底栖有孔虫作为沿海生态系统中磷酸盐富集的生物指示物

《Marine Environmental Research》：Benthic Foraminifera as Bioindicators of Phosphate Enrichment in Coastal Ecosystems

本研究通过在胶州湾沉积物中设置磷酸盐梯度培养实验，探讨DIP对底栖有孔虫群落结构的影响。结果表明，低DIP下以Ammonia为主，高DIP时Psammosphaera占优，且3和6个月培养后群落β多样性显著分化。随机森林分析显示Reophax、Textularia和Psammosphaera可作为磷酸盐富集的生物指示器，其丰度与DIP浓度呈强相关。该研究为海岸带富营养化监测提供了机制依据。

　　本研究聚焦于溶解性无机磷酸盐（DIP）对沿海生态系统中底栖有孔虫群落的影响。通过在青岛胶州湾采集的潮间带沉积物，实验人员在不同DIP浓度梯度下（0.31–50.0 μmol·L?1）进行了为期3个月和6个月的培养实验，结合高通量测序技术对有孔虫环境DNA（eDNA）进行分析，并利用多元分析方法评估群落的响应特征。研究结果表明，随着DIP浓度的变化，有孔虫群落的组成发生了显著的转变，从低DIP条件下以*Ammonia*属为主导，逐渐转变为高DIP条件下以*Psammosphaera*属为主导。虽然α多样性指数在不同处理间没有显著差异（p > 0.05），但β多样性显示了不同DIP处理（高与低）以及培养时间（3个月与6个月）之间存在明显的区分。时间序列的演变特征表现为敏感类群（如Rotaliida）在初期数量下降，随后出现恢复或主导类群的转变，这反映了在持续磷酸盐暴露下，有孔虫群落的适应性重组。随机森林分析进一步确定了*Reophax*、*Textularia*和*Psammosphaera*作为磷酸盐富集的可靠生物指标，其丰度与营养梯度呈现出强烈的关联性。综合来看，这些发现表明，磷酸盐胁迫通过促进耐受性类群的繁盛，重塑了底栖有孔虫群落，为这些生物在富营养化监测和营养管理中的应用提供了机制基础。

有孔虫是一类在海洋生态系统中分布广泛、生态意义重大的原生生物，其种类繁多，形态各异，是研究海洋环境变化的重要生物指标。由于它们对环境变化具有快速响应能力，并且对污染物表现出高度敏感性，有孔虫常被用于评估海洋生态系统的健康状况。在不同的生态环境中，有孔虫的群落结构、形态异常以及多样性指数可以反映出人类活动带来的影响，尤其是在受到重金属污染、富营养化和有机物质富集的区域。有孔虫可分为底栖和浮游两类，其中底栖有孔虫对海底氧含量、有机物输入和盐度等环境因素的变化尤为敏感，因此在评估底栖生态系统健康方面具有独特的优势。

富营养化是当前全球沿海生态系统面临的主要威胁之一，其主要诱因是过量的营养物质输入。高浓度的溶解性无机营养物质，特别是氮和磷，常常导致藻类大量繁殖、缺氧现象以及底栖生物群落的结构变化。底栖有孔虫因其对环境变化的快速反应和独特的生态位，被广泛用于评估人类活动对海洋环境的影响，如有机物质富集和营养负荷。此前的研究表明，氮的富集，尤其是硝酸盐，改变了有孔虫的群落结构、壳体同位素组成（如δ1?N）以及生态响应，从而突显了有孔蟲作为关键生物地球化学指标的重要性，用于追踪营养物质的变化和重建海洋环境中历史氮循环动态。然而，与氮相比，磷，特别是溶解性无机磷酸盐（DIP）对有孔虫群落的生态影响却研究较少。

现有研究表明，底栖有孔虫可以通过在细胞内积累磷酸盐，往往与钙共同储存在类似酸钙体的细胞器中，以适应缺氧环境。在死亡后，有孔虫的磷酸盐可以通过磷酸酶活性释放，促进自生磷灰石的形成，并增强沉积物中的磷固定。此外，受控实验和实地研究还揭示了富营养化条件，包括磷浓度升高，会抑制含有光合共生体的有孔虫*Marginopora vertebralis*的生长，通过干扰有孔虫与其共生藻之间的能量传递。在桑给巴尔沿海系统中进行的空间调查进一步表明，有孔虫群落沿DIP梯度表现出微妙的变化，反映了水质的恶化，并作为生态退化的早期指示器。此外，有孔虫壳体中的磷与钙（P/Ca）比值与周围DIP浓度之间存在显著的相关性，这表明其在地质化学研究中具有重要的古磷代理价值。然而，尽管有这些发现，磷酸盐梯度对底栖有孔虫群落多样性与结构的长期生态影响仍然不甚明了。

胶州湾位于青岛，是一个半封闭的河口生态系统，近年来由于快速的城市化、水产养殖发展和工业排放，该区域受到了显著的人类活动压力，导致频繁的富营养化事件。作为典型的边缘海系统，胶州湾经历了高营养物质输入，为研究人类干扰下营养物质驱动的底栖群落变化提供了理想的实验环境。在该地区之前的研究已经将温度变化与有孔虫群落的分子响应联系起来，有助于提高沿海环境中古温度的重建精度。然而，底栖有孔虫群落对营养物质富集的生态响应，尤其是沿磷酸盐梯度的变化，仍然缺乏深入理解。了解这些响应对于开发生物指标和制定营养管理策略至关重要，特别是在胶州湾及其他受到类似影响的沿海生态系统中。

营养污染是沿海生态系统的主要压力源之一，其中磷的富集作为富营养化的重要驱动因素，却尚未得到充分研究。底栖有孔虫广泛分布，对环境变化具有高度敏感性，因此在生态评估中被越来越多地应用。为了评估磷酸盐驱动的响应特征，本研究使用胶州湾潮间带沉积物，在溶解性无机磷酸盐（DIP）梯度下进行了为期3个月和6个月的培养实验。通过比较群落组成、多样性指数和指示性类群，研究人员旨在揭示群落演替模式并评估适应性重组过程。本研究的目标包括：（1）识别对磷酸盐敏感的类群；（2）描述在持续富集条件下的群落演替特征；（3）评估底栖有孔虫作为生物指标的潜力，以将其纳入富营养化监测和营养管理框架中。基于对有孔虫生态学及其对营养动态响应的现有认识，研究人员假设磷酸盐富集会通过促进耐受性类群的繁盛，改变底栖有孔虫群落的结构，导致钙质类群逐渐被具有胶结壳体的类群取代，从而降低群落的均匀性并增加α多样性。同时，某些特定的类群可能成为磷酸盐胁迫在沿海沉积物中的生物指示器。

本研究的实验区域和样本采集工作主要在胶州湾的黄岛潮间带进行。实验人员使用采样勺（硅胶勺，40*10 cm）采集表层沉积物（0-1 cm），并将样本带回实验室。随后，样本被分为两部分：一部分用于底栖有孔虫的培养实验，另一部分则被保存在-80°C的低温环境中，用于环境DNA的提取。在样本培养过程中，实验人员采用了孢子法（Goldstein and Alve, 2011; Alve and Goldstein, 2014）来筛选含有底栖有孔虫的沉积物样品（粒径<53 μm）。这一方法能够有效分离出有孔虫孢子，从而为后续的培养和分析提供基础。

在培养过程中，研究人员监测了培养系统中DIP浓度的变化。整个培养期间，沉积物对磷酸盐的吸附平衡呈现出逐渐上升的趋势，但其浓度始终低于设定的磷酸盐浓度（图3）。在Psw和P1组中，磷酸盐浓度一直保持在0到1 μmol·L?1之间。相反，在P20和P50组中，DIP浓度从初始低于2 μmol·L?1的水平逐渐上升至约3 μmol·L?1和超过10 μmol·L?1。这一变化趋势表明，磷酸盐在沉积物中的吸附和释放过程受到多种因素的影响，包括外部环境因素如温度和扰动，以及沉积物本身的特性如粒径和有机物含量。

在对有孔虫群落的分析过程中，研究人员利用高通量测序技术对环境DNA进行测序，并结合多元分析方法评估群落的组成和结构变化。研究结果显示，随着DIP浓度的升高，有孔虫群落的组成发生了显著变化，从低DIP条件下的*Ammonia*属主导逐渐转变为高DIP条件下的*Psammosphaera*属主导。这一变化趋势反映了有孔虫群落在面对持续的磷酸盐暴露时的适应性重组。同时，研究人员还发现，在培养系统中，某些类群的丰度与DIP浓度之间存在显著的相关性，这表明它们可能作为磷酸盐富集的生物指标。

本研究的实验设计旨在探讨磷酸盐对底栖有孔虫群落的影响，以及其在富营养化监测中的潜在应用。通过比较不同DIP浓度梯度下的群落组成和多样性指数，研究人员能够识别出对磷酸盐敏感的类群，并分析其在不同环境条件下的响应特征。此外，研究还揭示了在持续富集条件下，底栖有孔虫群落的演替模式，为理解其生态适应性提供了新的视角。这些发现不仅有助于揭示磷酸盐胁迫对有孔虫群落的长期影响，也为开发有效的生物指标提供了理论依据。

在实验过程中，研究人员还关注了培养系统中磷酸盐浓度的变化趋势。由于沉积物对磷酸盐的吸附和释放过程存在动态平衡，实际的培养系统中磷酸盐浓度始终低于设定的初始浓度。这一现象在实验过程中得到了验证，表明磷酸盐在沉积物和水体之间的迁移受到多种因素的共同影响。此外，研究还发现，沉积物的粒径和有机物含量在磷酸盐吸附和释放过程中扮演了重要角色，这进一步强调了底栖有孔虫对沉积物物理化学特性的依赖性。

通过本研究，研究人员不仅揭示了DIP浓度对底栖有孔虫群落结构和组成的影响，还发现了某些特定类群作为生物指标的潜力。这些类群在不同DIP浓度下的丰度变化表现出显著的规律性，表明它们能够有效反映环境中的磷酸盐变化。这一发现对于提高富营养化监测的准确性具有重要意义，同时也为沿海生态系统中的营养管理提供了科学依据。此外，研究还强调了底栖有孔虫在环境变化中的适应性，这为未来的研究提供了新的方向，即通过有孔虫的生态响应来评估和预测沿海生态系统的健康状况。

在实验的最后阶段，研究人员总结了本研究的主要发现。研究结果表明，磷酸盐富集显著改变了底栖有孔虫群落的结构和演替过程，低磷酸盐条件下有利于*Ammonia*属的繁盛，而高磷酸盐条件下则促进了耐受性类群如*Psammosphaera*的主导地位。这些变化反映了有孔虫群落在面对营养物质可用性变化时的适应性响应，也突显了底栖有孔虫对磷动态的生态敏感性。通过识别对磷酸盐敏感的类群，研究人员进一步揭示了这些类群在环境监测中的应用潜力，为富营养化监测和营养管理提供了新的工具和方法。

本研究不仅在实验方法上具有创新性，也在研究视角上提供了新的思路。通过结合高通量测序技术和多元分析方法，研究人员能够更全面地评估底栖有孔虫群落的组成和结构变化。此外，实验结果还表明，磷酸盐对底栖有孔虫的影响不仅仅局限于单一类群，而是对整个群落的演替模式和适应性重组产生深远影响。这些发现对于理解沿海生态系统中营养物质的动态变化具有重要意义，同时也为生态监测和管理提供了科学支持。

总之，本研究通过系统的实验设计和数据分析，揭示了磷酸盐对底栖有孔虫群落的影响机制，为未来的研究和应用提供了重要的参考价值。研究成果表明，磷酸盐胁迫通过改变底栖有孔虫的组成和结构，影响了沿海生态系统的稳定性。这一发现不仅有助于提高富营养化监测的准确性，也为营养管理提供了新的方向。同时，研究还强调了底栖有孔虫作为生物指标的潜力，为评估沿海生态系统健康状况提供了可靠的工具。这些发现对于理解沿海生态系统中营养物质的动态变化具有重要意义，并为相关领域的研究提供了新的视角。