南海局地溶解氧反转剖面中细菌与微型真核浮游生物群落的耦合更替

《Journal of Marine Science and Engineering》：Coupled Bacterial and Microeukaryotic Community Turnover Across a Localized Dissolved Oxygen Reversal in the South China Sea

　　

垂直环境梯度在构建海洋微生物群落中具有重要作用，但微生物对垂直环境剖面中局地反转的响应仍缺乏充分解析。研究人员在南海北部G4站（18.02°N，117.98°E）5至250 m间10个深度采集样品，并在122至163 m局地次表层溶解氧（DO）反转区加密采样。连续CTD观测确认该区间局地DO–深度梯度发生反转。细菌和微微型真核生物丰度在深叶绿素a最大层（DCM）达到峰值，而细菌与微型真核群落多样性和组成均呈现明显深度相关变化。多元分析显示群落变异与温度、盐度、密度、营养盐及叶绿素a构成的更宽垂直环境梯度相关联，在控制深度后DO未表现出独立关联。细菌与微型真核群落仍呈现广泛一致的垂直更替。分类学上，表层水以蓝细菌纲（Cyanobacteriia）和甲藻纲（Dinophyceae）贡献较高，深层组合中γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、 syndinian目（Syndiniales）、多孔虫纲（Polycystinea）及其他次表层类群比例上升。上述结果表明，局地DO反转发生于更宽的垂直环境过渡带内，并伴随细菌与微型真核群落结构的协同变化。

研究背景与立项依据：溶解氧（DO）是反映物理通风、生物生产及呼吸消耗平衡的关键海洋环境参数，其垂直分布受环流、混合、有机物再矿化及微生物呼吸共同调控。南海作为西太平洋最大边缘海，具有强垂直层化及温盐、营养盐、叶绿素a与DO的显著梯度，既往研究多关注宽泛垂直分区、季节或水平变异，对单一水柱内局地DO梯度反转剖面中微生物群落的精细更替尚缺乏认识。研究人员假设若局地DO反转独立于更宽垂直梯度，则控制深度后DO仍应与群落组成显著相关；反之群落更替主要由层化驱动。本研究据此在南海北部G4站开展单站垂直剖面观测，旨在定量验证局地DO反转、评估环境因子与16S及18S群落关联、检验跨域群落更替一致性并识别分类贡献类群。

主要技术方法：研究基于2023年9月“东方红3”号航次在G4站（水深约3896 m）获取的连续1 m分辨率CTD剖面，选定5、64、105、122、127、132、153、158、163及250 m共10个深度，其中122–163 m为包围局地DO极小（128 m）与极大（157 m）的加密采样区间。微生物分析采用流式细胞术计数细菌与微微型真核生物丰度；群落组成通过2 L海水经200 μm筛网后0.2 μm聚碳酸酯膜过滤，提取基因组DNA，分别扩增细菌16S rRNA基因V4–V5区（引物515F-Y/926R）与微型真核生物18S rRNA基因V4区，Illumina HiSeq 2500双端250 bp测序，DADA2流程生成扩增子序列变体（ASV）并以SILVA 138数据库注释，按17816（16S）与9069（18S）读数稀疏化。统计分析在R中进行，包括基于Bray–Curtis相异度的NMDS（非度量多维尺度）、envfit环境拟合、dbRDA（距离冗余分析）及偏dbRDA分离深度与DO贡献、Procrustes/PROTEST与Mantel检验跨域一致性、Newey–West异方差自相关一致标准误验证DO–深度分段斜率。

研究结果：

3.1 垂直环境结构与局地DO反转：CTD剖面显示温度由5 m的30.11℃降至250 m的12.76℃，盐度与潜在密度异常（σ₀）随深度增加，硝酸盐/硅酸盐抬升，叶绿素a于64 m达DCM。DO整体随深度下降但在128 m出现局地极小（2.75 mL L^?1）、157 m回升至极大（3.17 mL L^?1）；105–128 m斜率为?0.00353 mL L^?1 m^?1，128–157 m为+0.01566 mL L^?1 m^?1，Newey–West滞后1–5检验方向不变，确认局地梯度反转。

3.2 细菌与微微型真核丰度垂直分布：细菌丰度1.24×10⁵–1.94×10⁵ cells mL^?1，64 m最高，250 m最低；微微型真核5.75×10²–2.74×10³ cells mL^?1，同于64 m峰值。127 m与158 m间丰度差异有限，整体垂直跨度变化远大于局地DO反转两焦点深度间差异。

3.3 α多样性：细菌Chao1在5 m最低，向次表层升高，158 m达520.3，Shannon于153 m最高；微型真核Chao1在122 m（691.4）与153 m（682.2）较高，127 m与158 m间差异温和。两域α多样性在加密区间多个深度维持高位，未因局地DO反转出现突变。

3.4 分类组成垂直变化：细菌中α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）全剖面富集（64 m占50.8%），蓝细菌纲由5 m48.5%降至250 m0.17%，γ-变形菌纲由5 m3.9%升至158 m21.2%；SAR324、Marinimicrobia（SAR406）随深度增加。微型真核中甲藻纲表层占68.4%（5 m）降至深层16–27%，Syndiniales在127 m达28.3%，多孔虫纲由5 m约0.5%升至163 m30.0%。表层以光合/蓝菌为主，深层以异养/寄生/放射虫类群替代。

3.5 环境协变与深度相关结构：深度与温度ρ≈?1.00、与σ₀ρ≈1.00、与硅酸盐ρ≈0.99、与叶绿素aρ≈?0.96；DO在10个采样深度与深度ρ≈?0.05。PCA前两轴解释92.50%变异，PC1为宽垂直梯度。NMDS中细菌配置压力0.033、微型真核<0.001，envfit显示盐度、温度、深度、硅酸盐、硝酸盐对两域均显著（BH校正后），DO不显著（16S p≈0.325，18S p≈0.126）。

3.6 深度与DO相对贡献：偏dbRDA表明细菌中深度独特调整R²=0.194（p=0.0038），DO控深后不显著（0.028，p=0.2728）；微型真核深度独特0.109（p=0.0117），DO控深后0.035（p=0.1891）。联合模型VIF≈1.16，排除共线性导致DO非显著，确认DO无独立解释力。

3.7 两域更替一致性：对称Procrustes分析r=0.8503（PROTEST p=0.0002），Mantel ρ=0.8374（p=0.0001），PCoA-Procrustes r≈0.868，证明细菌与微型真核全群落配置随深度协同转动。

3.8 主导ASV与差异贡献：Top25 ASV仅占约32%序列，但子集矩阵与全矩阵Mantel ρ>0.94。5 m vs 127/158 m细菌差异由Cyanobiaceae、SAR11 Clade I/II主导；250 m对比涉及Alteromonadaceae、Thioglobaceae等；127 vs 158 m差异较小，由Cyanobiaceae、Alteromonadaceae、SAR324等贡献。微型真核5 m对比以Dinophyceae、Spumellaria、Syndiniales为主，127 vs 158 m仅少量Dinophyceae、Spumellaria、RAD A变动。

讨论浓缩：局地DO反转嵌于强层化、温降、密升、营养盐增、叶绿素a聚DCM的宽垂直结构中，单剖面无法归因至水团入侵或内波等特定物理机制。偏dbRDA证明微生物更替主要跟踪深度相关环境梯度而非DO本身。细菌垂向演替表现为蓝菌（Cyanobiaceae）上层丢失、SAR11广布、γ-变形菌与Alteromonadaceae深层提升、SAR324与Marinimicrobia subsurface适应；微型真核由甲藻表层优势转为Syndiniales寄生类与多孔虫纲放射虫深层富集，属深度生态位分化。两域Procrustes一致反映共享环境响应而非证明直接种间互作，小样本（n=10）无测序生物学重复，故限制为高维网络推断。研究局限为单站单航次、未测PAR（光合有效辐射）、DOC（溶解有机碳）、细菌生产、感染率与 grazing，不能因果指派DO或光。

结论翻译：本研究在G4站层化上层水柱中定量验证了垂直DO梯度局地反转，并检视其围区微生物群落更替。全群落分析一致显示细菌与微型真核组成跟踪更宽深度相关环境梯度：控制DO后深度仍保留显著独特解释力，而控制深度后DO未解释显著额外变异。同时两域群落配置高度一致，支持跨域协同垂直更替。分类变化体现为表层富集蓝细菌纲与甲藻纲下降，γ-变形菌纲、Syndiniales、多孔虫纲及其他次表层谱系贡献上升。因此局地DO反转宜视为微生物随之变更的垂向环境结构中的显著组分，而非被独立证实的驱动因子。需 replicated空间与时间剖面以判定该格局在南海的持续性、物理起源与更广生态意义。论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。