环境异质性与地理隔离共同驱动废弃煤矿酸性矿山排水中的原核生物群落演替

《Journal of Environmental Management》：Environmental heterogeneity and geographic isolation drive prokaryotic community succession in acid mine drainage from abandoned coal mines

本研究揭示了环境异质性和地理隔离对废弃煤矿酸性矿山排水（AMD）中原核生物群落演替的联合驱动机制。通过分析不同区域AMD水体与沉积物生境，发现沉积物群落α多样性显著高于水体，且两类生境均呈现距离衰减模式。群落构建中沉积物以同质化选择为主，水体则受扩散限制主导。网络分析显示高模块化结构可能抵消正相关关联对系统稳定性的潜在影响，为极端环境微生物分布规律及AMD生物修复策略提供了新见解。

　　

Highlight

不同区域间多样性和组成的差异

经过测序、质控和序列筛选后，共获得6,405,382条高质量序列，聚类为27,402个OTUs。稀疏曲线在给定测序深度下趋于平缓（图S1），表明测序深度足以支持后续分析。在沉积物生境中，三个区域的所有α多样性指数均呈现SMX > CL > YX的趋势（图2A）。每对区域间的所有指数均存在显著差异（p < 0.05）。而在水体生境中，三个区域的α多样性指数未呈现明显规律性变化，且仅SMX与CL、SMX与YX的Chao1指数存在显著差异（p < 0.05）。值得注意的是，所有沉积物样本的α多样性指数均显著高于水体样本（p < 0.001）。

沉积物与水体群落间独特的多样性但相似的生物地理模式

对于大型动植物类群，一个常见的模式是从两极到热带生物多样性的增加，即“纬度多样性梯度（LDG）”。然而，微生物是否表现出类似的LDG仍知之甚少。与宏观生物的LDG相反，沉积物的α多样性呈现出从低纬度向高纬度明显增加的趋势（图2A），而水体的α多样性则呈驼峰状模式。尽管沉积物和水体群落的α多样性存在差异，但二者均表现出显著的距离衰减关系（图3A, B）。具体而言，沉积物群落相似性的距离衰减斜率（-0.36）比水体（-0.21）更陡。Mantel检验进一步表明，地理距离和环境距离均与沉积物和水体中的群落差异显著相关（p < 0.001）。然而，在沉积物中，环境距离（r = 0.61）比地理距离（r = 0.44）表现出更强的相关性；而在水体中，地理距离（r = 0.57）与环境距离（r = 0.51）的相关性强度相近。

结论

废弃煤矿AMD沉积物生境中的原核生物α多样性显著高于水体生境。沉积物和水体均表现出强烈的距离衰减关系。此外，沉积物类群中富集的硫还原功能表明它们可能具有AMD修复的潜力。多种生态过程共同影响了废弃煤矿AMD的群落构建，但它们的贡献比率表现出栖息地特异性：同质化选择主导了沉积物群落的构建，而扩散限制是水体群落构建的主要过程。尽管微生物网络中异常高比例的正相关可能削弱AMD环境的稳定性，但高度模块化的结构可能通过削弱干扰在不同模块间的传播来抵消这种不稳定性。这些发现为理解极端生态系统和制定有针对性的生物修复策略提供了新的视角。