关于Ulva prolifera绿潮期间沿海空气中微生物群落响应模式及其环境驱动因素的初步研究

《Atmosphere》：A Preliminary Study of Response Patterns and Environmental Drivers of Coastal Airborne Microbial Communities During an Ulva prolifera Green Tide

　　

沿海绿潮可能通过耦合的海洋、大气和气象过程改变近岸生物气溶胶，但其对空气微生物群落的影响仍不明确。研究人员于2019年浒苔（Ulva prolifera）绿潮五个阶段（水华前：4月19日；水华初期：6月15日；水华中期：7月15日；水华末期：8月6日；水华后：8月30日）在中国青岛鳌山湾采集大气样品；并在每个采样日期于一个近岸点位采集海水样品，仅对水华中期（7月15日）和水华末期（8月6日）进行微生物测序。研究人员对细菌和真菌群落进行了表征；尽管生物气溶胶可能还包含微藻和病毒，但本研究仅针对细菌和真菌组分，采用细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌内转录间隔区（ITS2）扩增子测序，并结合气象变量、空气污染物浓度和72小时反向气团轨迹进行分析。变形菌门（Proteobacteria）在空气细菌群落中占主导地位（81.28–97.83%），其中鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）是最丰富的属（47.85–89.84%）。担子菌门（Basidiomycota）和子囊菌门（Ascomycota）在真菌群落中占主导地位，而隐球菌属（Cryptococcus）和链格孢属（Alternaria）是主要真菌属。群落丰富度和组成在不同水华阶段发生变化。壶菌门（Chytridiomycota）在水华前未被检测到（0%），水华发生后出现，并在水华中期达到最高相对丰度（8.19%）。空间格局表明存在陆源和海源的共同影响，尽管海水和空气中细菌群落高度不相似。温度、相对湿度、颗粒物、臭氧和气团来源与微生物多样性和组成的变化相关。这些发现为大型藻类绿潮期间沿海生物气溶胶动态提供了观测基线，并将有害藻华-生物气溶胶文献（主要集中于蓝藻水华）扩展至大型绿藻。细菌和真菌表现出对比性的环境响应：细菌丰富度随温度升高而增加，而真菌多样性则下降。真菌在海水和空气之间的组成相似性高于细菌，表明海-气界面存在差异性的环境过滤，并暗示多种源途径——直接气溶胶化、海面释放和原位大气产生——可能分别塑造这两个域。鉴于每阶段单日期采样设计、缺乏测序的实验室污染对照以及缺乏绝对丰度数据，这些结果应被视为初步和假设生成的，并强调未来评估水华-大气相互作用时需要进行ASV水平源追踪、受控舱室实验和重复多年设计。

**论文解读：浒苔绿潮期间沿海空气微生物群落响应模式及环境驱动因素的初步研究**

**研究背景与问题**

沿海地区的有害藻华（HABs）不仅影响海洋生态系统，还可能通过海-气交换过程改变近岸生物气溶胶的组成与浓度。生物气溶胶含有细菌、真菌、病毒等微生物，对大气化学、云凝结核形成及疾病传播具有重要影响。目前，关于蓝藻水华对生物气溶胶影响的研究已有一定积累，但大型绿藻（如浒苔Ulva prolifera）绿潮如何影响空气微生物群落仍知之甚少。自2007年以来，黄海频繁发生大规模浒苔绿潮，覆盖面积可达数百平方公里，其生长与分解过程释放大量溶解有机质和营养盐，重塑海洋微生物群落，并可能通过气泡破裂等机制将微生物从海面转移到大气中。然而，绿潮不同阶段（水华前、初期、中期、末期、水华后）对沿海空气微生物群落组成、多样性及环境驱动因素的系统研究尚属空白。本研究旨在填补这一空白，为理解绿潮-大气相互作用提供初步观测基线，并扩展有害藻华生物气溶胶研究的范畴。

**研究内容与结论**

研究人员在2019年浒苔绿潮的五个阶段（水华前：4月19日；水华初期：6月15日；水华中期：7月15日；水华末期：8月6日；水华后：8月30日），于青岛鳌山湾沿线设置三个大气采样点（距海岸线0 km、1 km、2 km），并在每个采样日期于近岸一个点位采集海水样品。对大气样品（五个阶段）和海水样品（仅水华中期和末期）进行细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌ITS2扩增子测序，并结合现场气象观测、空气污染物浓度及HYSPLIT 72小时反向气团轨迹分析。主要结论包括：1）空气微生物群落组成随绿潮阶段变化，细菌中变形菌门（Proteobacteria）占绝对优势（81.28–97.83%），鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）为最丰富属（47.85–89.84%）；真菌中担子菌门（Basidiomycota）和子囊菌门（Ascomycota）为主，隐球菌属（Cryptococcus）和链格孢属（Alternaria）为主要属。2）壶菌门（Chytridiomycota）在水华前未检出，水华发生后出现，并在水华中期达到最高相对丰度（8.19%），提示其可能作为绿潮影响的指示类群。3）海水与空气细菌群落高度不相似，但真菌群落有更多共享属，表明真菌的海-气转移更活跃。4）温度、相对湿度、PM_2.5、臭氧（O₃）、二氧化氮（NO₂）及气团来源与微生物多样性变化相关，且细菌和真菌对环境因子的响应相反：细菌丰富度随温度升高而增加，真菌多样性则随温度升高而下降。该研究为大型绿藻绿潮期间沿海生物气溶胶动态提供了初步观测基线，并揭示了真菌在绿潮-大气相互作用中的潜在重要性。

**主要技术方法**

本研究采用的主要关键技术方法包括：1）高通量扩增子测序：对细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS2区域进行Illumina NovaSeq PE250平台测序，通过DADA2推断扩增子序列变异（ASVs），并基于SILVA 138（细菌）和UNITE 8.3（真菌）数据库进行物种注释。2）环境数据采集：从气象站获取每日平均温度、相对湿度、气压等数据；从山东省生态环境监测平台获取PM_2.5、PM₁₀、NO₂、CO、SO₂及O₃浓度；利用CTD剖面仪测定海水温度、盐度，荧光分光光度法测定叶绿素a，总有机碳分析仪测定溶解有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC），流式细胞术测定蓝藻丰度。3）气团轨迹分析：使用NOAA HYSPLIT模型，基于NCEP/NCAR再分析气象数据（2.5°×2.5°分辨率），计算每个采样日期50 m、500 m和1000 m起始高度的72小时反向轨迹。4）统计与生物信息学分析：利用QIIME 2进行α多样性（Chao1、Shannon、Simpson指数）和β多样性（PCA、PCoA、PERMANOVA）分析；使用Spearman秩相关评估环境变量与多样性的关联；采用计算去污染策略（基于Salter等[33]的试剂污染物清单）对低生物量样品进行质量控制。

**研究结果**

**3.1 沿海空气微生物群落的时间动态**
**3.1.1 细菌群落结构**：通过α多样性分析发现，细菌Chao1丰富度呈单峰变化：水华前最低（35），水华初期最高（486.09），随后下降，水华后回升（262.55）。Shannon和Simpson多样性指数在水华后最高。主成分分析（PCA）显示水华初期样品与其他阶段明显分离。变形菌门（Proteobacteria）在所有阶段占主导（81.28–97.83%），水华前相对丰度最高，随后下降。属水平上，鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）占47.85–89.84%，链球菌属（Streptococcus）和卟啉单胞菌属（Porphyromonas）在水华中期后出现并增加。
**3.1.2 真菌群落结构**：由于水华末期大气真菌文库测序深度不足，仅分析四个阶段。真菌Chao1丰富度在水华前、初期和水华后较高（111、113、93），水华中期最低（41）。Simpson指数变化范围窄（0.76–0.82）。水华后样品在PCA中与其他阶段分离。壶菌门（Chytridiomycota）在水华前未检出，水华初期出现（0.24%），水华中期达到峰值（8.19%），水华后降至0.70%，与绿潮发展时间吻合。属水平上，隐球菌属（Cryptococcus）和链格孢属（Alternaria）在所有阶段占主导，马拉色菌属（Malassezia）和乳菇属（Lactarius）在水华中期相对丰度升高。

**3.2 陆源和海源对沿海空气微生物的影响**
**3.2.1 沿海断面的空间分布**：水华中期，细菌Chao1丰富度在1 km处最高（418.56），均匀度也最大。陆源相关属（如甲基杆菌属Methylobacterium、玫瑰单胞菌属Roseomonas、不动杆菌属Acinetobacter）的相对丰度随距海岸线距离增加而升高，而海源相关属（鞘脂单胞菌属Sphingomonas、新鞘脂菌属Novosphingobium）则下降。真菌中，Spizellomyces和Petromyces仅在海岸线位点检测到，提示局部近岸源。
**3.2.2 海-气交换**：水华中期海水细菌群落以变形菌门（61.44%）、拟杆菌门（Bacteroidetes，27.34%）、蓝细菌门（Cyanobacteria，7.68%）为主，优势属（HIMB11、Polaribacter、Marinobacterium）在空气中未检出；而空气中占主导的鞘脂单胞菌属在海水中的相对丰度≤0.02%。真菌群落中，海水和空气共享更多属，链格孢属（Alternaria）在两种环境中均丰富，Petromyces仅在海水和海岸线空气中出现。

**3.3 环境因子对微生物群落结构的调控**
**3.3.1 气象变量和空气污染物**：Spearman相关性热图显示，细菌Chao1丰富度与温度正相关（r=0.72，n=5），与相对湿度负相关（r=-0.68至-0.54）。PM_2.5与Chao1丰富度正相关，但与Shannon多样性负相关。NO₂与所有三个细菌α多样性指数正相关，O₃负相关。真菌多样性（四个分析阶段）与气压正相关，与温度、湿度、PM_2.5、PM₁₀、O₃、CO、NO₂负相关。由于单日期设计，温度、湿度、污染物、季节和水华阶段存在共线性，这些相关性为描述性，需谨慎解读。
**3.3.2 气团输送**：HYSPLIT 72小时轨迹显示，水华前气团主要来自西北俄罗斯经东北中国；水华中期近地面气团相对停滞；水华末期气团主要来自海洋；水华后气团来自东北中国。这些变化与微生物群落组成变化一致，例如水华末期海洋气团涌入时细菌丰富度下降。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究基于单日期采样的探索性设计，无法将绿潮效应与季节、气象和气团变化分离，结果应视为假设生成性。壶菌门（Chytridiomycota）的时间模式与绿潮发展一致，但需进一步验证。鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）在空气中的持续优势可能反映其抗逆性强和大气存活能力。海水与空气细菌的强烈不相似性提示多种源途径（直接气溶胶化、海面释放、原位大气产生）的可能性。空间梯度显示陆源和海源混合影响。环境关联分析受限于样本量和共线性，但方向性一致于已知生物气溶胶动力学。研究局限性包括：单日期设计、缺乏阶段内重复、缺乏测序污染对照、海水样品仅覆盖部分阶段、仅相对丰度数据、以及缺乏溶解氧、pH和营养盐数据。未来需开展多年重复观测、绝对定量、ASV源追踪、受控实验和污染控制。

**研究结论**（翻译原文结论部分）：
本研究记录了浒苔（Ulva prolifera）绿潮五个阶段沿海空气细菌和真菌群落的时间和空间变化。主要观测结果如下：空气微生物群落组成在五个采样日期及海岸线至内陆断面间存在变化。空气壶菌门（Chytridiomycota）丰度与绿潮进程的时间巧合提示可能的绿潮相关源，但单日期设计无法分离绿潮效应与同期季节、气象和气团变化。真菌群落比细菌群落表现出更高的海水与空气之间的分类重叠。优势空气细菌属鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）在海水基本缺失，而海水优势属在空气中未检出，表明两种环境间存在强烈组成不相似性。海岸线至内陆梯度显示可能的海源相关属下降、陆源相关属增加，变化距离为2 km。温度、湿度、O₃、NO₂和气团来源与微生物多样性变化相关；然而，鉴于这些因素间的共线性及采样阶段数量少（n=5），这些关联为描述性和假设生成性。这些发现为大型藻类绿潮期间沿海生物气溶胶动态提供了观测基线——将有害藻华-生物气溶胶文献（主要集中于蓝藻水华）扩展至大型绿藻——并突出了真菌比细菌在海水和空气之间具有更高的组成相似性。鉴于每阶段单日期设计、缺乏定量生物量和绝对微生物丰度数据以及缺乏污染对照，当前结果应视为初步结果。建立绿潮与空气微生物群落之间的因果联系需要多年度、重复设计、绝对定量、源追踪方法以及适当的污染对照。