《Applied and Environmental Microbiology》：Cross-domain microbiome legacy of a natural Phaeocystis globosa bloom in eutrophic coastal waters: a framework for monitoring bloom onset, collapse, and post-bloom recovery
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当有害藻华（HAB）消亡时，近岸水质能否恢复？本研究以中国厦门岛周边近岸水域中自然发生的定鞭藻门（haptophyte）球形棕囊藻（Phaeocystis globosa）水华为对象，探讨了这一问题。研究人员对2023年9月至2024年3月期间从五个站位每月采
当有害藻华（HAB）消亡时，近岸水质能否恢复？本研究以中国厦门岛周边近岸水域中自然发生的定鞭藻门（haptophyte）球形棕囊藻（Phaeocystis globosa）水华为对象，探讨了这一问题。研究人员对2023年9月至2024年3月期间从五个站位每月采集的水样（n = 105）中的细菌和微型真核生物群落进行了分析，采用了16S和18S rRNA基因扩增子测序、基因型特异性定量PCR（qPCR）、基于iCAMP的群落组装推断、偏最小二乘路径建模（PLS-PM）、水华阶段特异性共现网络分析以及基于扩增子的功能预测等方法。水华的发展驱动了协调的物理化学变化。细菌和微型真核生物群落均从其水华前状态发生位移，但在7个月的时间序列内均未恢复到原始状态。然而，两者的演替模式有所不同。细菌群落经历了连贯的系统性演替，在水华期间发生空间分化，其群落组装向随机性偏移，确定性贡献从水华前的46.3%降至水华期间的27.8%，水华后仅恢复至30.3%；其共现网络在水华期间最为复杂。相比之下，微型真核生物群落在整个演替过程中保持了较强的站位特异性结构，其网络连通性在水华消亡后达到峰值。水质变量解释了细菌群落变异的45.9%，但仅解释了微型真核生物群落变异的13.1%。预测的功能图谱也表现出与阶段相关的改变。同一水华因此推动细菌和微型真核生物群落以不同的时间尺度走向不同的扰动后构型。研究人员据此提出了一种跨域监测框架，整合了阶段特异性类群、群落状态指数（CSI）和网络复杂性。该框架能够诊断富营养化近岸水体中水华的暴发、消亡及真正的水华后恢复。
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一、研究背景与科学问题
有害藻华（HAB）并非浮游植物生物量的短暂峰值，而是短期的、系统层面的扰动事件。藻华的生长、聚集、沉降与消亡会释放大量有机质，加速异养微生物的再矿化作用，加剧氧气消耗，并重塑水体中的营养盐化学计量与营养级联路径。由于异养微生物处理了大部分藻华来源的有机质，并在数天至数周内作出响应，因此受扰动的近岸生态系统状态——而非孤立的致灾藻类——才是藻华期间生态学上相关的考察单元。这一认知引出了一个传统监测鲜少回答的实践问题：一旦致灾藻类衰退，近岸水体何时才算真正恢复？回答这一问题不仅需要了解藻华期间微生物群落的演替变化，更需要明确其是否回归原始状态以及沿何种路径回归。
在众多致藻华藻类中，球形棕囊藻（Phaeocystis globosa）是检验这一问题的典型案例。作为定鞭藻门（Haptophyta）棕囊藻纲（Coccolithophyceae）棕囊藻目（Phaeocystales）的成员，它代表了一个系统发育上独特的成藻华谱系。自20世纪90年代末以来，该藻在中国近海形成了反复的冬季和春季水华，分布范围从南海扩展至南黄海。其多态性生活史——在单细胞与大型胶质群体之间交替——不仅增加了生物量，其群体包被还构成了一个化学结构化的、保留营养盐的微生境，改变了颗粒聚集、溶质交换和摄食压力。因此，球形棕囊藻水华会重组周围水体的物理和化学模板，其扰动足迹理应超出水华本身的持续时间。然而，这一足迹是否在环境微生物组中持续存在，此前尚未得到解答。
以往研究虽报道了棕囊藻与微生物之间的密切关系，但多聚焦于群体相关细菌、单一微生物域或短暂的水华窗口。由此，与恢复评估相关的两个核心问题仍悬而未决：其一，细菌与微型真核生物群落是否在水华期间及之后遵循相同的生态组装路径？其二，水华消亡是否如碳流转向所暗示的那样，使微生物组回归水华前状态？回答这些问题需要超越单纯的分类学更替分析——藻华相关的环境变化可直接重塑群落，也可通过改变生态组装和互作结构间接实现，而这两种机制留下的信号截然不同。分类更替、组装转变与网络结构很可能在水华演替中相互耦合，但在自然球形棕囊藻水华的跨域尺度上，此前鲜有研究将三者作为一个整体系统加以解析。这正是区分“已恢复群落”与“仅缺乏致灾藻类的群落”的关键所在。
二、研究设计与技术方法
研究人员于2023年9月至2024年3月，在中国厦门岛周边五个近岸站位（观音山、黄厝、白城、嵩屿、乐海）每月采集表层海水样品，共获得105个样本，覆盖了水华前（9–10月）、水华期（11月–次年1月）和水华后（2–3月）的完整周期。主要关键技术方法包括：①基于16S和18S rRNA基因扩增子测序（QIIME 2 + DADA2流程）解析细菌与微型真核生物群落的分类组成；②基因型特异性TaqMan qPCR定量球形棕囊藻基因I型和IV型的绝对丰度，并结合16S/18S rRNA基因qPCR测定总微生物绝对丰度；③基于iCAMP框架的零模型推断，将群落组装划分为确定性（异质选择、同质选择）与随机性（扩散限制、同质化扩散、漂变等）过程；④偏最小二乘路径建模（PLS-PM）解析环境因子、确定性组装与群落多样性之间的直接和间接路径；⑤基于SparCC推断的阶段特异性共现网络分析，结合度、接近中心性和介数中心性识别关键种（keystone taxa）；⑥基于Tax4Fun2（细菌）和PICRUSt2（真菌）的扩增子功能预测。
三、研究结果
水华发展与环境扰动窗口。 球形棕囊藻丰度自11月起上升2–3个数量级，在12月至1月中旬达到各站位峰值（约108–109 copies L?1），1月下旬急剧下降，至3月降至约104–105 copies L?1。水华期伴随盐度、溶解氧、pH和营养盐浓度的协同变化，水华后部分变量虽有所恢复，但仍可区别于水华前状态。总细菌丰度在水华后仍显著低于水华前水平，而总微型真核生物丰度则恢复至与水华前无显著差异。
跨域群落位移。 主坐标分析（PCoA）显示，细菌（PERMANOVA r2 = 0.303）和微型真核生物（r2 = 0.123）群落在水华前、水华期和水华后形成显著分离的聚类。月际Bray-Curtis距离显示，两类群落在水华后期偏离水华前质心最远，水华后虽有所回落，但2月和3月仍高于水华前水平，表明在研究期内未回归原始群落状态。空间格局上，细菌群落在水华期发生显著空间分化（多元离散度升高、站位间相异度达峰值），水华后部分收敛；而微型真核生物群落的多元离散度在各阶段无显著差异，站位间相异度始终维持高位，表明其站位特异性结构在整个演替过程中得以保留。
阶段特异性分类学特征。 通过指示物种分析（IndVal）和差异丰度分析（ANCOM-BC2），研究人员鉴定出各阶段特异的指示类群。水华期富集的细菌包括Altererythrobacter、Formosa、Marivita、Pseudoalteromonas、Shimia和Rubripirellula等，而Amphritea、Fluvicola、Marinoscillum、Marinimicrobia（SAR406分支）和NS4海洋类群在水华期被耗竭、水华后恢复或增加。微型真核生物中，水华期富集类群包括Phaeocystis、Skeletonema、Pseudo-nitzschia、Cryothecomonas、Papiliocellulus和Paulinella，而Micromonas、Ostreococcus、Picochlorum、Coscinodiscus和Eucampia在水华期减少、水华后回升。水华相关指示类群与球形棕囊藻丰度呈正相关，而水华前和水华后指示类群呈弱相关或负相关。
组装转变与环境影响。 iCAMP推断显示，细菌群落的确定性贡献从水华前的46.3%降至水华期间的27.8%，水华后仅恢复至30.3%，其中同质选择的贡献从45.0%降至27.7%再至30.1%，同质化扩散和漂变相应增加。微型真核生物群落则以随机过程为主导，但水华后扩散限制降低（15.0%）而同质选择升高（36.1%），表明其水华后组装并非简单回归初始状态。环境驱动分析显示，水质变量解释了细菌群落变异的45.9%，但仅解释微型真核生物变异的13.1%。Procrustes分析与Mantel检验证实两类群落组成与环境变量显著耦合，且耦合轨迹呈阶段依赖性而非简单可逆。细菌群落状态指数（CSI）与溶解氧（ρ = ?0.75）、磷酸盐（ρ = 0.72）、硝酸盐（ρ = 0.66）、温度（ρ = 0.65）等显著相关，而微型真核生物CSI主要与pH（ρ = 0.68）和溶解氧（ρ = 0.32）相关。PLS-PM进一步揭示，溶解氧负向影响两类群落的多样性，营养盐正向影响细菌确定性组装，细菌确定性组装负向影响细菌多样性，而细菌多样性正向影响微型真核生物多样性。
共现网络分析。 细菌共现网络在水华期最为复杂：节点数在各阶段相近（173、180、187），但边数从水华前的722增至水华期的1460再降至水华后的834；正边比例从92.24%降至75.27%再升至83.21%。关键种随阶段更替，从水华前的NS5海洋类群变为水华期的红杆菌科（Rhodobacteraceae）再变为水华后的Planktomarina。微型真核生物网络则呈现不同模式：边数在水华前和期已较高（2596和2563），水华后达到最大值3231；正边比例在各阶段均较低且变化不大（60.71%、60.20%、58.34%）。关键种从水华前的Mamiellaceae变为水华期的Chrysochromulina再变为水华后的Bathycoccus。
预测功能图谱。 基于Tax4Fun2的细菌功能预测显示，水华期在ABC转运蛋白、双组分系统、群体感应、碳代谢和氨基酸生物合成等通路出现显著变化，其中ABC转运蛋白、碳代谢、氨基酸生物合成、氨基糖和核苷酸糖代谢及TCA循环等通路在水华后仍显著偏离水华前基线。基于PICRUSt2的真菌功能预测显示，主要变化集中在氨基糖和核苷酸糖代谢、TCA循环、生物素和硫胺素代谢及硫代奎诺糖代谢等通路，部分差异延续至水华后阶段。
四、讨论与结论
讨论部分指出，球形棕囊藻水华在藻类衰退后仍留下可测量的微生物与物理化学遗留状态，即“水华遗留效应”（bloom legacy）。仅监测致灾藻类丰度或营养盐和溶解氧浓度，会系统性低估生态扰动的持续时间——水质恢复与微生物恢复在时间上并不同步。细菌与微型真核生物并非同一水华过程的冗余指标：细菌群落通过底物驱动的连贯演替作出响应，在水华期发生空间分化并部分收敛；微型真核生物则保持较强的空间结构，其网络连通性在水华后才达到峰值。两类群落的组装机制也呈相反方向的调整：细菌丧失确定性，微型真核生物获得适度的同质选择。水华相关环境因子（溶解氧、营养盐）通过多样性-组装耦合路径而非简单的单步驱动方式传播影响。网络分析表明，细菌关联结构对水华响应更快，而微型真核生物关联结构在水华消亡后才达到最大复杂度，且细菌网络在水华期负边比例升高，暗示竞争或生态位分化加剧。
研究结论可概括为：自然球形棕囊藻水华将近岸微生物组推入一个持续超出水华本身的位移状态。水华消亡后，水化学仅部分回归水华前水平，而生物学变化持续更久——细菌和微型真核生物群落在组成上持续位移，组装机制未在7个月序列内回归水华前构型，微型真核生物关联网络更是在水华后达到全序列最高连通性。这种非恢复性不仅限于组成层面：总细菌现存库在水华后仍低于水华前水平，而微型真核生物现存库已恢复；预测代谢图谱呈现同样的不对称性。两个域沿不同路径传递这一信号：细菌在溶解氧和营养盐的直接影响下于群落水平重组，微型真核生物则通过阶段特异性类群、部分经由细菌群落的变化实现重组。与非水华年份的对比表明，这些变化追踪的是水华而非单纯的季节演替。由于监测截至3月，该位移应被视为真实恢复时间的下限而非完整的功能遗留特征。将阶段特异性指示类群、群落状态指数和网络拓扑相结合，能够比藻类计数或营养盐浓度更有效地解析水华暴发、消亡及水华后恢复，且所需数据在常规近岸监测能力范围之内。该不对称的双路径响应是否适用于其他成藻华物种、近岸环境和年份，仍有待未来研究验证。
