《Diversity》：Microbial Diversity and Community Drivers in Caohai Lake (Guizhou, China) Revealed by 16S rRNA Gene Sequencing
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微生物是水环境质量和生态系统稳定性的敏感指示生物。草海湿地是一个典型的亚热带高原喀斯特湿地，在自然与人为双重干扰下正经历生态退化，是中国三大高原淡水湖之一，也是黑颈鹤（Grus nigricollis）沿东亚-澳大利西亚迁飞区的重要越冬栖息地。以往的研究主要集
微生物是水环境质量和生态系统稳定性的敏感指示生物。草海湿地是一个典型的亚热带高原喀斯特湿地，在自然与人为双重干扰下正经历生态退化，是中国三大高原淡水湖之一，也是黑颈鹤（Grus nigricollis）沿东亚-澳大利西亚迁飞区的重要越冬栖息地。以往的研究主要集中在浮游植物、水生植物、鸟类和水环境方面，而对草海微生物群落，尤其是全湖尺度上多因素水环境条件和水生植物对微生物群落的联合调控作用的认识仍然有限。为确定微生物群落的多样性、季节动态及其关键环境驱动因子，研究人员于2022年至2023年四个季度在草海17个采样点采集水样，通过16S rRNA基因测序进行分析，并结合水文物理化学参数以及水生植物生物量和盖度的测定。在获得的1370个ASV（Amplicon Sequence Variant，扩增子序列变异）中，按丰度降序排列的前五个门分别为Pseudomonadota（变形菌门，45.04%）、Bacillota（厚壁菌门，21.75%）、Bacteroidota（拟杆菌门，11.82%）、Actinomycetota（放线菌门，11.09%）和Verrucomicrobiota（疣微菌门，3.65%）。微生物群落表现出显著的季节性变化，丰富度、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数均在秋季显著高于其他三个季节，而在春季最低。相关性分析表明，水温是微生物群落结构的主要驱动因子，而SD（透明度）、EC（电导率）和COD（化学需氧量）也对其产生显著影响；此外，水生植物生物量和盖度被确定为塑造草海微生物群落组成的关键环境因素。本研究提供了基础监测数据，为评估草海湿地生态系统的演变趋势及其保护与管理提供支持。
研究背景与科学问题
草海湿地位于贵州省威宁县，地处乌蒙山脉腹地，是中国最大的构造岩溶湖泊，也是典型的高原喀斯特湿地生态系统代表。作为我国三大高原淡水湖之一，草海不仅拥有丰富的物种资源和完善的系统结构与功能，还处于东亚-澳大利西亚候鸟迁飞区内，为黑颈鹤等珍稀鸟类提供关键的越冬栖息地，对区域生物多样性保护具有重要意义。然而，近年来受人为活动和自然因素的双重影响，草海湿地生态系统平衡与功能遭到破坏，沉水植物减少、湿地面积萎缩，生态系统开始退化。
此前针对草海的研究多聚焦于浮游植物、浮游动物、水生植物、鸟类、水环境及重金属等方面，关于其微生物多样性和群落驱动因子的研究十分有限。尽管近年已有学者探讨了草海沉积物中微生物对人类活动的响应、溶解性有机质与细菌群落的关联以及湖岸土地利用与水化学对微生物碳代谢的调控，但尚缺乏整合季节动态、水生植物影响及多因素驱动机制的全湖尺度的系统性研究。微生物作为淡水生态系统的重要组成部分，数量庞大、组成复杂，对环境变化反应迅速，能够提供生态系统状态与功能的关键信息。因此，探索草海微生物多样性及其群落驱动因子，对于理解生态系统演化趋势、指导草海湿地的保护与管理具有重要的科学意义。
研究方法概述
研究人员于2022年4月、7月、10月和2023年1月在草海设置17个采样点（包括13个湖区点位和4条入湖支流点位），共采集60份水样。采用便携式多参数水质仪现场测定pH、水温（WT）、溶解氧（DO）和电导率（EC），使用浊度计测量浊度（TU）和塞氏盘测定透明度（SD），并依据国家标准方法测定高锰酸盐指数（CODMn）、化学需氧量（COD）、总悬浮固体（TSS）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH??-N）和硝态氮（NO??-N）。水生植物样品在每个采样点周围5米半径内随机布设4个0.2 m2样方，目测估算总盖度后采集全株洗净称量生物量。环境DNA提取采用SDS法，针对16S rRNA基因V3-V4高变区进行PCR扩增，在Illumina NovaSeq平台进行双端250 bp测序。原始序列经FLASH拼接、fastp质控过滤、Vsearch去嵌合体后获得有效标签，利用QIIME2的deblur模块降噪获得扩增子序列变异（ASV），并与Silva数据库进行物种注释。数据分析方面，使用MAFFT进行系统发育比对，IQ-TREE构建最大似然树，vegan包计算α多样性指数，基于Bray-Curtis距离进行聚类分析和主成分分析（PCA），冗余分析（RDA）筛选关键环境因子，广义加性模型（GAM）进一步拟合环境因子与多样性指标的非线性关系。
研究结果
α多样性：共获得1370个ASV，覆盖17个门。按ASV数量占比排序，前五大门为Pseudomonadota（变形菌门，45.04%）、Bacillota（厚壁菌门，21.75%）、Bacteroidota（拟杆菌门，11.82%）、Actinomycetota（放线菌门，11.09%）和Verrucomicrobiota（疣微菌门，3.65%）。按序列读数占比排序，前五大门为Pseudomonadota（54.75%）、Actinomycetota（15.09%）、Bacillota（11.68%）、Cyanobacteriota（蓝藻门，9.87%）和Bacteroidota（5.00%）。湖区与支流间的丰富度无显著差异，但支流的Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数均显著高于湖区。季节间比较显示，丰富度、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数均在秋季显著高于其他三季，春季均为最低，夏季各采样点间变异较大。
β多样性：基于Bray-Curtis距离的样本聚类分析和PCA分析一致表明，春季样本大多聚为一支，Cyanobacteriota丰度最高，其次为Pseudomonadota和Actinomycetota；夏季样本聚为一支，优势类群主要为Pseudomonadota和Bacillota；秋季和冬季样本未明显区分，聚为一支，Pseudomonadota为主要优势类群，部分样本中Actinomycetota丰度较高。不同区域（湖区与支流）之间无明显的群落分离。
相关性分析：RDA分析显示，水深、水温（WT）、电导率（EC）、透明度（SD）、化学需氧量（COD）、总悬浮固体（TSS）、水生植物生物量和盖度是影响微生物群落结构的八个最主要环境因子。GAM分析进一步揭示了关键因子与多样性的非线性关系：在COD为25~40 mg/L范围内，物种丰富度与之呈弱负相关，Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数随COD升高先升后降；在EC为250~500 μs/cm条件下，三个多样性指标均与EC呈负相关；在SD为30~120 cm范围内，丰富度与SD呈负相关，而Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数与SD呈正相关；在WT为5~25 °C范围内，丰富度随温度升高先升后降，Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数与WT呈负相关。
讨论与结论
讨论部分指出，草海微生物群落呈现显著的季节性变化，水温被确认为关键驱动因子，这与青藏高原东南部及其他国内外淡水系统的研究结论一致。作为平均水深不足2米的浅水湖泊，草海易受风浪扰动影响，从而改变透明度（SD）进而影响微生物群落结构；SD与微生物均匀度的正相关关系凸显了光透射对光合和混合营养微生物的重要性以及减少沉积物再悬浮对维持稳定微生境的作用。电导率（EC）和化学需氧量（COD）的显著影响与云贵高原湖泊的相关研究相符，EC与微生物多样性的负相关表明高离子浓度可能对敏感类群造成渗透胁迫。水生植物生物量和盖度对微生物群落组成的显著影响，结合前期关于附生细菌与浮游细菌、藻菌互作及植物群落对细菌真菌结构影响的研究，共同强调了水生植物在塑造草海微生物群落动态中的核心作用。
研究结论：本研究初步揭示了2022至2023年间草海微生物群落的变化特征及其驱动因素，丰富了生态系统恢复期草海水域的生态监测数据，对未来草海的管理与修复具有一定的指导意义。研究发现，水温是微生物群落变化的首要驱动因子，因此应维护自然的水文季节性、保护冷水避难所并防止热污染或废水排放；春季低α多样性值得持续关注。透明度、电导率和化学需氧量的强烈效应表明，通过严格控制农业和生活输入、恢复沉水植被以减少沉积物再悬浮以及削减外源营养负荷，可直接改善维持更均匀和多样化微生物群落的栖息地条件。水生植物生物量和盖度的显著影响提示，恢复沉水植物群落可作为积极的管理手段，将微生物响应纳入沉水植物恢复效果评估体系。本研究所建立的2022–2023年季节性基线也为将微生物多样性和组成转化为长期生态监测的常规生物指标提供了参考条件，有助于管理者评估恢复措施的有效性并比传统理化监测更早发现偏离参考条件的迹象。
