工业革命以来，化石燃料的大量利用导致大气中二氧化碳（CO₂）水平的持续升高。海洋作为地球最大的碳汇，吸收了约三分之一人类排放的二氧化碳，导致海水pH值下降并破坏碳酸盐缓冲体系，从而引发海水酸化（Ocean acidification，OA）。同时，CO₂排放量增加导致海水表层温度升高，从而引发海水升温（Ocean warming，OW）。目前，海水酸化与升温被认为是当前海洋生态系统面临的两大核心压力源，其协同作用对海洋生态系统的威胁已成为全球海洋生态学与环境科学领域的重点研究方向之一。

近岸海域因其高生产力和生物多样性而备受关注，是许多海洋物种的重要栖息地，对全球渔业资源和生态平衡至关重要。海水酸化和升温对底栖生物群落，特别是底栖无脊椎动物群落产生了显著的生理生态影响。海参作为这一生境中的关键“生态工程师”，能够通过其生理状态、摄食行为等调节底栖生态功能的维持和稳定。尽管现有研究已对海参的生理响应进行了大量探讨，但大多数研究集中在单一物种的生理或生态特征上，缺乏系统性地探究海参与底栖生物群落的相互作用，尤其是在海水酸化和升温复合胁迫下。本文以东亚近岸生态系统中经济和生态上具有重要意义的典型海参—刺参（Apostichopus japonicus）为研究对象，采用室内模拟实验系统，设置海水酸化和升温两组关键环境因子处理，构建宏观尺度的底栖生物群落与微观尺度的微生物群落，从多尺度、多层次的视角出发，较为系统探讨海水酸化与升温共同作用下近岸沉积生境生态系统的响应。通过这一系统性分析，旨在为近岸生态系统的保护、恢复与管理提供科学依据，并为理解气候变化对底栖生态系统的影响提供新的视角。本论文的主要研究结果如下：

（1）以近岸底栖生物群落为研究对象，通过60天的实验周期探讨海水酸化（pH下降约0.33）、升温（温度升高约2℃）及其联合胁迫对群落结构和功能多样性的影响，同时探究刺参在不同气候变化场景胁迫下对生态系统的调控机制。研究结果表明，升温是驱动群落结构变化的主要因子，相较于酸化，升温显著降低了群落的生物密度、α多样性和均匀度（p < 0.05），且NMDS聚类分析显示出更高的群落异质性。酸化或酸化-升温联合处理下，群落结构较为稳定，主要归因于占比高达90%以上的优势类群—多毛类，其对酸化具有较强的适应性缓冲了群落的整体变动。在功能多样性层面，升温提高了功能丰富度，但酸化-升温联合胁迫则导致功能丰富度显著下降（p < 0.05）。刺参扰动对生态系统的调节作用具有高度的环境依赖性。在对照和升温胁迫下，刺参的存在对底栖生物密度产生负面影响，其中处理组生物密度分别下降0.04%和0.11%。然而，在酸化和酸化-升温联合处理中，刺参的存在反而与底栖生物密度、藻类覆盖及群落初级生产力的增加相关联。结构方程模型进一步证实，刺参的存在能够强化群落内各组分相互作用，提升群落结构的紧密性，但在酸化/升温胁迫作用下刺参未能缓解负面效应，反而强化了酸化-升温对系统底层组分的抑制作用。因此，升温是影响近岸底栖群落的关键因素，而刺参在酸化及酸化-升温联合胁迫下并未发挥缓冲作用。

（2）基于qPCR技术，探究海水酸化（pH下降约0.33）和升温（温度升高约2℃）下，刺参的生物扰动行为对沉积物中碳（C）、氮（N）、硫（S）等关键元素循环功能基因表达及沉积物-水界面营养元素交换通量的影响。研究结果表明与对照组相比，升温促进了氨氧化古菌基因AOA-amoA（古菌氨单加氧酶α亚基基因）、固碳基因aclB（ATP柠檬酸裂合酶β亚基基因）的表达，其相对表达量分别增加了82.6%和66.2%，提示升温可能通过加速微生物代谢以增强沉积物的固碳潜力。然而，酸化处理显著抑制了反硝化关键基因nirS（亚硝酸盐还原酶基因）的表达（相对表达量降低16.5%），对氮损失途径产生负面影响；但酸化使硫化物氧化基因soxB（亚硫酸盐氧化酶β亚基基因）的表达量显著增加5.27%。此外，刺参的存在对沉积物元素循环潜力表现出普遍的抑制效应：在多数胁迫处理组中，除norB（一氧化氮还原酶β亚基基因）、mcrA（甲基辅酶M还原酶α亚基基因）和soxB基因外，无刺参组的元素功能基因表达量均显著高于有刺参组（p < 0.05）。沉积物-水界面营养元素交换通量同样受环境和刺参影响。酸化提升水体溶解无机碳浓度，促进其向沉积物扩散，刺参促进氮磷释放并加强营养元素从沉积物向上覆水释放。这些结果表明，刺参的生物扰动显著降低了沉积物微生物功能潜力，可能通过抑制关键功能基因的表达，影响沉积物的生态功能。

（3）基于宏基因组测序技术，以刺参生境中沉积物微生物群落为研究对象，探究沉积物微生物群落结构及其代谢功能潜力对海水酸化（pH下降约0.33）和升温（温度升高约2℃）及其联合胁迫的响应。研究结果显示，沉积物微生物群落对气候变化胁迫具有高度敏感性，其中升温是驱动群落结构和功能转变的主要驱动因素。在分类组成上，升温显著增加了芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和装甲菌门（Armatimonadota）的相对丰度，酸化与升温复合胁迫则显著富集了红螺菌科（Rhodospirillaceae）和红弯菌科（Rhodovibrionaceae）等机会性嗜盐菌群。功能潜力分析揭示了气候变化对碳、氮、硫循环通路的复杂调控：升温处理显著降低了硝化基因丰度（下降21.56%），同时提高了固氮基因丰度（增加11.38%），并富集了多种碳固定和异化硫酸盐还原相关基因，表明升温可能同时强化沉积物中的碳固定潜力和硫循环活动。相比之下，酸化处理表现出普遍的抑制效应，如酸化显著降低了硝化和反硝化相关基因的丰度，使相关基因的丰度分别下降了2.23%和0.52%，并削弱了光合碳固定通路基因的表达，这可能源于H⁺浓度升高对微生物胞内pH稳态的破坏。因此，升温对碳、氮、硫循环关键通路的激活作用与酸化普遍的抑制效应，突显了不同气候因子对底栖生态系统功能的复杂影响。

（4）基于16S rRNA测序技术，以刺参肠道微生物群落及其氨基酸代谢物为研究对象，探究海水酸化（pH下降约0.33）、升温（温度升高约2℃）及联合胁迫对刺参肠道微生物群落结构、多样性及刺参环境适应机制和资源分配策略的响应。研究结果表明，与酸化相比升温同样是塑造刺参肠道微生物结构的主要驱动力。升温显著降低了群落多样性，并富集了机会性病原菌弧菌科（Vibrionaceae），暗示热应激破坏了肠道微生态稳定性。在升温胁迫下，宿主氨基酸代谢谱体现为明显的分解代谢增强（如L-saccharopine积累）和渗透调节物（如L-pipecolic acid）的减少，表明刺参通过牺牲部分稳态功能来优先满足热应激下的能量需求。相反，酸化处理促使微生物群落向红杆菌科（Rhodobacteraceae）等功能类群重组，并通过增加L-天冬氨酸和减少L-同型半胱氨酸来促进氨排泄，以减轻pH变化引起的毒性。在升温和酸化复合胁迫下，刺参肠道内Firmicutes等保护性细菌相对上升，同时宿主合成了N-methyl-aspartic acid和gamma-glutamyl peptides等保护性代谢物，用于稳定细胞功能和增强氧化还原稳态。因此，本研究揭示了升温和酸化胁迫对刺参肠道微生物群落和宿主代谢的不同调控作用，并突出了肠道微生物作为宿主代谢重编程“关键构建者”的重要作用。