海底地下水排放驱动的热带珊瑚礁潮间带沉积物微生物群落结构及预测功能潜力沿环境梯度的变化

《Journal of Marine Science and Engineering》：Microbial Community Structure and Predicted Functional Potential Across Environmental Gradients Influenced by Submarine Groundwater Discharge in Tropical Coral Reef Intertidal Sediments

　　

海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge, SGD）将陆源营养盐输送至近岸水体，但其对热带珊瑚礁潮间带沉积物底栖微生物群落的影响在很大程度上尚不明确。研究人员选取台湾琉球屿（Liuqiu Island）的肚子坪海洋保护区（Duzaiping Marine Protected Area）作为研究区域，该区域地下水经由珊瑚礁石灰岩平台渗出。研究人员采集了19个位点的表层沉积物和底层水样，分析了溶解态营养盐、16S rRNA扩增子多样性及预测功能潜力（FAPROTAX）。地下水排放点的盐度为2–3，NO2? + NO3?、PO43?和SiO2浓度分别高达623.94、7.07和245.83 μM。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）解析出三个地球化学特征截然不同的分组：地下水组（Groundwater, GW）、混合组（Mixed）和海水组（Seawater, SW）。GW组与SW组之间的微生物群落存在显著分化。Nitrospiraceae、Nitrosomonadaceae、Burkholderiaceae和Pseudomonadaceae在排放点富集，与硝化作用和推定反硝化作用相符。Halieaceae和Xenococcaceae在海洋主导区域最为丰富。预测的好氧氨氧化和亚硝酸盐氧化功能在GW组沉积物中富集，而预测的发酵功能在SW组沉积物中富集。Woeseiaceae的丰度与磷酸盐浓度及预测硝化功能呈正相关。因此，SGD改变了营养盐化学计量比，并对底栖微生物群落进行筛选，预测功能谱从排放点附近的氮转化过程向海洋主导沉积物中的异养分解过程转变。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge, SGD）是指地下水经海床沿陆海界面渗出的过程，可将溶解态营养盐及人为污染物输送至近岸水域，过量营养盐输入可能引发富营养化、缺氧及有害藻华。底栖微生物群落通过有机碳再矿化、氮转化以及硫、磷、铁的生物地球化学循环等过程处理这些输入。已有研究表明，河口和沿海沉积物中至少有12个功能不同的细菌类群参与碳周转，且细菌群落多样性塑造其生物地球化学潜力。

在陆海交界处，淡水与海水的混合形成盐度、溶解氧和氧化还原电位的梯度，进而影响微生物群落组成；反过来，栖居的微生物群落又调控孔隙水和SGD流路中的营养盐转化。然而，SGD相关微生物的功能角色此前未受到系统关注，这一空白在热带东南亚地区尤为突出——该区域温暖的气候、充沛的降水和渗透性高的沿海地质条件维持了异常高的SGD通量。此前该区域的研究主要集中于定量溶解态营养盐和碳通量，SGD流路上的微生物群落基本未被表征。

琉球屿位于台湾西南海岸约16.5公里处，旅游业发展迅速。此前水文地质研究已在该岛西海岸识别出多个SGD点位，包括美人洞、肚子坪和蛤板湾。底层珊瑚礁石灰岩含水层的地下水持续富含营养盐，且季节变化小于周围海水。近期一项围绕琉球屿的潮下带珊瑚礁微生物调查显示，假单胞菌门（Pseudomonadota）和浮霉菌门（Planctomycetota）占优势，与升高的环境营养盐水平一致。然而，该研究仅覆盖潮下带生境，SGD对潮间带微生物群落的影响尚未被考察。

二、研究目的

本研究选取琉球屿西北部肚子坪海洋保护区作为研究区域，该区域珊瑚礁平台上存在活跃的地下水渗流，且直接人为干扰相对较低。研究人员建立了5条垂直于海岸的采样断面，覆盖从SGD影响到海洋主导的不同条件，采集潮间带沉积物和底层水样，旨在确定SGD如何沿环境梯度塑造底栖微生物群落的组成和功能潜力。

三、主要技术方法

研究人员于2022年6月（台湾南部雨季初期）低潮时段开展野外调查，在确认有活跃地下水渗流的4个位置布设采样断面，另设1条无渗流的对照断面，共获得19个采样位点。采集表层沉积物（上层2 cm）和底层水样，现场记录温度和盐度，水样用于溶解态营养盐（NO₂^?、NO₂^? + NO₃^?、SiO₂、PO₄^3?）测定。微生物群落分析采用16S rRNA基因V3–V4高变区扩增子测序（Illumina MiSeq平台），序列经CLC Genomics Workbench处理，以97%序列一致性聚类OTU，并基于SILVA 132数据库进行物种注释。预测功能分析采用FAPROTAX数据库将分类群映射至已确立的生物地球化学功能类别。统计方法包括主成分分析（PCA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、相似性分析（ANOSIM）、Kruskal–Wallis检验和Spearman秩相关分析。保守混合分析以盐度为保守示踪剂，评估混合位点营养盐浓度是否仅由简单稀释决定。

四、研究结果

4.1 理化梯度与营养盐混合行为

研究区域内盐度范围为2–33。三个地下水排放点（位点1-1、3-1和4-1）盐度仅为2–3，接近淡水端元值；而向海边缘位点盐度为28–33。水温范围为27.03–37.20 °C，排放点温度最低，其余多数位点超过32 °C。所有四种营养盐均与盐度呈显著负相关（Spearman ρ = ?0.81至?0.97，p < 0.001），温度与盐度呈正相关（ρ = 0.62，p = 0.005）。

沿断面从排放点向海方向，营养盐浓度急剧下降。以断面3为例，盐度从2升至32，NO₂^? + NO₃^?从623.94降至3.57 μM，SiO₂从245.83降至13.54 μM，PO₄^3?从3.36降至0.06 μM。保守混合分析显示，多数混合位点的观测浓度低于保守混合预期值。磷酸盐的亏损最为显著，观测值仅为预期值的6–30%（中位数11%）；SiO₂为预期值的55–85%（中位数67%）；NO₂^? + NO₃^?在7个位点为预期值的46–80%，但在位点3-2和3-4超过预期值（113%和119%）。以SiO₂亏损为基准归一化后，PO₄^3?的观测/预期比为0.09–0.50，而NO₂^? + NO₃^?为0.68–1.42，表明磷酸盐被不成比例地去除，而氮的偏离程度与SiO₂相近。

营养盐化学计量比在组间差异显著。GW组N:P比（NO₂^? + NO₃^?:PO₄^3?）均值为178.3，Mixed组最高（均值659.8），均远超Redfield比16:1；SW组N:P比均值仅40.3。N:Si比方面，GW组均值1.80，Mixed组均值1.75，SW组均值仅0.28，表明向海边缘硅酸相对于氮过量。

PCA分析中，PC1和PC2分别解释总方差的80.9%和16.6%。PC1将向海位点与SGD影响位点分开，盐度、SiO₂和温度载荷最强；PC2主要由PO₄^3?和NO₂^? + NO₃^?驱动。据此将采样位点划分为三组：GW组（n = 3）、SW组（n = 7）和Mixed组（n = 9）。对照位点（5-1和5-2）聚类于SW组内，表明其理化条件与其他向海位点无差别，断面1–4的梯度确实反映SGD影响而非平台位置效应。

4.2 微生物多样性与群落组成

OTU丰富度范围为2650（位点5-1）至4733（位点3-1）。所有位点α多样性均较高（Shannon指数[log2]均值9.41 ± 0.35；Simpson指数均值0.995 ± 0.002），三组间差异不显著（Kruskal–Wallis检验，p ≥ 0.81）。

共解析出13,485个OTU，涵盖63门、193纲、613目、1306科和3008属。最丰富的门为Pseudomonadota（44.4%）、Bacteroidota（16.8%）、Actinomycetota（9.8%）、Cyanobacteriota（8.1%）和Planctomycetota（7.9%）。Pseudomonadota在每个位点均占优势（32.8%–53.0%）。

β多样性分析显示，SW组与GW组及SW组与Mixed组之间的群落组成差异显著（PERMANOVA和ANOSIM均确认），而GW组与Mixed组差异不显著。ANOSIM全局R = 0.418（p = 0.001），其中SW–GW配对R = 0.968（p = 0.008），SW–Mixed配对R = 0.303（p = 0.008）。

差异丰度检验识别出15个丰度在组间差异显著的科。8个科从GW组到SW组持续下降：Kiloniellaceae（4.49%→0.52%）、Nitrospiraceae（3.62%→0.11%）、Thermoanaerobaculaceae（1.82%→0.28%）、Microscillaceae（1.80%→0.01%）、Burkholderiaceae（1.47%→0.04%）、Nitrosomonadaceae（1.34%→0.05%）、α-变形菌内共生体2（0.89%→0.09%）和Pseudomonadaceae（0.77%→<0.01%）。相反，4个科从GW组向SW组增加：Xenococcaceae（0.75%→3.90%）、Desulfobulbaceae（0.05%→1.90%）、Halieaceae（0.12%→1.82%）和Lachnospiraceae（0.07%→0.84%）。Sulfurovaceae和Thiovulaceae仅在Mixed组的位点3-4高度富集（8.63%和7.90%）。

4.3 细菌科与环境变量的关系

对30个最丰富科的Spearman相关谱进行层次聚类，解析出三个簇（G1–G3）。G1仅含Burkholderiaceae，与NO₂^? + NO₃^?（ρ = 0.49）和PO₄^3?（ρ = 0.51）正相关。G2含9个科，其中Pirellulaceae、Ilumatobacteraceae和Xenococcaceae与盐度正相关（ρ = 0.55–0.65）且与营养盐负相关；Woeseiaceae则相反，与PO₄^3?（ρ = 0.72）、NO₂^? + NO₃^?（ρ = 0.54）和SiO₂（ρ = 0.56）正相关，与盐度（ρ = ?0.57）和温度（ρ = ?0.56）负相关。G3含其余20个科，其中Nitrospiraceae、Kiloniellaceae和Thermoanaerobaculaceae与所有四种营养盐正相关（ρ = 0.69–0.82）且与盐度负相关（ρ = ?0.78至?0.82）；Desulfobulbaceae、Halieaceae、DEV007和Rhizobiaceae呈相反模式。GW富集的非前30丰度科（Nitrosomonadaceae、Microscillaceae、Pseudomonadaceae）同样与NO₂^? + NO₃^?和PO₄^3?正相关（ρ = 0.71–0.83，p < 0.01）。

4.4 预测功能潜力

FAPROTAX为32%的OTU（4352/13,485）分配了至少一个功能类别。化能异养和好氧化能异养是所有位点最丰富的预测功能（组均值分别为12.9–20.2%和12.1–18.6%）。光养相关类别在Cyanobacteriota丰富的位点最高，与温度（ρ = 0.57）和盐度（ρ = 0.52）正相关。

预测的氮循环功能与SGD关联最为明确。硝化作用和好氧亚硝酸盐氧化在排放点4-1（分别占读数的6.20%和4.52%）和3-1（6.14%和4.49%）最高，向海位点最低（≤0.02%）。这三项功能在组间差异显著（Kruskal–Wallis检验，p ≤ 0.003），GW组均值（5.07%、3.68%、1.39%）超过Mixed组（1.28%、0.95%、0.33%）和SW组（0.21%、0.15%、0.07%），且与盐度负相关（ρ = ?0.81至?0.84）、与营养盐正相关（ρ = 0.72–0.84）。预测反硝化总体稀少（≤0.30%），但与NO₂^? + NO₃^?（ρ = 0.57）和PO₄^3?（ρ = 0.77）正相关。预测固氮在GW组较高（0.30% vs. 0.07%，p = 0.034）。

发酵和纤维素分解呈相反趋势。发酵在对照位点5-1（6.21%）和5-2（6.12%）最丰富，均值从GW组（1.20%）经Mixed组（2.03%）向SW组（4.01%）增加（p = 0.004）；纤维素分解呈同样趋势（0.26%→0.51%→0.81%，p = 0.008）。两者均与盐度正相关（ρ = 0.79和0.66）且与营养盐负相关。硫相关功能集中在少数位点：硫化合物呼吸和硫酸盐呼吸在位点3-4（11.8%和11.6%）和3-5（11.0%和9.3%）最高。

五、讨论与结论

讨论部分总结

讨论部分指出，SGD是肚子坪沿海水化学的主导控制因素，排放点营养盐浓度远超向海边缘，且营养盐组成受当地地质和人为条件影响——琉球屿以硝酸盐为主导氮形态，硅酸富集指向石灰岩含水层的岩源而非人为废水，这与北爪哇和莫比尔湾的SGD系统形成对比。营养盐化学计量比显示GW组和Mixed组N:P远超Redfield比，但排放点磷酸盐浓度仍较高；向海方向磷酸盐被不成比例地去除（可能通过碳酸盐矿物吸附或共沉淀），进一步推高了中间盐度区的N:P比。珊瑚礁平台仅缓冲了部分SGD营养盐负荷，同时将化学计量比推向强烈富氮状态。

群落层面，GW组与SW组的微生物群落显著分化，GW富集的科（Burkholderiaceae、Nitrospiraceae、Microscillaceae、Thermoanaerobaculaceae、Kiloniellaceae、Nitrosomonadaceae、Pseudomonadaceae）多为淡水或低盐环境典型类群，其富集反映地下水影响而非当地海洋条件。FAPROTAX预测显示GW组硝化相关功能富集、SW组发酵和纤维素分解功能富集，表明沿SGD梯度存在从氮转化向异养分解的功能转变。Woeseiaceae虽无组间丰度差异，但与磷酸盐和预测硝化功能正相关，这是首次在琉球屿报道该关系。Sulfurovaceae和Thiovulaceae仅在单一混合盐度位点（3-4）富集，可能反映淡水–海水混合带局部有机质积累形成的瞬时还原微环境。Mixed组未表现出α多样性升高，不支持经典边缘效应，而是作为反应性界面存在。与北爪哇和莫比尔湾SGD系统的比较表明，虽然盐度和营养盐梯度普遍介导SGD对微生物群落的影响，但生态结果取决于局部基质、氧化还原条件和地下水化学特征。

结论翻译

研究人员研究了琉球屿肚子坪的潮间带礁坪，将其作为SGD形成清晰生物地球化学和生态梯度的场所。地下水渗流输送的NO₂^? + NO₃^?、磷酸盐和硅酸浓度远超周围海水。营养盐化学计量比从向海边缘低于1的N:Si比转变为排放点附近的富氮条件。尽管排放点附近N:P比偏高，磷酸盐浓度仍保持较高水平，体现了SGD显著的营养盐输送能力。然而，沿混合梯度，磷酸盐的消耗程度超过保守混合预期，进一步提高了中间盐度区的N:P比。

底栖微生物群落对这些梯度表现出明确的组成和功能响应。Pseudomonadota和Bacteroidota在所有区域占优势，但科级组成沿梯度分化。Nitrospiraceae、Nitrosomonadaceae、Burkholderiaceae和Pseudomonadaceae在排放点富集，与其在硝化、亚硝酸盐氧化及推定反硝化（依据分类学归属推断）中的角色一致。其丰度与溶解态营养盐呈正相关，预测的好氧氨氧化和亚硝酸盐氧化也在SGD影响的沉积物中富集。相反，Halieaceae、Xenococcaceae及其他低营养环境特征类群在向海边缘最为丰富。Woeseiaceae在组间无显著丰度差异，但其分布与磷酸盐浓度及预测硝化功能群呈正相关。据研究人员所知，这是首次在琉球屿报道该关系。

研究结果表明，肚子坪的SGD建立了独特的海水化学梯度，该梯度与底栖微生物群落组成及其预测功能潜力的变化紧密关联。由于功能谱系基于16S rRNA分类学推断，未来需要结合功能基因定量和原位速率测定的多时间尺度研究，以阐明潮汐和季节周期中的生物地球化学动态。