探秘维哥湾：海底地下水排放如何影响陆海生物地球化学与微生物联系

为探究海底地下水排放（SGD）对沿海生态系统的影响，研究人员分析了维哥湾（Ría de Vigo）不同水生环境的生物地球化学组成和微生物群落。结果发现存在生物地球化学连通性，但微生物群落连通性低。该研究揭示了 STEs 的重要作用。

　　在神秘的海洋与陆地交界地带，沿海生态系统一直以来都是科学家们关注的焦点。海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge，SGD）作为一种特殊的现象，正逐渐被人们所认识。它指的是任何从海底流向海洋的水流，其携带的物质种类繁多，对沿海生态系统有着不可忽视的影响。全球范围内，SGD 的体积通量估计是河流输入海洋通量的 3 - 4 倍，这使得它成为沿海系统中化学物质的重要来源。

然而，目前关于 SGD 对沿海生态系统的影响仍存在许多未知。一方面，虽然已知 SGD 会影响沿海地区的生物地球化学和微生物生态学，但具体的影响程度和机制尚不明确。另一方面，对于栖息在这些环境中的微生物，其在陆地 - 海洋梯度上的丰度、多样性、功能和分布情况，以及内陆地下水和沿海水域之间微生物的连通程度，都缺乏深入研究。在这样的背景下，为了填补这些知识空白，来自国外的研究人员针对维哥湾（Ría de Vigo）开展了一项重要研究。维哥湾位于伊比利亚半岛西北部，是欧洲生产力极高的沿海生态系统，在当地的经济发展中扮演着重要角色，例如在 2017 年，它贡献了欧洲 54% 的贻贝产量，为经济增添了 1.3 亿欧元，还直接支持了 11000 名员工的就业。

研究人员对维哥湾不同水生环境，包括地表水、深层孔隙水、河水、大陆地下水以及两个地下河口（Subterranean Estuaries，STEs）的生物地球化学组成和微生物群落进行了分析。通过研究，他们得出了一系列重要结论。在生物地球化学方面，发现 SGD 示踪剂与表层海水中的碳酸盐系统参数、N₂O 和 CH₄浓度之间存在显著相关性，这表明 SGD 对海湾的生物地球化学有着重要影响。而且，部分溶质并非来自大陆地下水，而是在当地的 STEs 中产生，这说明 STEs 起到了生物地球化学反应器的作用，能够改变新鲜的 SGD。在微生物群落方面，研究发现不同环境中的微生物群落差异显著。STEs 中的微生物群落多样性最高，这可能与其中存在的多种生态位有关。并且，大多数操作分类单元（Operational Taxonomic Units，OTUs）（约 87%）是单一环境特有的，这表明 STEs 限制了地下水和海洋生态系统之间的地下微生物转移。

该研究成果发表在《Estuarine, Coastal and Shelf Science》上，具有重要的意义。它不仅揭示了维哥湾陆海生物地球化学和微生物连通性的情况，还强调了 STEs 作为多样性储存库和强烈生物地球化学反应区域的重要作用，为深入理解沿海生态系统的功能和演化提供了关键信息。

在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先是采样技术，在 2018 - 2019 年间，对维哥湾流域的不同水体进行了广泛采样，包括沿海地表水、河流、大陆地下水和 STEs。其次，运用了多种分析技术，如使用放射性同位素作为 SGD 示踪剂，测量各种生物地球化学参数；通过 16S rRNA 基因的部分测序来分析原核生物群落的分类组成。最后，利用生物信息学和统计分析方法对数据进行处理和分析，包括序列校正、组装、去重以及多样性指数计算等。

下面详细介绍研究结果：

• 环境参数：维哥湾不同水体的环境参数差异明显。表层海水盐度在圣西蒙湾最低，受河流淡水注入影响。STEs 的盐度呈现较大的时空梯度，反映了大陆地下水和渗透海水的混合。河流、地下水和地表水通常含氧量高，而 STEs 中，潘松（Panxón）STEs 富氧，拉德拉（Ladeira）STEs 则主要缺氧。²²²Rn 活动在大陆地下水中最高，在表层海水和 STEs 中也有较高且变化的活动，表明大陆地下水对这些环境的影响。N₂O 在大陆地下水和潘松 STEs 中浓度较高，CH₄在拉德拉 STEs 和部分表层海水中浓度较高。不同 STEs 的营养水平也不同，拉德拉 STEs 的 HPO₄^{2 -} 和 NH₄⁺水平高，潘松 STEs 的 NO₃^- + NO₂^-水平高。
• 微生物群落：研究共获得 11628 个不同的 OTUs，STEs 的丰富度、多样性和均匀度最高。在不同环境中，优势菌群有所不同。变形菌门（Proteobacteria）在所有样本中都相对丰富，但在不同环境中其类群组成有梯度变化。例如，γ - 变形菌纲（Gammaproteobacteria）在淡水环境中较多，在海水中减少。在 STEs 中，潘松 STEs 的优势类群有亚硝化侏儒菌科（Nitrosopumilaceae）等，拉德拉 STEs 的优势类群有绿弯菌门（Chloroflexi）等。SIMPER 分析确定了不同环境的指示类群，大多数 OTUs 是各环境特有的，STEs 中特有 OTUs 数量最多。NMDS 分析显示，基于微生物群落组成，不同环境的样本明显分离；基于环境数据，样本间距离较小，且 STEs 样本与海水样本接近。DISTLM 模型表明，不同环境的原核生物群落组成受不同环境变量影响。

研究结论和讨论部分进一步强调了该研究的重要意义。虽然存在生物地球化学上的陆海连通性，SGD 对沿海地区的生物地球化学有显著影响，可能增加沿海酸化和富营养化的风险。但不同采样环境的微生物群落连通性并不高，STEs 在微生物群落方面起到了生态屏障的作用，阻止了大陆和海洋微生物的大量转移。这一研究结果为沿海生态系统的保护和管理提供了重要的理论依据，有助于我们更好地理解沿海生态系统的复杂机制，为未来的研究和实践奠定了坚实的基础。