红树林湿地地下水–沉积物系统微生物源的空间与垂直分布及其对海岸含水层动力学的指示

《Water》：Vertical and Spatial Distribution of Microbial Sources in Mangrove Wetland Groundwater–Sediment Systems: Implications for Coastal Aquifer Dynamics

　　

红树林湿地是陆海环境之间的关键生态交错带，但其地下水–沉积物系统中微生物群落的空间分布和环境来源仍表征不足。研究人员采用SourceTracker2贝叶斯算法的微生物源追踪（microbial source tracking, MST），对中国珠江口淇澳岛单条红树林湿地样带采集的22个样品进行分析；样品包括一口淡水井、潮上带和过渡带、向海红树林湿地监测井（piezometers），以及来自红树林植被点和相邻无植被点的两个60 cm沉积柱。源谱的Shannon多样性（Shannon diversity）在整个梯度上变幅很窄（3.15 ± 0.26；变异系数（CV）8.4%），且在各样品组间无显著差异（Kruskal–Wallis H = 7.38，p = 0.194），表明存在强多样性缓冲。相比之下，源组成具有强结构（PERMANOVA pseudo-F = 4.14，R² = 0.56，p = 0.0001）。红树林沉积柱沉积物以沉积物相关（9.98%）、根际（8.58%）和土壤（6.69%）源为主，而相邻非红树林沉积柱以淡水沉积物（17.52%）和海洋沉积物（9.29%）源为主。将104个参考源聚合为8个生态类别后，植被和土壤来源占红树林沉积柱的29.5%，但仅占非红树林沉积柱的20.1%（p = 0.035）；淡水来源呈相反格局（15.3%对32.2%，p = 0.002）。废水和宿主相关源在红树林湿地监测井中合计贡献39.3%，识别出显著的人为印记。深度剖面显示，系统性垂直结构仅出现在红树林沉积柱中：海洋和未分化沉积物源随深度下降（β = ?0.377和?0.115% cm^?1；R² = 0.71和0.76；p = 0.034和0.025），植被和土壤来源随深度增加（β = +0.375% cm^?1，R² = 0.75，p = 0.026）；非红树林沉积柱垂直均一。这些结果量化了红树林地下水系统中陆源、海源和人为微生物输入的相互作用，并为监测海岸含水层中的污染物迁移和生态系统完整性提供了基线。由于设计仅包含单条样带、单次湿季采样且深度间隔为伪重复（pseudo-replicated），研究结果应被视为空间显式基线，而非对红树林微生物组的一般化描述。

研究背景方面，红树林湿地是生产力高且生态意义显著的滨海生态系统，位于陆地淡水输入与海洋咸水入侵界面，其地下水–沉积物系统承载参与氮循环、硫酸盐还原和有机质分解等过程的微生物群落。红树林沉积物固碳速率高，但人为干扰可能使其由碳汇转为碳源；海底地下水排泄（submarine groundwater discharge, SGD）和潮汐驱动海水入侵形成地下河口，微生物来源与空间组织仍不清楚。既有红树林微生物研究多描述分类组成和功能基因，难以区分沉积物微生物组是来自海水繁殖体原位选择、陆源土壤招募还是根系和凋落物接种，也缺乏对城市化海岸人为输入及垂直分层的定量认识。传统扩增子测序难以区分系统发育相似的不同源环境，因此需要微生物源追踪（microbial source tracking, MST）量化土壤、海洋沉积物、淡水、植被相关微生物和废水等来源贡献。该研究旨在量化红树林地下水–沉积物连续体微生物源多样性，识别不同湿地带优势源及相对贡献，表征红树林植被点与相邻无植被点配对沉积柱中微生物源的垂直分层，并分析样品间多变量关系及最相关环境因素。研究人员在珠江口淇澳岛红树林自然保护区单条样带开展研究，于2024年8月18–20日采集22个样品，包括10个地下水采样点（G1–G7及G3-1、G4-1、G5-1重复监测井）和2个60 cm沉积柱（S1红树林、S2相邻无植被潮滩），各分6个10 cm层；以16S rRNA基因V4高变区扩增子测序和SourceTracker2贝叶斯混合模型，对104个参考源环境进行MST，并将源聚合为8个生态类别；采用Shannon多样性、Kruskal–Wallis检验、Welch t检验、Mann–Whitney U检验、Benjamini–Hochberg（BH）校正、PERMANOVA、主成分分析（principal component analysis, PCA）、Ward层次聚类和普通最小二乘（ordinary least-squares, OLS）线性回归等分析。研究得出源多样性受缓冲而源组成强分异、植被相关沉积柱具垂直结构、红树林湿地监测井存在显著人为输入等结论，为海岸含水层污染物迁移监测和生态系统完整性评估提供基线。其意义在于把陆源、海源和人为微生物输入纳入同一空间框架，并提示α多样性不宜作为该系统的敏感监测指标。

结果部分如下。3.1 微生物源多样性沿环境梯度呈缓冲：基于22个样品源谱计算Shannon多样性，均值3.15 ± 0.26，变异系数8.4%；四组（n ≥ 2）Kruskal–Wallis H = 4.495，p = 0.213，六组H = 7.383，p = 0.194，组间无显著差异；红树林柱与非红树林柱Mann–Whitney U = 30，p = 0.065；柱内上下半层无显著差异，说明强组成差异反映源身份周转而非源丰富度增减，多样性指数在该系统中不敏感。3.2 优势微生物源在湿地带间差异显著：SourceTracker2显示红树林柱以沉积物相关（9.98 ± 1.00%）、根际（8.58 ± 1.15%）和土壤（6.69 ± 0.70%）源为主；非红树林柱以淡水沉积物（17.52 ± 2.17%）、沉积物（10.28 ± 0.39%）和海洋沉积物（9.29 ± 1.80%）源为主；红树林湿地监测井以废水相关（13.52 ± 2.15%）为主，人肠道（6.70 ± 4.80%）为第三位。Welch t和Mann–Whitney U显示淡水沉积物在非红树林柱高2.7倍（17.52%对6.50%；t = ?4.24，p = 0.0059；U = 0，p = 0.0022），根际源在红树林柱高2.3倍（8.58%对3.79%；t = 3.51，p = 0.0070；U = 34，p = 0.0087）；98个可测源中30个p < 0.05，仅6个通过BH校正q < 0.05（pig gut、bovine gut、human lung、bovine、fungus在红树林柱富集，subsurface在非红树林柱富集）。八类聚合显示各带主导类别不同：G1植被和土壤45.1%，G2海洋和河口50.7%，过渡带宿主和粪便45.6%，红树林湿地废水和宿主合计39.3%；两柱间四类显著，淡水在非红树林柱高（32.2%对15.3%，t = ?5.30，p = 0.0017），废水和工程化（9.4%对4.8%，p = 0.0026）、宿主和粪便（11.3%对3.4%，p = 0.0011）、食品和发酵（5.6%对0.8%，p = 0.0071）在红树林柱高，植被和土壤亦在红树林柱高（29.5%对20.1%，t = 2.64，p = 0.035）。人为信号空间异质，废水贡献5.59%（G6）至19.89%（G4-1），人肠道G6达30.94%，小鼠肠道G3达24.66%，人源G3达18.31%，提示离散局部输入。3.3 垂直结构仅出现在红树林沉积柱：OLS深度回归显示红树林柱未分化沉积物源由14.66%降至8.26%（β = ?0.115% cm^?1，R² = 0.755，p = 0.025），海洋源由12.48%降至1.97%（β = ?0.177% cm^?1，R² = 0.697，p = 0.039）；根际源由3.49%升至11.41%（β = +0.119% cm^?1，R² = 0.637，p = 0.057），植物源由1.54%升至8.89%（β = +0.122% cm^?1，R² = 0.886，p = 0.0051），土壤源由3.19%升至8.06%（β = +0.074% cm^?1，R² = 0.578，p = 0.079）；类别水平植被和土壤由14.8%升至38.3%（β = +0.375% cm^?1，R² = 0.753，p = 0.026），海洋和河口由27.8%降至4.9%（β = ?0.377% cm^?1，R² = 0.712，p = 0.034）；104源中31个呈名义显著深度趋势。非红树林柱无类似结构，前三位源随深度不显著（淡水沉积物p = 0.074；沉积物p = 0.257；海洋沉积物p = 0.341），104源中20个名义显著，最强为土壤源小幅下降（β = ?0.048% cm^?1，R² = 0.773，p = 0.021）；八类中仅地下水和地下环境源显著（β = ?0.038% cm^?1，R² = 0.720，p = 0.034），30–40 cm为异常层。结论为无植被沉积物垂直均一，有植被沉积物分异为潮汐影响表层和根系影响深层。3.4 多变量分析识别两个主要组成变异轴：基于Bray–Curtis相异度的Ward聚类将样品分为非红树林柱六层（除30–40 cm异常）、红树林柱六层和地下水监测井三簇；PERMANOVA六组pseudo-F = 4.140，R² = 0.564，p = 0.0001，两柱pseudo-F = 8.687，R² = 0.465，p = 0.0039。PCA中PC1解释19.1%，PC2解释15.1%，前10个主成分解释90.3%；PC1正载荷为植物表面和低生物量含水层源（phyllosphere 0.189、lichen 0.189、rock porewater 0.184），负载荷为沉积物类型源（sediment ?0.157、freshwater sediment ?0.138、marine sediment ?0.126），分离内陆淡水井G1与沉积物相关样品；PC2正载荷为根区和有机质源（fungus 0.209、rhizosphere 0.163、compost 0.152、plant 0.143），负载荷为水柱和废水源（freshwater ?0.202、wastewater ?0.170、marine ?0.166、seawater ?0.146），将红树林柱由表层（0–10 cm，PC2 = ?1.1）至深层（50–60 cm，PC2 = +5.6）排序，并把高废水负荷的湿地监测井置于相反极端（PC2 = ?4.8至?6.7）；非红树林柱在负PC1紧密聚集，PC2跨度小。3.5 生态源类别解析样带空间结构：植被存在与沉积物源池组成相关，红树林柱植被和土壤源为无植被柱1.5倍、淡水来源约一半；潮汐梯度位置与海洋分数相关，海洋分数由内陆井7.2%升至潮上带50.7%，红树林内下降；靠近聚落和池塘基础设施与人为分数相关，红树林湿地监测井最高39.3%，无植被柱最低8.2%；无类别沿岸向位置单调变化（Spearman |ρ| ≤ 0.39，p ≥ 0.26，n = 10），说明空间结构为马赛克而非简单线性陆海梯度。

讨论部分可概括为：作者首先澄清MST检测的是源环境组成印记而非直接繁殖体，16S rRNA扩增子不能区分活跃、休眠或死亡细胞；但潮汐泵送和孔隙水交换、SGD连续输送、人为信号在5–15 m监测井间近四倍空间异质性，以及红树林柱富集类别具有局部输送机制等证据，支持以活跃繁殖体供给解释部分格局，并建议结合稳定同位素探针或RNA方法区分活跃与输入非活跃部分。多样性缓冲而组成不均一被作者视为核心结果，机制包括短尺度资源梯度上的生态位分配、潮汐和盐度波动抑制竞争排除、集合群落动态；α多样性因不敏感而不宜单独作为监测指标，且该多样性基于104个源类别而非分类单元，上限为ln 104 = 4.64。植被被作者视为垂直源结构的主要控制因素：红树林柱表层海洋源高、随深度近六倍下降，植被和土壤源呈镜像增加；机制为表层潮汐冲刷和孔隙水交换强，深处根系分布、根分泌物、细根周转和根系有机质埋藏提供植被印记并在约30 cm以下缺氧低冲刷条件保存；这与生物扰动和根系使红树林沉积物均一化的常见认识相反，但作者强调仅基于一对沉积柱。食品发酵和宿主相关类别在深处共富集被作者谨慎解释，可能反映缺氧有机质条件下趋同选择而非字面输入。人为输入在红树林湿地监测井合计39.3%，空间离散，作者认为更符合淇澳村旅游设施化粪池和养殖塘等局部源，G3啮齿类信号符合地表径流或浅层渗漏；该信号在沉积柱中衰减至红树林柱9.4% + 11.3%、无植被柱4.8% + 3.4%，与过滤、捕食和死亡一致，提示红树林沉积物部分屏障作用，但组成印记不等于活力检测，不能据此确立病原体存在，建议培养或qPCR计数。与既往工作相比，作者指出以往MST多针对地表水，沉积物源分配研究少，红树林微生物学多为描述性调查，本研究首次在红树林系统同时将定量MST用于地下水样带和配对植被/无植被沉积深度剖面；三个外推意义为α多样性与组成周转解耦、植被依赖的垂直结构至少影响60 cm深度并与蓝碳核算相关、人为源随深度衰减提供过滤服务初步定量。局限包括单红树林柱和单非红树林柱、六层为子样非独立重复、单次湿季采样、SourceTracker2组成性且依赖参考库、不能区分活跃与非活跃、功能定义参考易趋同、16S V4对古菌分辨率有限、未同步测定盐度、溶解氧、氧化还原电位、营养盐、有机碳和粒度。实践建议为监测完整水文样带并报告组成指标、针对可识别局部源修复、红树林恢复可能兼具水质协同效益但需重复仪器设计验证。

结论部分翻译如下：本研究在珠江口红树林地下水–沉积物样带应用基于SourceTracker2的微生物源追踪，包括10个地下水采样点和2个配对60 cm沉积柱。数据支持四点结论：（1）微生物源谱Shannon多样性在整个梯度上均一（3.15 ± 0.26；CV 8.4%），组间无显著差异（H = 7.383，p = 0.194），而源组成具有强结构（PERMANOVA R² = 0.564，p = 0.0001），因此多样性指数在该系统中是不敏感的变化指标；（2）红树林植被沉积物与相邻无植被沉积物具有不同源签名，植被和土壤来源在红树林柱富集（28.8%对20.1%，p = 0.035），淡水来源在无植被柱富集（30.0%对15.3%，p = 0.002）；（3）源组成垂直结构仅出现在植被柱，海洋源表层富集（β = ?0.377% cm^?1，p = 0.034），植被源深层富集（β = +0.375% cm^?1，p = 0.026），无植被柱垂直均一；（4）废水和宿主相关源在红树林湿地监测井贡献39.3%，明显点间异质性指示离散局部输入，该信号在沉积柱中衰减约2–3倍。上述结论来自单条样带单次湿季采样，两个沉积柱的深度间隔为子样而非独立重复，因此应作为空间分辨基线和可检验假设，而非红树林地下水微生物组的一般描述；确认需多对植被/无植被点的重复沉积柱、至少一个完整水文年的采样、同步理化测定以及能区分输入与定殖种群的活性分辨方法。