有机碳与金属浓度塑造北极峡湾表层底栖微生物群落格局及其气候响应研究

《Marine Pollution Bulletin》：Organic carbon and metal concentrations shape surficial benthic microbial communities in Arctic fjords

本研究聚焦气候变化敏感区北极斯瓦尔巴群岛峡湾，通过分析表层沉积物细菌群落结构与环境因子，揭示有机碳(TOC/TN)与金属(Fe、Mn、Ni等)浓度差异是驱动南北部峡湾微生物群落分异的关键因素。研究成果为预测北极生态系统对气候变化的响应提供微生物视角的理论依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，北极地区正经历着前所未有的生态变化。斯瓦尔巴群岛峡湾作为北极生态系统的重要组成部分，对气候变化响应尤为敏感。冰川退缩和永久冻土融化导致大量陆源物质通过河流和冰川径流输入峡湾，显著改变着这些生态系统的生物地球化学循环。然而，目前关于不同区域峡湾底栖微生物群落如何响应这种环境变化的认知仍存在空白，特别是缺乏对北部和西部峡湾微生物群落的系统比较研究。

在这项发表于《Marine Pollution Bulletin》的研究中，由Anju Chalari领衔的研究团队对斯瓦尔巴群岛三个气候敏感型峡湾（北部Raudfjorden和西部Kongsfjorden、Magdalenefjorden）的表层沉积物细菌群落结构及其环境驱动因子展开了深入探究。

关键技术方法

研究团队在2019年北极斯瓦尔巴海岸航次期间采集了三个峡湾的表层沉积物样本。通过16S rRNA基因扩增子测序分析细菌群落结构，采用元素分析仪测定总有机碳(TOC)和总氮(TN)，使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析金属元素(Fe、Mn、Ni、Co、Cu、Zn、Cr、Pb)浓度。运用方差分析(ANOVA)和相似性分析(PERMANOVA)等统计方法评估环境参数和微生物群落的区域差异。

研究结果

描述研究区域及其环境背景

斯瓦尔巴群岛峡湾受到大西洋水团和北极水团的共同影响。西部峡湾受大西洋水团影响更为显著，水温相对较高，初级生产力更为活跃；而北部峡湾主要受北极水团控制，环境条件更为寒冷。这种海洋学差异为研究不同水团影响下的微生物生态提供了天然实验场所。

沉积物地球化学分析

地球化学分析显示南北部峡湾存在显著差异。北部峡湾TOC含量从峡湾头部向口部递减，而西部峡湾则呈现相反趋势。TOC/TN比值和所有检测的金属元素(Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Pb)在南北部峡湾间均存在显著差异，其中TOC/TN、Fe、Mn和Ni的p值≤0.05；Co、Cu、Zn和Cr的p值≤0.01；Pb的p值≤0.001。这些地球化学参数的差异反映了不同峡湾受到陆源输入和海洋过程的相对影响程度不同。

结论

研究揭示了北部和西部斯瓦尔巴峡湾底栖细菌群落的显著差异。西部峡湾细菌多样性更高，以变形菌门(Proteobacteria，46%)和厚壁菌门(Firmicutes，25%)为主；北部峡湾则以拟杆菌门(Bacteroidetes，41%)和变形菌门(37%)占优势。这些差异主要受有机碳含量和金属浓度变化驱动，表明气候变化通过改变陆源物质输入和海洋条件，间接影响北极峡湾底栖微生物群落结构和功能。

讨论与意义

本研究首次系统比较了斯瓦尔巴群岛不同区域峡湾的底栖微生物群落结构，证实了有机碳和金属浓度在塑造北极峡湾微生物群落中的关键作用。随着气候变化持续影响北极地区，冰川融化和大西洋水入侵加剧预计将进一步改变峡湾的生物地球化学环境，进而影响微生物介导的碳和金属循环过程。这些发现为理解北极生态系统对气候变化的响应机制提供了重要科学依据，对预测未来北极生态系统的演变趋势具有指导意义。