人为梯度驱动城市化沿海沉积物细菌群落及C/N/P/S循环功能基因谱分异

《Microorganisms》：Anthropogenic Gradients Drive Divergent Bacterial Communities and C/N/P/S Cycling Functional Gene Profiles in Urbanized Coastal Sediments

　　

沿海沉积物细菌介导着必要的生物地球化学循环，但其功能基因潜力对人为胁迫梯度的响应仍了解不足。本研究对中国深圳西海岸和东海岸的沉积物细菌群落以及碳、氮、磷、硫（C/N/P/S）循环基因进行了比较分析，该区域体现了高度城市化与相对原始海洋环境之间的鲜明对比。研究人员整合了16S rRNA基因高通量测序与高通量定量PCR芯片——定量微生物元素循环（QMEC）技术，以同时剖析细菌分类组成和定量测定C/N/P/S生物地球化学途径中的基因丰度。受强陆源输入的西部沉积物表现出较高的铵态氮和有机碳，而东部沉积物具有较高的盐度。西部细菌α多样性显著更高，且群落结构在区域间差异显著（ANOSIM R = 0.334，p = 0.001）。尽管优势菌门（Pseudomonadota、Bacteroidota和Planctomycetota）共有，但属级类群出现分异：硫循环相关的Sulfurovum在西部富集，而降解有机物的Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia和Phaeodactylibacter在东部占优。值得注意的是，西部沉积物中所有四种生物地球化学循环的功能基因丰度均高出一个数量级，其中反硝化基因在西部占主导，而硝化基因在东部占主导。冗余分析（RDA）和Mantel检验确定硝酸盐是细菌变化的主要环境驱动因子（r = 0.574，p = 0.001），此外还有盐度、温度、铵态氮和总有机碳。这些发现揭示了细菌对不同人为压力的独特适应，并证明沉积物细菌功能基因谱可作为生态系统健康的敏感指标，为城市化沿海区域的目标性污染管理提供了定量微生物学基础。

海岸带是海陆相互作用的关键交错带，具有极高的生产力和生物多样性，同时也承受着陆源输入和人类活动的巨大压力。沉积物细菌是驱动碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等元素生物地球化学循环的主要动力，其群落组成和功能对环境变化高度敏感。16S rRNA基因高通量测序虽能揭示细菌群落结构和多样性，但仅凭分类学信息难以直接推断功能潜力。定量微生物元素循环（QMEC）技术通过高通量qPCR芯片同时定量数十个参与C、N、P、S循环的功能基因，可直接评估细菌的遗传潜力，但该技术在沿海沉积物中的系统性应用仍较缺乏。已有沿海研究多局限于单一基因或单一循环，例如通过amoA基因评估硝化潜力、nirS/nosZ基因评估反硝化潜力、dsrB基因评估硫酸盐还原潜力，而对多元素循环功能基因丰度与群落结构在人为梯度下的联合分布关注不足。深圳是中国南部高度城市化的沿海城市，其西海岸紧邻城市核心，受珠江淡水输入、工业废水和生活污水影响，营养盐和有机质负荷高；东海岸以港口、旅游和养殖为主，盐度较高、水质较好。这种强烈的环境对比为研究细菌群落和功能基因对不同人为压力的响应提供了理想平台。

研究人员在深圳西部的深圳湾（S）、西湾（X）和东部的大梅沙（D）、南澳（N）四个代表性海湾各设置3个重复采样点，采集表层沉积物（0–5 cm）共36份，同时采集上覆水样。结合环境因子测定、16S rRNA基因测序和QMEC技术，比较东西部细菌群落多样性和组成、C/N/P/S循环功能基因丰度差异，并通过冗余分析和Mantel检验识别关键环境驱动因子。

主要技术方法包括：采用多参数水质分析仪和全自动间断化学分析仪测定盐度、温度、pH及氨氮（NH₄⁺-N）、硝氮（NO₃^?-N）、亚硝氮（NO₂^?-N）和有效磷（PO₄^3?-P）浓度；提取沉积物总DNA后扩增16S rRNA基因V3–V4区，在Illumina NovaSeq 6000平台双端测序，以97%相似度聚类为操作分类单元（OTU），比对SILVA数据库进行注释；采用QMEC芯片（含71对功能基因引物和1对16S rRNA内参引物）定量C（35个）、N（22个）、P（9个）、S（5个）循环功能基因，通过熔解曲线验证特异性，并以16S rRNA拷贝数换算绝对丰度；使用Z-score标准化、Spearman相关、Mantel检验和冗余分析（RDA）进行统计。

研究结果如下。3.1 环境因子与沉积物理化性质：东部盐度显著高于西部，西部氨氮、亚硝氮、总氮显著更高；硝酸盐在大梅沙最高，总有机碳在南澳极高，表明东西部存在明显的环境梯度。3.2 沉积物细菌群落的α多样性：基于OTU计算的Shannon、Chao1、Richness和PD whole tree指数均表现为西部高于东部，其中Shannon指数差异显著（p=0.044），且X站多样性最高，说明高污染负荷的西部反而拥有更高的细菌多样性。3.3 细菌群落组成差异：门水平上东西部优势菌门相同，均为假单胞菌门（Pseudomonadota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、浮霉菌门（Planctomycetota）等；属水平上出现明显分异，硫氧化菌Sulfurovum在西部富集（X站相对丰度13.7%），而有机物降解菌Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia和Phaeodactylibacter在东部占优。3.4 细菌β多样性：NMDS、聚类分析和ANOSIM显示东西部细菌群落显著分离（R=0.334，p=0.001）；西部内部S与X也有显著差异（R=0.4472，p=0.001），东部内部D与N差异更强（R=0.9959，p=0.001）。3.5 细菌功能基因多样性：QMEC检测显示，N循环基因在东西部均占最大比例；西部所有六类功能基因（N循环、C固定、S循环、C降解、P循环、甲烷代谢）的绝对丰度均较东部高近一个数量级，例如N循环基因西部为3.01×10⁸ copies/g，东部为5.36×10⁷ copies/g；西部以反硝化基因（nirS、nosZ）为主，东部以硝化基因（amoA2、nxrA）相对富集。3.6 细菌群落与环境因子的相关性：Mantel检验显示硝酸盐与群落结构相关性最强（r=0.574，p=0.001），其次为盐度、温度、铵态氮和总有机碳；RDA显示硝酸盐和铵盐是最显著的环境梯度；Spearman相关分析表明反硝化基因与硝酸盐和总氮正相关，硫酸盐还原基因（dsrA、dsrB）与磷酸盐和盐度正相关。

讨论部分指出，西部高污染环境下细菌多样性的升高可能与资源供给效应有关——营养输入创造了更多生态位，且均匀度（Shannon指数）比丰富度更能反映环境扰动。群落结构分异主要由硝酸盐驱动，自然梯度（盐度、温度）和人为营养负荷共同参与调控。Sulfurovum在西部富集与高有机质还原环境一致，并与其硫循环基因高丰度吻合；东部富集的有机物降解菌与其高TOC或高硝酸盐环境对应。功能基因分析表明，环境压力主要改变基因丰度而非基因组成；西部以氮去除（反硝化）为主，东部以氮转化（硝化）为主，反映了群落对区域环境条件的适应策略。

研究结论为：本研究揭示了深圳东部和西部沉积物之间存在明显的环境梯度和不同的细菌特征。西部沉积物——尤其是X站——表现出较高的细菌多样性、增强的C/N/P/S循环潜力，并以硫氧化细菌和反硝化过程为主。相比之下，东部沉积物盐度较高，富集了有机物降解和硝化相关的功能类群，其氮循环以硝化为主。硝酸盐是塑造群落结构和功能基因分布的关键驱动因子，并与盐度、温度、铵态氮和总有机碳共同作用。这些发现深化了对城市化沿海区域细菌响应人为压力的理解，并为生态健康评估和针对性污染管理策略提供了科学依据。