2025年，乌克兰国家南极科学中心等机构的联合团队，在2019—2021年连续三个南极考察季，于南极半岛西部威廉群岛的加林德斯岛周边布设监测站位，使用德国HYDRO-BIOS公司的5 L Niskin采水器采集表层海水，结合16S rRNA基因扩增子测序与功能预测，系统揭示了浮游细菌群落随浮游植物发展的季节演替规律。研究共处理280个表层水样，发现异养、依附藻类的细菌在春夏占优，寡营养与化能自养类群在秋季增多；硅藻丰度与Sulfitobacter、Yoonia等类群显著正相关，而DMSP脱甲基基因在夏季冰退、棕囊藻大量繁殖后达到峰值。相关成果于2025年发表于《Frontiers in Microbiology》。
研究背景
南大洋是地球上季节对比最强烈的海洋系统之一：冬季深混合、光照匮乏、海冰密布，夏季则光照充足、生产力旺盛。这种强烈的季节性驱动微生物群落有序演替，其分类组成与功能结构随之改变。近海以及南极半岛西部海区正在经历显著的升温与海冰期缩短，淡水输入增加，可能进一步改变浮游植物群落结构与溶解有机碳的可得性，从而影响浮游细菌的多样性与功能。
已有研究表明，浮游细菌与浮游植物在藻华期间相互作用尤为紧密：异养与兼性异养微生物在夏季占优，化能自养细菌则相对活跃于冬季；同时，群落还受离岸距离、营养盐与盐度等因素的调节。然而，相关数据多集中在春季与夏季，秋季乃至冬季的观测相对匮乏，季节间与年际间的变异难以完整刻画，这限制了对南大洋这一高效碳汇中微生物介导过程的预测能力。要获得可比性良好的长期序列，规范、可靠的表层采水与样品处理是前提。
研究过程
研究依托乌克兰南极考察计划，于2019—2021年连续三个考察季在加林德斯岛（威廉群岛）近海开展工作，采样时段覆盖2—4月，并在2019年与2020年补充了10月至次年1月的采样，从而使观测跨越南极春季、夏季与秋季。样品分别采自1、3、5号站，站位离岸距离不同；由于春季天气恶劣与海冰覆盖，大部分水域难以进入，因此10月至1月的采样集中于3号站。三个考察季共获得280个表层海水样品，兼顾季节内与季节间的动态分析。
水样采用德国HYDRO-BIOS公司的5 L Niskin采水器采集，同时以温盐深剖面仪记录各站温度与盐度剖面。水样数小时内即经真空过滤通过0.22 µm滤膜富集浮游细菌，滤膜以RNAlater溶液保存并于−20 ℃冷冻，待提DNA。浮游植物经逆流过滤浓缩至30—50 mL，以40%甲醛与冰醋酸按1︰1配制、终浓度4%的溶液固定，再缓慢倾析浓缩至10—20 mL，在显微镜下以400—1000倍放大进行定量与种类鉴定；较大细胞采用1 mL Sedgewick-Rafter计数框，常规计数使用0.05 mL Nageotte计数框，湿生物量按几何相似法估算。
分子分析方面，从滤膜提取总DNA后，针对16S rRNA基因V4区（515F-806R引物）进行扩增，在Illumina NovaSeq PE250平台完成双端测序；序列经质控、去嵌合后按97%相似度聚类为OTU，以Silva数据库注释分类，并计算Shannon多样性指数与系统发育多样性（PD），同时用PICRUSt2流程预测群落的功能潜力。
图1. 德国HYDRO-BIOS公司5 L Niskin采水器
图2. 加林德斯岛（威廉群岛）近海监测站位分布（改编自 Pavlovska 等 2025，图1）
实验结果
1. 浮游细菌呈清晰的季节演替。 与浮游植物的发展同步，依附藻类的异养细菌——黄杆菌属（Polaribacter）、Yoonia、Sulfitobacter、Amylibacter及γ变形菌SAR92分支等——在春夏占优；进入秋季，随着浮游植物衰退，寡营养与化能自养类群（如Polaromonas、Paraglaciecola）以及SAR11分支的比例上升。
2. 群落与浮游植物紧密耦合，硅藻关联尤为突出。 Sulfitobacter在2019年晚夏一度占群落的63%；Polaribacter在2019年10月与12月分别高达52%和45%。相关分析显示，硅藻纲丰度与Sulfitobacter（R = 0.59，p = 0.00007）、Yoonia（R = 0.53）显著正相关，凸显异养细菌与微藻之间的营养耦合。
3. 多样性指数随藻华阶段变化。 Shannon指数均值为4.9，最高值5.6出现在2020年10月；系统发育多样性PD在2019年2月最高（140.6），最低值47.7出现在2019年10月。低叶绿素期细菌多样性反而更高，或与初级生产者竞争减弱有关。
4. 功能基因随季节切换。 PICRUSt2预测显示，碳水化合物降解与硫酸酯酶基因在硅藻、棕囊藻大量繁殖的夏季最为丰富；DMSP脱甲基基因在2019、2020年夏季冰退、棕囊藻（Phaeocystis antarctica）暴发后达到峰值，反映了冰融期硫代谢底物的释放。
5. 检出明显的鸟粪源氮信号。 预测的尿酸降解基因拷贝数高于其他氮代谢通路，提示不断扩张的企鹅群落对近岸海洋生态系统氮循环施加了可观影响。
图3. 浮游植物生物量与丰度的季节动态（星号为浮游细菌采样日期；改编自 Pavlovska 等 2025，图2）
图4. 2019—2021年浮游细菌属水平分类组成变化（改编自 Pavlovska 等 2025，图3）
研究结论
这项为期三年的高通量研究证明，南极威廉群岛近岸浮游细菌群落的分类与功能结构随浮游植物的发展呈可预测的季节演替：春夏由依附藻类的异养细菌主导，秋季则由寡营养与化能自养类群接替；藻华期碳水化合物降解与硫酸酯酶基因富集，冰退期DMSP脱甲基基因激增，此外企鹅来源的氮输入也在群落功能中留下了清晰印记。研究强调，浮游植物与浮游细菌的协同演变，深刻塑造着这一快速变化海区的微生物动态与生物地球化学循环。
德国HYDRO-BIOS公司的Niskin采水器为这项长期监测提供了稳定的采样保障。5 L规格单次即可满足细菌富集、叶绿素与浮游植物鉴定的多重取水需求，配合标准化的过滤与保存流程，使跨季节、跨年度的样品具有良好可比性。Niskin PWS系列提供1.7 L、2.5 L、3.5 L、5 L、10 L等多种容积，并可选配适配不同采水器阵列的接口版本，广泛适用于极地、近岸与深海的微生物与生物地球化学研究。
参考文献
Pavlovska, M., Zotov, A., Prekrasna-Kviatkovska, Y., Sidhu, C., Dzhulai, A., Dzyndra, M., Dykyi, E. Dynamics of microbial communities in Western Antarctic Peninsula waters shaped primarily by the biological interactions. Frontiers in Microbiology 16: 1591986 (2025). https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1591986
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