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导读人：赵泽 校稿人：张璐、鞠峰
海岸带生态系统在人类社会经济发展、全球气候调节和生物地球化学循环中发挥着重要作用，但同时也受到全球气候变化和人类活动干扰的影响。海岸带含水层中蕴含丰富的微生物资源，它们驱动着水圈碳氮硫等重要元素的生物地球化学循环过程。在海岸潮间带地下水-表层水连续体中，微生物随着潮汐扰动驱动的海底地下水排放过程运输和扩散，同时也受到来自地下水和近岸海水不同水圈环境选择压力的影响。
潮间带的微生物是否会呈现节律性的变化？研究发现，人类、小鼠等的肠道微生物会随宿主的昼夜节律表现出昼夜节律变化（~12小时）。水稻根际微生物也会受光的驱动呈现昼夜节律特征。在海岸带，潮间带动植物，如招潮蟹，除了昼夜节律之外，还会呈现与潮汐周期（~12.5小时）密切相关的潮汐节律特征。微生物具有适应环境昼夜变化的生物钟基因，可以使微生物群落产生内源性的昼夜节律；那么微生物对外部环境变化的响应，是不是也可以使微生物群落产生外源性的潮汐节律？
针对这一问题，西湖大学工学院鞠峰团队在江苏盐城湿地开展了潮间带实地调查研究。盐城湿地是中国最大的滨海湿地自然保护区，也是太平洋西海岸面积最大的淤泥质潮间带湿地。通过连续时间序列采样结合高通量测序、模型拟合等分子生态学方法，解析了潮汐扰动下盐沼潮间带表层水体微生物群落响应潮汐的节律模式，并阐明了陆源污染水体输入对于潮间带地下水微生物群落多样性、组成和群落构建过程的影响。该研究成果以“Hydrodynamic and anthropogenic disturbances co-shape microbiota rhythmicity and community assembly within intertidal groundwater-surface water continuum”为题发表在环境领域国际知名期刊《Water Research》，鞠峰实验室博士生赵泽为第一作者，西湖大学特聘研究员鞠峰为通讯作者，合作者包括西湖大学生态环境研究实验室李凌教授及团队成员。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120236
研究团队于2020年8月前往江苏盐城麋鹿自然保护区，在盐沼湿地中选取了两条典型潮沟采集样本（图1）。在自然潮沟（NT）的时间序列站（NTS）间隔每小时采集表层水样本，以覆盖完整潮汐周期。在自然潮沟和受人类活动影响的潮沟（HT）中，采集了上游至下游不同潮汐水位的潮间带地下水样本。基于16S rRNA基因测序分析水体微生物群落。
图1：自然潮沟（NT）和受人类活动影响潮沟（HT）的样本采集。实心点标识地下水采集点，三角形标识时间序列表层水采集点（NTS）。
潮汐驱动的海底地下水排放过程驱动营养物质和污染物向近海的排放，同时也影响着其中的微生物群落，但此前并未有研究通过高分辨率的时间序列样本解析其中的微生物动态变化规律。研究团队通过对自然潮沟表层水时间序列样本的分析发现，潮间带表层水微生物群落结构存在响应潮汐周期的节律模式（图2A），通过隆恩-斯卡格尔周期图（Lomb Scargle periodogram）分析识别的节律物种的节律周期与潮汐周期一致（约12.5小时）。节律物种被划分为两大类：在落潮阶段丰度较高的节律物种群（Ebb Cluster）指示了潮间带地下水排放过程（图2B），而在涨潮阶段丰度较高的节律物种群（Flood Cluster）指示了近岸海水入侵过程。潮间带地下水与落潮表层水中相似的群落结构进一步验证了微生物伴随地下水排放的过程。潮间带地下水和近岸海水的不同环境选择压力塑造了这两类节律微生物种群。研究团队筛选出了23 个属水平的典型节律物种（如地下水乌斯古菌和海洋氨氧化古菌），作为海岸带地下水排放和海水入侵过程的微生物指示物种。
图2：（A）自然潮沟表层水微生物群落结构伴随潮汐周期（涨落潮、大小潮）的变化；（B）小潮期间表层水中节律微生物的丰度波动。
为了探究人类活动对于潮间带水体微生物群落结构的影响，研究团队进而采集了受人类活动影响潮沟（HT）中的潮间带地下水样本。该潮沟上游与陆源河流相连，下游入海口毗邻川东河口。上游陆源河流和下游川东河流经海水养殖区和人类生活区，分别在落潮和涨潮时将富营养的污染水体排放入潮沟。通过与自然潮沟地下水微生物群落对比分析，研究团队发现人类污染的陆源河水排放并通过潮汐驱动的双向水交换进入潮间带地下水，导致地下水的微生物多样性升高，样本间群落差异增大，并且与自然潮沟地下水微生物群落结构呈现显著差异（图3）。通过基于零模型的微生物群落构建分析表明，营养物质输入和外源水补充导致的扩散限制、漂变和微生物互作三种生态过程的增强共同驱动了地下水微生物群落的演替。解析人类活动对于潮间带地下水微生物群落的影响可以为海岸带水生态健康评估和保护中纳入微生物监测指标提供新知识与有益见解。
图 3：自然潮沟地下水（NTG）、表层水（NTS）和受人类活动影响潮沟地下水（HTG）中微生物多样性、群落结构、群落构建机制和微生物互作规律。
微生物是海岸带生态系统碳氮元素固定、温室气体排放、污染物削减等代谢过程的重要参与者，对于海岸带物质转化和能量流动发挥着重要作用。此研究基于高分辨率的时间序列采样，首次系统解析了潮汐驱动的潮间带水体微生物的潮汐节律特征。针对本研究发现的潮间带地下水排放和海水入侵相关的模式节律物种的检测将有助于加强沿海水质监测，识别由海底地下水排放导致的潜在污染源。同时，揭示人为活动和污染物的排放对于潮间带地下水微生物群落的影响，也将为海岸带生态健康的综合监测和评估提供重要的数据支撑。本研究能够帮助研究人员和管理者更好地理解海岸带微生物过程，为海岸带生态系统的生物监测和科学管理与保护提供有参考价值的见解。
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环境微生物组与生物技术实验室
环境微生物组学研究环境中全部微生物及其遗传信息，其方法学基础与理论拓展应用是国际学术前沿和热点。西湖大学环境微生物组与生物技术实验室开展环境工程学与微生物学交叉学科研究，研究兴趣包括：1）环境微生物组学与群落构建机制；2）抗生素耐药组及病毒组监测与风险阻控；3）新污染物降解转化和健康效应。
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鞠峰，西湖大学特聘研究员、博士生导师（环境科学与工程、生物学），环境微生物组与生物技术实验室负责人 (PI)，曾获中国生态学会“水云天微生物生态青年科技创新奖-特等奖”（2018）、香港科学会“青年科学家奖”（2016）等。近5年承担或参与国家基金委专项、科技部国家重点研发计划、省重点研发计划等项目5项，获浙江省杰出青年基金项目资助。近10年发表SCI期刊论文68篇，包括Nature Communications、Advanced Science (2篇)、ISME Journal (5篇)、Microbiome (2篇)、Environmental Science & Technology (12篇)、Water Research (9篇) 等领域知名期刊；引用4600余次，H-指数30。目前担任浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室副主任、Frontiers in Microbiology副主编、中国工程院院刊Engineering编委，Engineering in Life Sciences 编委、Environmental Science & Ecotechnology、Journal of Environmental Sciences等SCI期刊青年编委。
微信号｜envmbio
实验室网站｜http://www.ju-emblab.com