系统。然而，随着周边人口增长和经济发展，工业、农业及生活污水的大量排放，使得这些敏感区域的生态完整性受到严重威胁。埃及尼罗河三角洲的Manzala泻湖和Burullus泻湖便是典型代表，它们不仅承担着重要的渔业资源供给功能，还面临着面积缩减、富营养化和重金属污染等多重环境问题。

尽管以往研究多关注水质变化和富营养化程度，但对于沉积物中微生物群落的结构调整及其介导的碳、氮循环功能响应机制仍知之甚少。微生物作为地球上最丰富且功能最多样的生物类群，其群落结构和代谢功能的变化直接影响生态系统的生物地球化学过程。例如，碳固定有助于长期碳封存与气候变化缓解，而氮固定则提供生物可利用氮以支持生态系统生产力。因此，理解这些微生物功能对人为干扰的响应，对于泻湖管理和生态恢复具有重要意义。

为此，来自华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的研究团队开展了一项针对Manzala和Burullus泻湖沉积物的比较研究，旨在揭示两种不同人为压力环境下微生物群落结构、碳氮固定功能基因及其与环境因子之间的关联。该研究成果已在《Ocean》期刊发表。

研究人员于2023年12月分别从Manzala泻湖和Burullus泻湖采集了44个表层沉积物样本（0.5–5 cm深度），并进行了沉积物生物环境属性分析（包括总氮TN、总磷TP、总有机碳TOC、重金属含量和粒度组成）以及宏基因组测序。通过Kaiju和MetaGeneMark等工具进行基因预测和功能注释，利用LEfSe分析和冗余分析（RDA）等统计方法探究微生物群落差异及其驱动因素。

研究首先揭示了两大泻湖在沉积物环境属性上的显著差异。Manzala泻湖的TN平均含量是Burullus的2倍，TOC高出1.2倍，重金属污染水平也更高，这与Manzala周边人口更多、污水排放量更大密切相关。Burullus泻湖则以较高TP含量和沙粒成分为特征。

在微生物群落结构方面，Proteobacteria和Chloroflexi为两大泻湖的优势菌门，但Manzala泻湖中Chloroflexi（12% vs 5%）、Candidatus Aminicenantes和Firmicutes的相对丰度显著更高（p < 0.05），而Burullus泻湖中Nitrospira更为突出。Manzala泻湖的微生物香农指数也显著较高，表明其物种均匀度和群落稳定性更强。

功能基因分析显示，碳固定以Calvin Benson Bassham (CBB)循环、Wood-Ljungdahl (WL) pathway和3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate (3HP/4HB) cycle为主。Manzala泻湖的碳固定基因总丰度略高于Burullus，其中WL途径的关键基因acsB在Manzala更丰富，表明该泻湖沉积环境更趋于厌氧。氮固定基因（nifK、nifD、nifH）在Manzala泻湖中的平均丰度比Burullus高出1.4倍，其主要宿主为Proteobacteria和Chloroflexi。

环境因子与微生物群落和功能基因的关联分析表明，TOC是Manzala泻湖中Chloroflexi增殖和固氮基因增加的主要驱动因素。重金属污染则在Burullus泻湖中与Bacteroidota和Firmicutes呈正相关，显示这些菌门对金属胁迫具有一定的耐受性。

本研究系统阐释了人为营养输入对泻湖沉积物微生物群落结构及碳氮循环功能的影响，证实了有机碳和氮负荷的升高可通过改变微生物组成进而增强氮固定能力。这一发现不仅为尼罗河三角洲泻湖的治理提供了科学依据，也为全球范围内沿海湿地生态系统的管理策略指出方向：应从点源控制转向流域尺度的整体治理，重视沉积物—微生物—营养循环的联动机制。然而，研究仅基于单一年份的宏基因组数据，未能进行多时间点的对比，未来需通过控制实验进一步量化环境阈值，以实现更精准的生态预测与管理。