核心浮游植物指数（Core Phytoplankton Index, CPI）及其环境DNA（environmental DNA, eDNA）混合体用于评估塞浦路斯高盐湖泊水质

《Ecological Informatics》：The Core Phytoplankton Index (CPI) and its eDNA hybrid to assess the water quality of hypersaline lakes in Cyprus

　　

盐碱湖是具有独特类型的系统，承载特化的耐盐生物多样性，使其生态水质评估颇具挑战。本研究实施一套可扩展至其他内陆水体类型的三步流程，构建基于显微镜的新型核心浮游植物指数（Core Phytoplankton Index, CPI）及互补的基于eDNA的混合指数（eDNA-based Bloom Potential Index, eBPI），二者均用于评估高盐湖泊的生态状态。CPI的浮游植物采样于2019–2024年进行，eDNA指数采样于2023年12月–2024年5月。两个指标的量度选择基于理论基础，继而确定各量度的类型特异性参考值与等级边界，最后基于既有数据集及本研究新生成数据对指数进行评估。基于显微镜的CPI包含总浮游植物生物量与新型水华发展量度，提供不依赖任意绝对阈值的连续测度，并加入优势度惩罚量度以生成指数值与代表五类的生态质量比率（Ecological Quality Ratio, EQR）。eDNA水华潜势指数（eBPI）在将代谢条形码SSU rRNA基因拷贝数按分类单元大小校正后构建，并将浮游植物操作分类单元（Operational Taxonomic Units, OTUs）优势度（即相对读数数）锚定至总浮游植物生物量。高通量代谢条形码测序在指数构建中的应用使得大量OTUs（包括隐秘与不可鉴别分类单元）得以检出。两指数均针对五湖的总磷（Total Phosphorus, TP）数据评估，并相互交叉参照，表明跨方法在边界评估上一致，支持监测工具潜在协调化。

研究背景方面，内陆高盐临时湖泊受盐度剧烈波动、水文间歇及自然变异性强等特征制约，直接套用淡水湖泊以水框架指令（Water Framework Directive, WFD）为基础的浮游植物指数存在偏差；同时盐度胁迫抑制藻类生长与营养盐吸收，传统叶绿素a或生物量–TP关系失效，且显微镜法难以识别微微型与隐秘分类单元。为填补地中海生物地理区自然高盐湖生态评估空白，研究人员提出并验证一套可扩展的三步法：先依理论筛选量度，再定类型特异性参考与五类边界，最后用独立数据评估。论文发表于《Ecological Informatics》，意义在于首次为高盐临时湖建立WFD兼容的浮游植物多量度CPI及其eDNA混合版eBPI，并实现跨方法边界对齐。

关键技术方法上，研究人员以塞浦路斯五座自然高盐临时湖（Larnaka Main、Orfani、Soros、Aerodromiou 2、Akrotiri）2019–2024年单点最深处水样为队列，显微镜侧用Lugol固定沉淀镜检测算总浮游植物生物量（Total Biomass, TB）与基于个体体积–最大密度关系的新型水华发展量度（Bloom Development, BD），并以单分类单元生物量占比>50%且年内持续的优度度（Dominance, D）作惩罚标志；分子侧对0.2 μm滤膜eDNA并行扩增16S V3–V4（蓝细菌）与18S V4（真核藻类），经mothur去嵌合、SILVA/PR2注释得OTU表，按Godhe等对数–对数方程以细胞体积校正SSU rRNA拷贝数偏倚，将OTU相对读数锚定至镜检TB，构建eBPI=优势度×log细胞体积×logTB。统计采用Spearman、GLM与EQR clipping至1。

研究结果各节要点如下。研究湖泊节指出五湖长期盐度中位>35 PSU，属广义高盐型，单点深位采样具时间一致性。采样与环境参数节说明TP仅在2023.12–2024.5经高盐质控后纳入，eDNA样品冰运–20 ℃保存。显微镜分析节强调同一观察者沉降室倒镜法测体积。分子鉴定节给出引物与聚类（97%相似OTU）、负对照无读数、16S+18S整合子抽样。数据分析节述及盐度与生物量无显著相关，TP为关键预测因子，并采用对数转换与GLM。指数开发–相关工作中指出尚无WFD兼容高盐湖浮游植物指数。CPI理论基与量度选择节阐明选TB（承载量）、BD（基于Agustí等y=10^9.04x^–1.27密度–体积律并乘1/100自然折减）、D（惩罚旗标而非富营养主量度）三准则。CPI构建节以2019–2023数据15分位为参考（TB参比0.13 mg L^–1，BD参比0.022），五类边界TB取0.2/0.5/1.5/5.0 mg L^–1，BD取0.04/0.16/0.64/2.4，CPI=(EQR_TB+EQR_BD)/2，D高且持续则降一级。eDNA混合指数节先证镜检与代谢条形码在高分类阶元Bray–Curtis Mantel r=0.65（p<0.01）吻合，经拷贝数校正后蓝细菌贡献上升、甲藻下降；eBPI以高分类组相对读数>50%为优势，组内>80%代表种体积V，eBPI=(D×logV)×logTB，参考值2.76、边界3.58/4.42/6.58/8.62（分位法）。指数评估节显示CPI两量度与logTP显著正相关（TB ρ=0.60，BD ρ=0.66；GLM β_TB=1.62，β_BD=3，均p<0.001），CPI_EQR随logTP下降；eBPI与logTP ρ=0.75（β=7.1，p<0.001），eBPI_EQR与CPI_EQR显著相关；2024独立年数据五湖评级良至差，Orfani因D惩罚由良降中，两指数跨边界一致，LOOCV按湖留一重算阈值仍复现原级。

讨论与结论翻译总结：CPI整合TB、BD与非冗余的D惩罚，克服高盐湖低丰富度下纯组成法局限，BD以理论最大密度归一化提供不依赖任意阈值的水华连续测度；eBPI经SSU拷贝数–体积校正与TB锚定，使eDNA可读数与生物量量纲打通，检出隐秘OTU且跨方法边界对齐，支持WFD监测中显微镜与eDNA工具协调化。研究人员结论为：三步法可推广至其他内陆水型，CPI与eBPI均为高盐湖富营养压力下WFD兼容生态状态评估提供可操作方案，TP是主导预测变量，盐度不直接驱动生物量而通过生理胁迫调节群落。