贫营养深水湖中氨氧化与暗DIC固定的时空和温度依赖性解耦：康斯坦斯湖硝化菌研究新视角

《ISME Communications》：Spatiotemporal and temperature-dependent disconnect between ammonia oxidation and dark DIC fixation in deep oligotrophic Lake Constance

本研究针对全球变暖背景下深水贫营养湖泊碳循环机制不清的问题，通过稳定同位素示踪、单细胞分析和宏转录组学技术，揭示了康斯坦斯湖透光层以下氨氧化与暗DIC固定的解耦现象。研究发现主导氨氧化的古菌仅贡献11%的暗DIC固定，主要固碳活动来自隐藻、蓝细菌等通过卡尔文循环维持暗环境氧化还原平衡。该成果为理解湖泊碳氮循环响应气候变化的微生物机制提供了新范式。

　　

在全球气候变暖的背景下，湖泊生态系统正经历着前所未有的变化。平均水温的持续上升、冰覆盖期的缩短以及热分层的提前和延长，深刻影响着湖泊的生物地球化学循环和初级生产力。尽管光合作用驱动的初级生产力一直是湖泊全球变化研究的焦点，但在黑暗条件下将溶解无机碳(DIC)转化为有机物的过程——例如硝化菌等化能无机自养微生物的作用——却较少受到关注。

深水贫营养湖泊储存着全球80%以上的湖泊水量，其无光、完全氧化的水体中，大部分DIC固定途径编码基因与硝化菌相关。氨氧化作为硝化作用的第一步，通常由氨氧化古菌(AOA)或氨氧化细菌(AOB)催化。在深水贫营养湖泊中，AOA通常占主导地位，可达原核浮游生物的39%。然而，淡水硝化菌对暗DIC固定的贡献仍未得到充分探索，尤其是在原位温度依赖性方面更是知之甚少。

为了解开这个谜题，研究人员将目光投向了康斯坦斯湖——一个特征明确的深水贫营养湖泊。该湖拥有完全氧化的水柱，硝化菌群落主要分布在湖下层，由Candidatus Nitrosopumilus limneticus主导。研究团队通过跨季节采样，结合稳定同位素标记、单细胞纳米二次离子质谱(nanoSIMS)和宏转录组学分析，深入探究了氨氧化与暗DIC固定的时空动态和温度响应。

研究人员在康斯坦斯湖的长期生态研究站进行了为期两年的系统观测。通过垂直剖面测量温度、叶绿素a、硝酸盐和总铵浓度，结合¹⁵N-NH₄⁺和¹³C-碳酸氢盐标记培养实验，量化了不同水深和季节的潜在氨氧化速率、暗DIC固定和氨同化速率。温度操纵实验(5-20°C)揭示了两个过程的温度响应差异，而单细胞nanoSIMS分析则直接测定了AOA和其余浮游生物的碳氮同化能力。宏基因组和宏转录组数据进一步解析了参与DIC固定途径的微生物群落结构及其转录活性。

时空动态揭示过程解耦

研究发现，在热分层期间，热跃层下方的氨氧化速率呈现明显的季节变化，最高达到139.0 nmol L^-1 d^-1(2021年7月)，而湖下层中心(60和85米)的速率较低且稳定，平均为7.5 nmol L^-1 d^-1。暗DIC固定表现出类似的空间模式，热跃层下方速率(最高14.6 nmol L^-1 d^-1)显著高于湖下层中心(平均1.3 nmol L^-1 d^-1)。然而，两个过程的时空动态没有相关性，暗示它们可能由不同的微生物群体驱动。

温度响应证实解耦机制

温度实验为这一解耦现象提供了关键证据。氨氧化在10°C达到峰值，随后下降，符合湖下层主导AOA(Cand. N. limneticus)的冷适应特性。相比之下，暗DIC固定和氨同化随温度呈指数增长。这种差异性的温度响应表明，在变暖场景下，两个过程的解耦将更加明显。

单细胞分析量化AOA贡献

单细胞nanoSIMS分析显示，AOA细胞的DIC固定中位值为2.17×10^-18 mol C cell^-1 d^-1，显著高于其余浮游生物。但 extrapolation至群体水平后，AOA仅贡献了约11%的总暗DIC固定，远低于基于纯培养化学计量比的预期(约50%)。这表明在自然环境中，AOA的碳固定效率可能较低，或将更多能量用于维持而非生长。

宏转录组揭示主要参与者

宏转录组分析发现，湖下层中心活跃表达的DIC固定途径基因主要来自非硝化菌群。隐藻(Teleaulax相关)的cbbL(核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基)转录本占主导，其FPKM值比硝化菌相关基因高1-2个数量级。蓝细菌(Cyanobium和Synechococcus)、α-和β-变形菌的CBB循环基因也表现出持续转录活性。与之相比，尽管AOA的accB(乙酰-CoA羧化酶β亚基)和硝化螺菌的aclA(ATP依赖性柠檬酸裂解酶α亚基)在宏基因组中丰度较高，其转录水平却低得多。

讨论与意义

本研究通过多方法验证，挑战了“AOA主导深水湖泊暗DIC固定”的传统认知。结果表明，在康斯坦斯湖的湖下层，暗DIC固定主要由多种微生物通过CBB循环完成，而非此前认为的硝化菌。隐藻和蓝细菌等通常在透光层活跃的类群，在黑暗湖下层仍维持CBB循环转录，可能用于暗环境下的氧化还原平衡，而非完全自养生长。

这一发现对理解湖泊碳循环及其对气候变化的响应具有重要意义。随着湖泊持续变暖，氨氧化和暗DIC固定的解耦可能加剧，影响湖泊的碳汇功能和营养盐循环。研究结果强调了在生态系统模型中纳入微生物功能群温度响应差异的必要性，为预测全球变化下淡水生态系统的演变提供了新视角。

该研究通过揭示深水湖泊中碳氮循环耦合机制的复杂性，为相关领域研究树立了新标杆。发表于《ISME Communications》的这项成果不仅深化了对淡水微生物生态的理解，也为全球湖泊碳循环模型的完善提供了关键参数。