在快速的环境变化背景下，哈德逊海峡中的微生物群落

《Canadian Journal of Microbiology》：Microbial communities in the Hudson Strait amidst rapid environmental change

气候变化导致北极海洋环境显著变化，本研究通过16S rRNA测序分析加拿大Hudson Bay Marine System（HBMS）夏季微生物群落结构，发现盐度和温度显著影响群落组成，其中盐度更高的站点Polaribacter属丰度较高，但Shannon多样性未受显著影响。这些结果揭示了北极地区气候变化下微生物群落的响应机制及生态意义。

　　在北极地区，气候变化正在以前所未有的速度改变海洋环境。这一变化主要体现在海水温度上升、河流径流增加以及海冰融化速度加快等多个方面。作为北极地区的重要组成部分，哈德逊湾海洋系统（Hudson Bay Marine System, HBMS）正在经历加拿大北极地区最快的海冰消融过程。这使得夏季的开放水域时间显著延长，进而对当地生态系统产生深远影响。为了深入了解这一变化对微生物群落的影响，我们选择在夏季高峰期对哈德逊海峡和北部哈德逊湾的表层海水进行了高通量16S rRNA基因测序分析。此时，哈德逊湾几乎完全无冰覆盖，空气温度也相对较高。通过分析不同地点的微生物群落结构，我们发现水体的盐度和温度对微生物分类组成具有显著影响。然而，微生物多样性并未受到盐度和温度的明显影响。

### 引言

哈德逊湾海洋系统位于加拿大北极与亚北极地区，涵盖哈德逊湾、哈德逊海峡、詹姆斯湾和福克斯湾等多个区域。该系统不仅是北极生态系统的重要组成部分，还承载着多个原住民社区，如克里人、尼塔辛安人、米希夫皮伊人、因纽特人以及尤尤伊斯特希人。近年来，由于气候变化的影响，哈德逊湾的海冰覆盖面积持续减少，且剩余的冰层逐渐变薄、变年轻。这种变化不仅改变了海冰的物理特性，也对海洋化学环境产生了影响，从而影响了整个海洋食物网和生态系统功能。特别是在夏季，海冰消融导致开放水域面积扩大，使得原本被冰覆盖的区域暴露在阳光下，为浮游植物的生长提供了条件。浮游植物的繁殖过程会释放大量有机物质，成为微生物群落的重要营养来源。

此外，随着全球气候变暖，北极地区的永久冻土开始融化，导致更多的淡水流入海洋。这种淡水输入不仅改变了水体的盐度分布，还为微生物提供了新的碳源。研究发现，淡水输入对微生物群落的结构和功能具有显著影响，特别是在盐度梯度较大的区域。因此，理解这些环境变化如何影响微生物群落的组成和多样性，对于预测未来北极生态系统的演变至关重要。哈德逊海峡作为连接哈德逊湾与北极和大西洋的通道，其水体特性受到多种因素的共同作用，包括海冰融化、河流径流和海洋洋流等。因此，本研究选取哈德逊海峡作为重点区域，旨在探讨盐度和温度如何影响该地区的微生物群落结构。

### 材料与方法

本研究通过在2022年7月20日至28日期间，乘坐“威廉·肯尼迪号”科考船对哈德逊海峡和北部哈德逊湾的18个采样点进行调查。这些采样点覆盖了从纽芬兰与拉布拉多省的奈恩（Nain）到曼尼托巴省丘奇尔（Churchill）的广泛区域。采样过程中，使用了船上连续流动系统，从海面下2米处的海胸舱（sea chest）抽取海水，直接送入实验室进行处理。为了确保数据的准确性，采样后立即使用0.22微米孔径的Sterivex?过滤器对100毫升的海水进行过滤，随后使用Arctic Express Cryogenic Dry Shipper快速冷冻样品，并在-80°C下保存，以备后续的基因提取。

在基因提取过程中，我们采用MasterPure? Complete DNA and RNA Purification Kit进行核酸提取，并使用RNase A去除RNA污染。提取后的DNA样品送往加拿大拉瓦尔大学的基因组分析平台（IBIS）进行16S rRNA基因扩增和测序。扩增采用了V4高变区引物对（515F和806R），并使用Q5 High-Fidelity DNA聚合酶进行PCR扩增。PCR产物经过质量检测后，通过稀释并添加双索引条形码进行多路复用测序。最终，我们使用Illumina MiSeq 2500平台对所有样品进行双端测序，以获取高质量的微生物基因序列数据。

为了进一步分析测序数据，我们使用QIIME2（v2023.2）和DADA2（v1.10）管道进行数据处理，包括去噪、去接头和质量筛选。最终，我们得到了1240个扩增子序列变异（ASVs），其中8个属于古菌，其余为细菌。在统计分析中，我们使用了R语言（v4.2.2）及其相关包（如phyloseq、vegan、microbiome和picante）进行多样性分析和环境变量对微生物群落的影响评估。具体而言，我们采用加权UniFrac距离和非度量多维尺度分析（NMDS）来可视化微生物群落的β多样性，并通过置换多元方差分析（PERMANOVA）评估盐度和温度对微生物群落组成的显著性影响。此外，我们还计算了α多样性指标（如Shannon指数和Faith’s PD指数），并使用Spearman秩相关系数分析这些指标与环境变量之间的关系。

### 结果

根据采样点的环境数据，我们发现盐度和温度在不同区域之间存在显著差异。盐度范围从29到33（实用盐度单位），而最南部的采样点（Site 18）由于受到丘奇尔河的影响，盐度显著降低至17。温度则在1°C至10°C之间波动，其中Site 18的温度最低，仅为1°C。整体来看，采样点的平均温度为5.2°C，而平均盐度为31。这些数据表明，哈德逊海峡和北部哈德逊湾的水体条件存在明显的梯度变化，这种变化可能对微生物群落的组成产生重要影响。

在微生物群落的组成分析中，我们发现细菌和古菌的分布呈现出明显的模式。最常见的门类是变形菌门（Proteobacteria），占所有读数的65%。其次是拟杆菌门（Bacteroidota），占25%。在目级分类中，Flavobacteriales、Oceanospirillales和SAR 11目是主要的组成部分，分别占21%、16%和10%。这些目级分类进一步细化为多个科和属，其中Flavobacteriaceae、Nitrincolaceae和Rhodobacteraceae是主要的科级分类。值得注意的是，某些Polaribacter属的ASV在盐度较高的区域中表现出更高的相对丰度，尤其是在Site 5和Site 6，这两个区域的盐度分别为31和32，且温度较低。相比之下，其他Polaribacter属的ASV在不同盐度和温度条件下的分布较为均匀。

在多样性分析方面，我们发现尽管盐度对微生物分类组成具有显著影响，但对整体微生物多样性（即ASV数量）的影响并不明显。具体而言，盐度与ASV数量之间的相关性较弱（Spearman’s rho = ?0.421，p = 0.082），而温度与ASV数量之间的相关性甚至不显著（Spearman’s rho = 0.086，p = 0.735）。此外，Faith’s PD指数（反映微生物群落的系统发育多样性）与盐度和温度的相关性也不显著。然而，Shannon指数作为衡量多样性的一个重要指标，与盐度表现出显著的负相关（Spearman’s rho = ?0.598，p = 0.009），这表明在盐度较高的区域，微生物的多样性可能有所下降。相比之下，温度对Shannon指数的影响不显著（Spearman’s rho = 0.2384，p = 0.341）。

通过聚类分析，我们发现微生物群落的分布与地理位置密切相关。在哈德逊海峡和北部哈德逊湾的水体中，可以识别出四个主要的聚类：拉布拉多洋流（Labrador Current）区域的微生物群落（Cluster 1）、福克斯海峡和哈德逊湾出流区域的微生物群落（Cluster 3）、哈德逊湾离岸水体的微生物群落（Cluster 4）以及丘奇尔河口区域的微生物群落（Cluster 5）。这些聚类不仅反映了不同水体的盐度和温度特征，还揭示了微生物群落在不同水体中的独特性。例如，Cluster 3中的Nitrincolaceae属ASV在所有采样点中具有最高的相对丰度，而Cluster 4则缺乏某些在其他聚类中常见的ASV，如SAR92 clade、Sulfitobacter属和Polaribacter属。这些结果表明，尽管盐度和温度对微生物群落的结构具有重要影响，但不同水体的地理隔离和独特的环境条件仍然是塑造微生物群落的关键因素。

### 讨论

本研究的结果表明，盐度和温度是影响哈德逊海峡和北部哈德逊湾微生物群落结构的重要环境变量。在盐度较高的区域，某些微生物（如Polaribacter属的ASV）表现出更高的相对丰度，这可能与这些微生物对高盐环境的适应性有关。此外，温度的变化也可能影响微生物群落的组成，尤其是在极端温度条件下，某些微生物可能无法生存，从而导致其在温暖水体中缺失。然而，尽管温度对微生物多样性的影响不显著，但其对微生物分类组成的影响依然明显。

在北极生态系统中，盐度一直是决定微生物群落结构的关键因素。不同的盐度梯度通常对应着不同的微生物群落，例如淡水和海水中的微生物具有显著的差异。这种差异不仅体现在物种组成上，还反映了微生物对不同盐度环境的适应能力。在本研究中，尽管盐度梯度相对较小，但仍然观察到了微生物群落结构的变化，这可能与特定的盐度驱动机制有关。例如，某些微生物可能更适应高盐环境，因此在盐度较高的区域中更为常见。此外，随着海冰的持续消融，更多的淡水进入海洋，可能导致表层水体盐度降低，从而影响微生物的分布和活动。

温度的变化同样对微生物群落产生了重要影响。随着全球气候变暖，北极地区的水温逐渐升高，这对微生物的生存和繁殖构成挑战。尤其是在夏季，当海冰完全消融后，水温显著上升，为某些微生物提供了更适宜的生长条件。然而，对于一些适应低温环境的微生物而言，这种温度升高可能意味着生存压力的增加。例如，一些微生物可能无法适应较高的水温，导致其在温暖水体中缺失。这种现象在北极生态系统中尤为明显，因为许多微生物的生理机制是针对低温环境优化的，缺乏对高温的适应能力。

在哈德逊湾海洋系统中，微生物群落的多样性主要受到盐度和温度的影响。然而，我们发现，尽管盐度对微生物分类组成有显著影响，但对整体多样性的影响并不明显。这可能意味着，微生物群落的多样性在一定范围内保持相对稳定，即使环境条件发生变化。然而，这种稳定性并不一定意味着微生物群落不会受到环境变化的影响，而是表明微生物的适应能力较强，能够在不同的盐度和温度条件下维持一定的多样性水平。

此外，我们还发现，某些微生物（如Polaribacter属）在盐度较高的区域中更为常见。这可能与这些微生物对高盐环境的适应性有关，或者与这些区域中的有机物质来源有关。例如，高盐区域可能含有更多的藻类有机物质，从而为这些微生物提供更多的营养来源。然而，由于我们无法进一步解析这些ASV的具体功能，因此需要更多的实验数据来支持这一假设。

在未来的微生物研究中，除了关注盐度和温度的影响外，还需要考虑其他环境变量，如营养浓度、叶绿素-a含量和细菌数量等。这些变量可能对微生物群落的组成和多样性产生重要影响，尤其是在海冰消融和浮游植物活动发生变化的背景下。此外，随着北极地区的人类活动增加，如航运和石油开采，微生物群落可能会受到更大的影响。因此，有必要进一步研究微生物群落如何应对这些人为干扰，以及它们是否具有一定的恢复能力。

### 结论

本研究通过高通量16S rRNA基因测序，揭示了哈德逊海峡和北部哈德逊湾微生物群落的结构和多样性特征。结果表明，盐度和温度是影响微生物分类组成的重要环境变量，但对整体多样性的影响并不显著。这可能意味着微生物群落具有较强的适应能力，能够在不同的环境条件下维持一定的多样性水平。然而，随着气候变化的持续，海冰消融和淡水输入的变化可能会对微生物群落产生更深远的影响，特别是在夏季，当海冰完全消融后，微生物群落的结构可能会发生显著变化。

此外，本研究还发现，不同水体的微生物群落具有一定的独特性，这可能与地理位置、水体来源和环境条件有关。例如，拉布拉多洋流区域的微生物群落与福克斯海峡和哈德逊湾出流区域的微生物群落存在显著差异，这可能反映了不同水体的环境特征。因此，未来的微生物研究应更加关注水体的地理分布和环境条件，以更好地理解微生物群落的演变过程。

最后，随着北极地区海冰的持续减少，人类活动（如航运和石油运输）可能会对这一敏感生态系统产生更大的影响。特别是在夏季，当海冰完全消融后，开放水域面积扩大，使得微生物群落暴露在更多的外部干扰中。因此，有必要进一步研究微生物群落如何应对这些变化，以及它们是否能够维持生态功能的稳定性。此外，由于微生物在生态系统中的重要作用，了解它们如何适应环境变化对于预测北极生态系统的未来状态具有重要意义。