基于SourceTracker2的红树林地下水–沉积物系统中微生物来源解析：多样性缓冲、空间分异与人为输入印记

《Water》：A Coupled Model Integrating a Differential Equation and BP Neural Network for Seepage Pressure Forecasting of Earth-Rock Dams

　　

红树林湿地是陆地与海洋环境之间的关键生态交错带（ecotone），然而其地下水–沉积物系统中微生物群落的空间分布与环境来源仍未得到充分表征。研究人员采用基于SourceTracker2贝叶斯算法的微生物来源追踪（microbial source tracking, MST）技术，对在中国珠江口淇澳岛沿单一红树林湿地断面采集的22个样本进行分析；样本包括一口淡水井、超潮带与过渡带、向海的红树林湿地测压管，以及来自红树林植被区和邻近无植被区的两根60 cm沉积物柱。来源谱的Shannon多样性在整个梯度上受到严格约束（3.15 ± 0.26；变异系数8.4%），且样本组间无显著差异（Kruskal–Wallis H = 7.38, p = 0.194），表明存在强烈的多样性缓冲效应。相比之下，来源组成具有强烈的结构分异（PERMANOVA伪F = 4.14, R² = 0.56, p = 0.0001）。红树林沉积物柱以沉积物相关来源（9.98%）、根际来源（8.58%）和土壤来源（6.69%）为主，而邻近无植被沉积物柱则以淡水沉积物（17.52%）和海洋沉积物（9.29%）来源为主。将104个参考来源汇总为8个生态类别后发现，植被与土壤来源在红树林沉积物柱中占29.5%，而在无植被沉积物柱中仅占20.1%（p = 0.035）；淡水来源则呈现相反格局（15.3%对32.2%，p = 0.002）。废水相关与宿主相关来源合计占红树林湿地测压管样本来源的39.3%，揭示出显著的人为输入印记。深度剖面分析显示，仅红树林沉积物柱存在系统的垂向结构：海洋来源和未分化沉积物来源随深度减少（β = ?0.377和?0.115% cm^?1；R² = 0.71和0.76；p = 0.034和0.025），而植被与土壤来源随深度增加（β = +0.375% cm^?1，R² = 0.75，p = 0.026）；无植被沉积物柱在垂向上均匀。这些结果量化了红树林地下水系统中陆地、海洋和人为微生物输入的相互作用，并为监测沿海含水层中污染物运移和生态系统完整性提供了基线。由于研究设计仅包含在一次湿季时段采样的单一断面，且深度区间存在伪重复，研究结果应被视为具有空间明确性的基线，而非对红树林微生物群落的普适性描述。

研究背景与目的

红树林湿地是地球上生产力最高、生态意义最重大的海岸带生态系统之一，提供碳封存、海岸保护与养分循环等服务。其地下水–沉积物系统中栖息着多样的微生物群落，介导氮循环、硫酸盐还原和有机物分解等关键生物地球化学过程。然而，关于这些群落的来源仍存在关键知识空白：沉积物微生物组主要由海水输入、陆地土壤输入还是红树林根系接种驱动？人为输入在城市化海岸带红树林群落结构中的作用如何？来源贡献沿水平环境梯度和垂向沉积剖面的变化规律如何？传统16S rRNA扩增子测序难以回答这些问题，因为不同来源环境可能含有系统发育相似的类群。为此，研究人员在珠江口淇澳岛红树林湿地应用基于SourceTracker2（一种贝叶斯混合微生物来源追踪算法）的微生物来源追踪（MST）技术，沿完整地下水–沉积物断面开展研究，旨在量化来源多样性、优势来源组成、垂直分异以及样本间多元关系，为监测沿海含水层污染物运移和生态系统完整性提供基线。

研究方法概述

研究在中国广东省珠海市淇澳岛红树林自然保护区进行。共采集22个样本，包括10个地下水监测点（含重复测压管G3-1、G4-1、G5-1）以及两根60 cm沉积物柱（红树林内S1和邻近无植被滩涂S2，后者约120 m向海），每根沉积物柱按10 cm间隔分为6个层段。采用16S rRNA基因V4高变区高通量扩增测序（515F/806R引物，Illumina NovaSeq平台），使用SourceTracker2对104个参考来源环境进行来源分配，并将来源汇总为8个生态类别。统计方法包括Shannon多样性计算、Kruskal–Wallis检验、Welch t检验、Mann–Whitney U检验、置换多元方差分析（PERMANOVA）、主成分分析（PCA）、层级聚类和线性回归。

研究结果

3.1 微生物来源多样性沿环境梯度保持缓冲

通过Shannon多样性分析发现，来源谱多样性在整个断面上高度稳定，均值为3.15 ± 0.26，变异系数仅8.4%；六组样本间无显著差异（H = 7.383, p = 0.194）。这表明来源环境的数量与均匀度未沿梯度系统性变化，多样性缓冲是系统的显著特征。

3.2 不同湿地带的优势微生物来源存在显著差异

来源分配结果显示，红树林沉积物柱以沉积物相关（9.98%）、根际（8.58%）和土壤（6.69%）来源为主，而邻近无植被柱以淡水沉积物（17.52%）和海洋沉积物（9.29%）来源为主。在8个生态类别中，植被与土壤来源在红树林柱显著富集（29.5%对20.1%，p = 0.035），淡水来源则在无植被柱显著富集（15.3%对32.2%，p = 0.002）。红树林湿地测压管中废水与宿主相关来源合计占39.3%，人为输入信号强烈且空间上呈点状异质性。

3.3 红树林沉积物柱出现垂直结构化而邻近无植被柱没有

针对两根沉积物柱的深度回归分析显示，红树林柱中海洋来源和未分化沉积物来源随深度下降（β = ?0.377和?0.115% cm^?1；p = 0.034和0.025），植被与土壤来源随深度上升（β = +0.375% cm^?1，p = 0.026）；无植被柱在垂向上基本均匀。这说明植被沉积物被分异为受潮汐影响的表层和受根系影响的深层，而非被生物扰动均质化。

3.4 多元分析识别出组成变异的两个主轴

PCA显示PC1解释19.1%、PC2解释15.1%的方差，前十个主成分累计解释90.3%。PC1主要区分内陆淡水井与沉积物相关样本，PC2则将红树林柱从表层到深层排序，并将高废水负荷的红树林湿地测压管置于相反极端。PERMANOVA确认六组样本解释大部分组成方差（伪F = 4.140, R² = 0.564, p = 0.0001）。

3.5 生态来源类别解析断面空间结构

将来源汇总为生态类别后，红树林柱的植被与土壤来源为无植被柱的1.5倍，淡水来源仅为后者约一半；海洋来源沿潮汐梯度先升后降；人为来源在红树林湿地测压管中最高（39.3%），在无植被柱中最低（8.2%）。系统空间结构并非简单线性海陆梯度，而是植被覆盖、局部潮汐淹没频率和离散人为输入共同作用的镶嵌格局。

讨论总结

研究人员指出，SourceTracker2检测的是来源环境的组成印记而非直接检测繁殖体，不能区分活性与失活细胞；但潮汐泵送、点源异质性以及来源类别的特定富集模式支持活跃输入的解释。多样性缓冲与组成分异并存，表明α多样性不宜作为该系统的监测指标。红树林柱的垂直分异显示植被根系分布和潮汐冲刷共同塑造来源剖面；生物扰动和根系穿透并未均质化沉积物，反而创造了垂直结构。人为信号呈点状分布并随深度衰减约2–3倍，提示红树林沉积物对污水来源微生物具有部分过滤功能，但该信号不等同于病原体活性。研究同时指出单一断面、单次湿季采样、深度区间伪重复以及缺乏同步理化测定等局限。

研究结论翻译

本研究在珠江口红树林地下水–沉积物断面应用基于SourceTracker2的微生物来源追踪，涵盖10个地下水采样点和两根配对60 cm沉积物柱，得出四点结论：（1）微生物来源谱的Shannon多样性沿整个梯度一致（3.15 ± 0.26；变异系数8.4%），样本组间无显著差异（H = 7.383, p = 0.194），而来源组成高度结构化（PERMANOVA R² = 0.564, p = 0.0001），因此多样性指数是该系统中不敏感的变化指标。（2）红树林植被沉积物与邻近无植被沉积物携带不同的来源特征：植被与土壤来源在红树林柱中富集（28.8%对20.1%，p = 0.035），淡水来源在无植被柱中富集（30.0%对15.3%，p = 0.002）。（3）仅红树林柱出现垂向结构化：海洋来源表层富集（β = ?0.377% cm^?1, p = 0.034），植被来源深层富集（β = +0.375% cm^?1, p = 0.026），无植被柱垂向均匀。（4）废水与宿主相关来源在红树林湿地测压管中合计占39.3%，且呈显著点对点异质性，指示离散的局部输入；该信号在沉积物柱中衰减约2–3倍。这些结论来自单一断面和一次湿季采样，深度区间是子样本而非独立重复，因此应视为空间显式基线和可检验假说，而非红树林地下水微生物组的普遍性描述。