人为施加的营养物质排放以及与台风引发的径流相关的人工沿海湖泊中微生物群落的变化

《Marine Pollution Bulletin》：Anthropogenic nutrient discharge and microbial community shifts associated with typhoon-driven runoff in an artificial coastal lake

　　

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  台风带来的径流将人为营养物质带入了一个人工湖中。
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  多同位素示踪剂揭示了降雨后硝酸盐和颗粒有机物的来源变化。
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  eDNA宏条形码分析揭示了微生物群落的快速重组。
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  径流期结束后，群落组成向植物浮游生物的影响增大。
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  结合使用同位素和eDNA技术可以对生态系统进行事件级别的诊断。

引言

河口和沿海生态系统是生物地球化学相互作用最活跃的区域之一，在这些系统中，陆地过程和海洋过程通过有机物质（OM）和营养物质的传输紧密相连。在这些地区，水化学性质（如有机碳和无机营养物质）以及生物多样性的时空变化在很大程度上取决于来自不同土地利用类型的有机物质和营养物质的排放（Jani和Toor，2018；Lu等人，2022；Ye等人，2018）。特别是，由于道路尘埃、污水和燃烧产物等来源的人为营养物质和有机物质在强降雨期间被输送到水生系统中，会引发生物地球化学元素化学计量比、吸收和再矿化过程的显著扰动（Kim等人，2024；Oehler等人，2021；Ye等人，2018；Yang等人，2021）。这些突然的生物地球化学扰动常常通过水生食物网传播，最终导致水质恶化和生物多样性下降，表现为富营养化、有害藻类大量繁殖以及生态系统恢复力的减弱（Bouwman等人，2013；Lee等人，2018b；Martínez等人，2007；Seitzinger，2008）。因此，在极端天气事件（如台风）频发的情况下，要准确诊断人为营养物质和有机物质的输入及其生态后果，不仅需要检测浓度变化，还需要有效追踪其来源及其生态响应。尽管关于人为营养物质和有机物质富集的生态后果（如富营养化、缺氧和群落组成变化）已有大量文献记录，但我们对外部输入的有机物质如何被水生微生物食物网吸收、转化和传输的机制理解仍然相对有限（Canuel和Hardison，2016）。这种不确定性主要源于河口系统中复杂的有机物质来源和年龄混合，这阻碍了我们对颗粒物和微生物组分中有机物质处理路径及硝酸盐吸收过程的解释，尤其是在短时强降雨事件之后。

稳定同位素已成为区分有机物质和营养物质来源、以及研究它们在水生生态系统中的转化和营养级转移的核心工具（McCallister等人，2006；Sánchez-Carrillo和álvarez-Cobelas，2018）。此外，生物地球化学过程（如吸收、硝化、反硝化和有机物质降解）伴随着可预测的同位素组成变化，这种变化被称为同位素分馏，可以提供自然来源（如浮游生物、陆地土壤和C₃植物）和人为来源（如污水、化肥和道路尘埃）进入水柱的特征（Barros等人，2010；Kramer等人，2003；Lerch等人，2011；Meckenstock等人，2004；Vizzini等人，2005）。此外，利用同位素的独特来源特征，贝叶斯混合模型可以估算每种来源对环境混合物的相对贡献。在这方面，硝酸盐和有机物质的稳定同位素组成可以有效用于水生环境中的污染物来源追踪。然而，尽管稳定同位素特征对于追踪污染物来源和生物地球化学过程非常有效，但它们只能间接反映生物群落结构和生态系统动态对人为营养物质和有机物质输入的响应程度（Ferrier-Pagès和Leal，2019；Layman等人，2007；Lee等人，2018a）。为了直接解析生物对物理化学因素的响应，还需要独立的生物指标来指示群落结构。

传统上，水生微生物多样性的分析依赖于对形态特征的微观观察（Komárek和Anagnostidis，1998）。虽然细胞大小、形状以及鞭毛或纤毛的存在是关键的识别特征，但当细胞受损、形态异常或数量较少时，这种方法的效果有限。此外，研究结果也会因研究者的专业水平而大不相同。而且，基于传统的显微镜调查只能分析少量的样本，这对其代表性和可扩展性提出了质疑。环境DNA（eDNA）是指生物体释放到周围环境中的遗传物质，它为生物多样性评估提供了基于分子的框架（Taberlet等人，2012；Bohmann等人，2014）。由于eDNA能够捕获周围环境中的生物体遗传信号，因此比传统的基于细胞的方法能够更全面地检测生物组合（Thomsen和Willerslev，2015）。因此，将分子群落分析与基于同位素的来源追踪相结合，可以提供关于营养物质来源和生态系统对偶发环境扰动响应的互补见解。

在这项研究中，我们追踪了受工业和住宅用地扩张影响的高度城市化的人工沿海湖泊Sihwa湖中硝酸盐和颗粒有机物质（POM）的命运。我们的主要目标是（1）描述水化学参数和稳定同位素组成的时空变化，（2）确定台风期间转移的硝酸盐和POM的来源并评估其相对贡献，（3）利用基于eDNA的分析方法识别外部输入的营养物质和有机物质如何被水生微生物和浮游生物群落吸收和反映。基于这些方法，我们旨在阐明极端天气条件下营养物质、POM和微生物生态系统响应之间的耦合关系。

章节摘录

站点信息

为了比较台风对陆地营养物质来源（自然和人为）输入、POM贡献以及Sihwa湖系统中微生物群落的影响，我们从代表性土地利用类型的流域和湖泊环境中采集了地表水样本（湿地=N；城市=U；工业区=I；湖泊=S；开阔海域=M）（图1b和补充信息表S1）。根据之前在该研究区域的研究，每个流域站点（N、U和I

水文物理化学参数的时空变化

为了识别台风期间陆地有机物质和营养物质向Sihwa湖的传输，分析了水文物理化学性质的时空变化并进行比较（图2和补充信息表S2）。水温（台风前24.5±1.8℃；台风后29.1±1.7℃）、pH值（台风前8.0±0.5；台风后6.9±0.5）和盐度（台风前15.4±12.1 ppt；台风后12.8±11.4 ppt）显示出时空异质性

土地利用类型和台风对水化学性质的影响

水文化学性质的时空变化显示了流域（N、U和I）与湖泊（S和M）区域之间的显著差异（图2），这与受人为影响的半咸水系统的陆地-海洋梯度一致（Kim等人，2024；Kim等人，2025）。台风之前，靠近潮门的湖泊外层区域的颗粒物参数（如SPM和Chl-a）通常较高，而溶解组分浓度（DOC、DTN和营养物质）则

环境影响

位于城市化和工业化流域内的人工沿海湖泊特别容易受到偶发性径流事件的影响，这些事件会迅速释放人为营养物质并改变生态系统功能。我们的研究发现表明，强烈的降雨和台风驱动的淡水流入可以重新分配营养物质来源，并引发这些系统中微生物群结构的快速变化。在这项研究中，稳定同位素分析显示台风引发的径流改变了

CRediT作者贡献声明

Seung-Hee Kim：撰写——初稿、方法学、研究、数据管理、概念化。Keonhee Kim：验证、研究、数据管理。Min-Seob Kim：方法学、数据管理。Dong-Hun Lee：撰写——初稿。Eun-Ji Won：撰写——审稿与编辑、资金筹集、概念化。Kyung-Hoon Shin：撰写——审稿与编辑、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的Financial interests或个人关系可能影响本文的报告。

致谢

本工作得到了安山绿色环境中心（编号：23-07-02-30-33）、由韩国政府（Ministry of Science and Information Technology）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（编号：RS-2025-02263830）以及由韩国海洋科学技术院（KIMST）（编号：RS-2022-KS221655）的支持。

Seung-Hee Kim|Keonhee Kim|Min-Seob Kim|Dong-Hun Lee|Eun-Ji Won|Kyung-Hoon Shin