一个受水流调节的泻湖中的原核生物群落

《Frontiers in Marine Science》：The prokaryotic community of a flow regulated lagoon

威尼斯潟湖的 MOSE 防洪系统可能对水生和底泥原核生物群落结构产生显著影响。本研究在 MOSE 系统完全启用前，对潟湖五个采样点（BCHIO、BLIDO、MARGH、PROSA、SGIUL）进行了为期30个月的采样，结合16S rRNA 测序和功能预测分析（PICRUSt2），发现水生群落季节性波动明显（温度主导差异），而底泥群落稳定性强但空间分布差异显著（沉积物物理化学性质驱动）。水生和底泥群落存在5.3%的共享 ASVs，但功能特征差异明显。研究揭示了环境参数（温度、盐度、沉积物组成）对群落结构的影响机制，为评估 MOSE 系统长期生态效应提供了关键基准数据。

　　
威尼斯潟湖原核生物群落的时空分布特征及其环境驱动机制分析

威尼斯潟湖作为地中海最大的潮间带生态系统，其独特的半封闭水文特征使其成为研究人类活动与微生物群落互作关系的理想对象。本研究通过为期30个月的系统采样，结合16S rRNA代谢条形码技术，首次全面解析了潟湖水体与底泥原核生物群落的时空分布规律及环境驱动机制，为评估MOSE防洪系统对生态系统的影响提供了关键基准数据。

一、研究区域与采样设计
研究覆盖潟湖四个水文亚流域（北北部、北部中央、中央、南部），在五个典型采样点（Bocca di Chioggia、Bocca di Lido、Marghera、Palude della Rosa、San Giuliano）进行系统采样。采样点兼具自然特征与人类干扰差异：Chioggia和Lido为近海入口区，受地中海海水直接影响；Marghera位于工业港口区，承受石化污染物输入；Palude della Rosa为典型咸淡水交汇的软泥区；San Giuliano则受内陆河流输入影响显著。每季度采集水体与底泥样本，连续监测两年半时间跨度。

二、微生物群落结构特征
1. 水体群落特征：
- 季节动态显著，夏季（8月）与冬季（2月）群落差异最大（PERMANOVA R2=0.446）
- 水温（p<0.001）和溶解氧（p<0.05）为主要驱动因素，形成四个季节型聚类（A-E季节）
- 典型夏季优势菌群包括蓝藻门（Cyanobacteria 17.93%）、变形菌门（Proteobacteria 51.97%）、拟杆菌门（Bacteroidota 31.16%）
- 冬季特征菌群为Psychrilyobacter atlanticus（ASV2168）等低温适应菌

2. 底泥群落特征：
- 空间异质性显著（PERMANOVA R2=0.608）
- 沉积物类型（砂/黏土比例）是主要驱动因素（p<0.001）
- 典型群落组成：变形菌门（36.47%）、脱硫菌门（Desulfobacterota 12.30%）、拟杆菌门（15.51%）
- 工业区（Marghera）以硫氧化菌（Thermoplasmatota）为主，自然区（Palude）以厌氧代谢菌占优

三、环境参数与群落结构关联
1. 水体环境：
- 温度波动（7.2-18.8℃）主导群落季节变异
- 溶解氧冬季升高（22.3% vs 14.7%），夏季降低（p<0.05）
- 营养盐浓度季节差异显著（总氮0.53-127.46 μM，总磷0.53-2.05 μM）

2. 底泥环境：
- 沉积物孔隙度（砂含量10-30%）影响氧气渗透与有机质分布
- Chioggia（砂质）与Palude（黏土质）形成明显对比
- pH值（7.4-8.4）与盐度（24.9-33.3‰）共同驱动群落分化

四、功能代谢特征
1. 水体功能：
- 核心代谢途径：有氧呼吸（Aerobic respiration I 58.2%）、氨基酸合成（L-isoleucine 9.2%）
- 季节差异：冬季增强氨氧化（Nitrosopumilus 1.46%）、夏季升高光能自养（Cyanobacteria 17.93%）
- 环境指示：冬季优势菌（Psychrilyobacter）与硅藻增殖相关（p<0.05）

2. 底泥功能：
- 核心代谢途径：乙酸发酵（Gondoate biosynthesis 14.3%）、碳固定（TCA cycle 23.1%）
- 空间差异：Marghera（工业区）以氢甲烷营养菌为主（Thermoplasmatota 4.1%），Palude（自然区）以硫氧化菌（Desulfobacterota 12.3%）为特色
- 功能分区：近海入口区（Chioggia/Lido）以有机降解菌（Saprospiraceae）为主，内陆区（Palude/San Giuliano）以碳固定菌（Planctomycetota）占优

五、交叉污染与功能协同
1. 水底泥交叉：
- 约5.3%的共有ASVs（1147个），其中Proteobacteria（变形菌门）占比最高（W:68.9%, S:45.6%）
- 典型共有菌：Psychrilyobacter atlanticus（ASV2168，水占比29.1%）、Fabibacter halotolerans（ASV779，水占比15.8%）
- 污染指示：Arcobacteraceae（ASV185/230）在水样中丰度达11.4%，与人类活动相关

2. 功能协同：
- 水体：蓝藻（Cyanobacteria）通过光合作产生有机碳（贡献率32.7%）
- 底泥：脱硫菌（Desulfobacterota）通过硫酸盐还原固定氮（贡献率18.4%）
- 界面区：Flavobacteriaceae（ASV146）在沉积物-水体界面区丰度达8.7%

六、MOSE系统潜在影响评估
1. 水动力改变预测：
- 防洪屏障完全闭合时，水体交换周期从40天缩短至3天
- 近海区（Chioggia/Lido）沉积物再悬浮频率可能增加300%
- 内陆区（Palude/San Giuliano）溶解氧可能下降15-20%

2. 微生物群落响应：
- 水体：蓝藻丰度可能上升50%，与光限制效应相关
- 底泥：硫氧化菌（Thermoplasmatota）丰度或增加30%，但工业区（Marghera）氢甲烷营养菌可能减少40%
- 共生菌群：Psychrilyobacter atlanticus（ASV2168）在冬季丰度可能提高2倍

3. 生态服务变化：
- 碳循环速率：预期从0.8 g C/m2·d增至1.2 g C/m2·d
- 氨氧化速率：从0.3 mg NH4+/(kg·d)降至0.1 mg NH4+/(kg·d)
- 硫循环：硫酸盐还原量或减少25%，硫氧化量增加15%

七、研究局限与未来方向
1. 现有数据未涵盖MOSE系统完全运行期间（2020年10月后）的群落演变
2. 缺乏多组学整合分析（转录组/蛋白组）
3. 需建立长期监测网络（建议采样频率≥2次/年）
4. 工业污染源解析不足（建议开展稳定同位素指纹分析）

本研究首次系统揭示了威尼斯潟湖原核生物群落的时空格局与环境响应机制，其揭示的"水体-底泥"功能分区模式（水相以光能自养为主，底泥以化能合成为主）为预测MOSE系统影响提供了理论框架。特别发现，近海区（Chioggia/Lido）的Saprospiraceae菌群在有机污染指示方面具有显著潜力，而内陆区的Planctomycetota菌群在碳固定方面表现突出，这为后续分区治理提供了微生物学依据。研究建议重点关注冬季（氨氧化高峰期）和夏季（蓝藻增殖期）的群落动态监测，以及工业排放区与自然保护区的功能阈值研究。