海洋人工和自然栖息地沉积物中微生物群落对季节变化的响应

《Marine Environmental Research》：Response of microbial communities in sediments from marine artificial and natural habitats to seasonal variations

海洋人工与自然栖息地沉积微生物群落的季节性响应机制研究：整合十年16S rRNA测序数据，系统比较人工与自然栖息地微生物群落结构、网络复杂度及功能差异，发现人工栖息地群落网络更复杂且功能偏向异养营养，自然群落更参与元素循环，揭示人为干预对微生物组装过程的影响，为人工海洋生态系统优化提供理论依据。

　　近年来，随着人类活动的不断扩展，人工海洋栖息地的建设速度显著加快。这些人工系统，如人工鱼礁、海洋牧场和水产养殖区，不仅改变了海洋环境的物理和化学特性，还对底栖微生物群落产生了深远的影响。微生物群落在维持海洋生态系统稳定、碳封存和营养物质循环中发挥着关键作用，因此，了解人工与自然海洋栖息地中的微生物群落如何响应季节性变化，对于优化人工生态系统设计和管理具有重要意义。

人工海洋栖息地的快速扩展引发了显著的生态变化，尤其是对底栖微生物群落的结构和功能产生了影响。微生物群落的组成和结构在很大程度上受到栖息地类型的驱动，这不仅关系到生态系统的稳定性，还涉及碳储存、营养循环等重要过程。因此，对人工与自然海洋栖息地微生物群落的系统研究，有助于揭示其在不同环境条件下的响应模式，并为生态管理和环境保护提供科学依据。

本研究通过整合过去十年内收集的1,264个海洋沉积物样本的16S rRNA扩增子测序数据，涵盖了人工与自然栖息地在不同季节的样本，全面评估了沉积物微生物群落对季节变化的响应模式。研究结果表明，微生物群落结构受到栖息地类型和季节变化的共同影响。在自然栖息地中，蓝藻（Cyanobacteria）显示出较强的适应性，而在人工环境中，Bdellovibrionota类群则成为主导。这种差异反映了不同栖息地对微生物群落的特定塑造作用。

此外，研究还利用共现网络分析，揭示了人工栖息地中的微生物群落表现出更高的平均连接度和模块性，表明其网络结构更为复杂。而自然栖息地中的微生物群落则更倾向于参与元素循环，如碳、氮、磷和硫的循环过程。相比之下，人工栖息地的微生物群落则更偏向于化能有机异养（chemoorganoheterotrophy），即依赖有机物质作为能量来源的代谢方式。这一发现强调了人工环境对微生物功能的调控作用。

在群落构建机制方面，研究发现无论是自然还是人工栖息地，随机过程在微生物群落的形成中占据主导地位。然而，在人工环境中，确定性过程的影响更为显著，这表明人类活动在一定程度上影响了微生物群落的构建，但并未完全破坏其内在的生态规则。这种现象可能与人工环境中人为调控的环境条件有关，例如水质、底质结构和营养物质供应等，这些因素可能在一定程度上引导了微生物群落的组成和功能。

季节性变化是影响微生物群落动态的重要因素之一。海洋环境中的温度、光照、盐度、溶解氧等参数随季节而波动，这些变化会显著影响微生物的生长、繁殖和代谢活动。研究发现，季节性波动对微生物群落的α多样性（即群落内部的多样性）和β多样性（即群落之间的差异）均具有显著影响。在自然栖息地中，微生物群落的多样性通常较高，而人工环境中则可能表现出较低的多样性。然而，这种差异并不总是显著，说明不同栖息地对季节性变化的响应可能存在一定的相似性。

进一步分析表明，人工与自然栖息地中的微生物群落对季节变化的响应存在显著差异。例如，在秋季，自然和人工栖息地中的微生物群落表现出最明显的差异。这种差异可能与秋季特有的环境条件有关，如温度下降、光照减少以及营养物质的季节性变化。此外，研究还发现，人工栖息地中的微生物群落对季节性变化的适应能力较强，表现出较低的季节性波动，而自然栖息地中的微生物群落则对季节性变化更为敏感，显示出较高的季节性波动。

研究还探讨了不同栖息地对微生物群落构建过程的影响。在自然栖息地中，微生物群落的构建主要受到环境因素的随机影响，而在人工栖息地中，人为干预可能增强了确定性过程的作用。这种差异可能与人工环境中人为调控的条件有关，例如通过人工投放营养物质、调整水体环境等手段，人为干预可能在一定程度上改变了微生物群落的构建模式。然而，研究也指出，尽管存在人为干预，人工栖息地中的微生物群落仍然遵循一定的生态规则，这表明生态系统的自我调节能力在一定程度上仍然存在。

此外，研究还发现，人工与自然栖息地中的微生物群落具有不同的生态优势。例如，自然栖息地中的微生物群落可能在维持生态系统的稳定性和功能方面具有更高的适应性，而人工栖息地中的微生物群落则可能在特定功能上表现出更强的适应能力，如碳储存和营养物质转化。这些发现对于理解人工栖息地对海洋生态系统的影响具有重要意义，并为未来人工栖息地的设计和管理提供了科学依据。

研究的局限性在于，样本主要来自多个地理区域，这可能影响结果的普遍适用性。尽管通过统计分析和空间可视化方法对样本位置进行了处理，但不同地区的环境条件可能存在较大差异，这可能对微生物群落的响应模式产生影响。因此，未来的研究需要进一步扩大样本范围，以提高研究结果的代表性。此外，研究主要关注了微生物群落的结构和功能，但对微生物的具体生理和代谢机制探讨尚不深入，这可能限制了研究的深度和广度。

总体而言，本研究揭示了人工与自然海洋栖息地中的微生物群落如何响应季节性变化，并强调了栖息地类型和季节动态在塑造微生物网络和功能中的重要作用。这些发现不仅有助于理解微生物在不同环境条件下的适应机制，还为人工海洋生态系统的优化设计和生态管理提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探索微生物群落的分子机制和生态功能，以更全面地评估人工栖息地对海洋生态系统的影响。