研究背景：

沿海地区是世界上人口最密集的地区，其中世界上一半的人口生活在沿海地区，大都市都在海岸线上。然而，对淡水的需求不断增加和盐碱化的问题给沿海地区带来了巨大的压力。地下水资源是一个全球性的问题。海水入侵，即使是少量的，也使地下水不适合家庭、农业和工业使用。不可逆转的海水入侵导致沿海地区新鲜地下水资源严重匮乏。然而，基于化学成分，早期阶段的轻微海水入侵很难被发现。在早期阶段对海水入侵进行有效的监测和识别方法对沿海地下水资源的保护和管理至关重要。此外，沿海含水层地下水质量的识别和监测方法的灵敏度与海水入侵的程度直接相关。监测海水入侵的方法很多，如盐度测量、离子诊断比、同位素追踪技术以及电阻率方法。然而，这些方法的效率和可靠性有很强的案例依赖性。没有广泛认可的指标和/或统一的标准来识别海水入侵。因此，有必要寻求一种监测海水入侵的新方法和/或一种更普遍的海水入侵指标。

尽管大多数含水层营养不足，但微生物几乎是地下水环境中唯一的居民。许多研究表明，微生物是地下动态生态系统的重要组成部分，也是评估地下水质量不可或缺的指标。微生物多样性对水量和水质的变化很敏感。理化性质的变化促进了盐-淡水过渡带地下水的生化反应。然而，与物理和化学方法相比，利用微生物群落的多样性来监测海水入侵的情况较少受到关注，在大多数类似的研究中，微生物群落在水监测中被忽视。此外，淡水和海水之间的过渡区在沿海含水层中非常重要，其特点是由于海水和淡水的混合以及密集的化学反应，包括矿物沉淀、溶解、阳离子交换（如海水引入的Na+替代Ca2+）和氧化还原过程，导致物理化学梯度的快速变化。微生物深入参与了盐-淡水过渡期的复杂过程。然而，受海水入侵影响的微生物多样性和群落组成的变化还没有得到系统的研究。

研究内容：

中国地质大学（北京）水资源与环境学院的Lin Chen，Bill X. Hu等人通过使用高通量16S rDNA基因测序，比较不同深度的监测井中淡水、海水和含盐地下水的微生物群落结构，描述了微生物群落多样性对海水入侵的反应变化。研究重点是：（1）探讨海水入侵对盐-淡水过渡区地下水质量的影响；（2）通过比较微生物群落，研究盐-淡水过渡区的主要微生物群落组成和多样性；（3）确定合适的海水入侵的微生物指标。

主要研究结果：

图1. A）龙口市位于中国胶东半岛西北部；"SW "代表海水样品；"IW "代表灌溉水样品；"DZ1"、"DZ2"、"DZ3 "和 "DZ4 "代表四个监测点；B）龙口市西部12口监测井的档案图。

表1. 采样时的地点和环境因素。

TOC：总有机碳；EC：电导率；TDS：总溶解固体；ORP：氧化还原电位；DO%：溶解氧。

表2. 水样的主要元素。

图2. 基于离子组成的水型分析的Piper图。

表3. Alpha多样性指标指数Shannon指数Chao1观测种，地下水和海水组PD全树。

图3. A）海水和地下水样品中排序OTU序列的相对丰度。等级数量代表每个样本中物种的丰富程度；B） 样本组间α多样性指数的分布箱图。

表4. 微生物多样性指数与理化参数的Pearson相关系数。

TOC：总有机碳；EC：电导率；TDS：总溶解固体；ORP：氧化还原电位；DO%：溶解氧。

⁎表示在P b 0.05下的显著差异。

图4. 条形图，表示在A）门和B）类水平分类的海水和地下水样品中主要细菌群落的分布和相对丰度。通过使用97%的阈值相似性将标签分类在RDP数据库中。条的大小表示相对丰度。“SW”代表海水样本；“IW”代表灌溉水样；“DZ1”，“DZ2”，“DZ3”和“DZ4”代表四个监视点；“1”，“2”和“3”代表浅层样品，中层样品和深层样品。

图5. 条形图，显示了在A）目和B）科级别分类的海水和地下水样本中优势细菌群落的分布和相对丰度。条形图的大小表示相对丰度。“SW”代表海水样品；“IW”代表灌溉水样；“DZ1”“DZ2”“DZ3”“DZ4”代表四个监测点；“1”、“2”和“3”表示浅层样品、中层样品和深层样品。

图6. A）Bray-Curtis方法的主坐标分析结果，B）未加权UniFrac度量显示了所有样本中微生物群落的不同性；C） 环境因素对细菌群落影响的冗余分析（97%相似水平上的OTU）。

图7. Beta多样性指数的热图。网格中的数字是两个样本之间的差异系数。差异系数越小，物种多样性的差异就越小。在同一网格中，顶部、中部和底部的数值分别代表加权Unifrac、未加权Unifrac和Bray Curtis距离。

图8. 沿淡水-海水混合区的微生物分类群（属级）的相对丰度。横向是样品的信息，纵向是属的注释信息，图中左边是种群树，上面是样品群树。

研究结论：

本研究报告了龙口市西部盐-淡水过渡区的海水、灌溉水和地下水的物理、化学和微生物特征。结果显示，氯离子（Cl-）和总溶解固体（TDS）的浓度由西向东呈下降趋势。12口监测井在不同程度上被海水入侵，盐-淡水界面大约在DZ2和DZ3之间。在微生物多样性方面，灌溉水的多样性最高，海水的多样性最低。Beta多样性指数显示，盐-淡水过渡区的地下水有其独特的微生物多样性。Pearson相关分析表明，溶解氧（DO%）是微生物群落多样性的一个重要因素。统计分析表明，DO%、氧化还原电位（ORP）和Cl-影响地下水中的微生物分布。总之，微生物受到许多环境参数的影响。微生物群落结构的分析表明，海洋螺旋藻目和异尖藻科可作为海水入侵的指标。结果表明，地下水的微生物群落分析对地方政府判断和管理海水入侵具有指导和辅助意义。

参考文献：

Characterizing microbial diversity and community composition of groundwater in a salt-freshwater transition zone

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.017