北极高纬度湖泊细菌群落分异：栖息地连通性增强下的环境过滤与生态韧性

《FEMS Microbiology Ecology》：Bacterial divergence among the interconnected habitats of a High Arctic Lake

本研究针对气候变暖背景下北极湖泊与陆域、海洋栖息地物理连通性增强的趋势，以加拿大沃德亨特湖为模型系统，通过水化学指标与16S rRNA测序技术，揭示了尽管水文连通性显著，但细菌群落结构仍存在显著分异。结果表明，强烈的环境过滤作用主导了微生物群落的组装，仅2%的扩增子序列变异在三大栖息地间共享，凸显了北极微生物生态系统在当前气候变化初期的韧性。该研究为预测极地淡水微生物对气候驱动的连通性变化的响应提供了关键案例。

　　

随着北极地区气候变暖加速，冰川消融和降水模式改变正显著增强湖泊与周边陆域、海洋栖息地的物理连通性。这种连通性可能导致陆源养分、有机质和微生物向湖泊输入增加，同时海冰消退使海洋气溶胶更易抵达沿海湖泊。然而，这种跨栖息地的微生物扩散究竟会如何影响北极湖泊的细菌群落结构，仍是一个亟待解答的科学问题。沃德亨特湖作为加拿大最北端的湖泊，位于“最后冰区”沿岸，是研究气候驱动下微生物 dispersal（扩散）与 habitat filtering（栖息地过滤）平衡的理想天然实验室。

为厘清这一问题，研究团队于2022年7月在沃德亨特岛系统采集了湖泊（冰体、冰下水体、湖滨浅滩）、陆域（雪、径流）和海洋（潟湖、海冰）三类栖息地的样本，整合水化学分析、稳定同位素示踪、光谱荧光技术（PARAFAC）与16S rRNA基因（DNA）及转录本（cDNA）测序，对比了细菌群落结构、多样性及其与环境因子的关联。关键方法包括：

1. 1.
   水化学与营养盐分析（总磷TP、总氮TN、溶解性有机碳DOC）；
2. 2.
   荧光溶解性有机质组分解析（PARAFAC）；
3. 3.
   稳定水同位素（δ²H、δ¹⁸O）示踪水文连通性；
4. 4.
   流式细胞术定量细菌与病毒颗粒；
5. 5.
   16S rRNA V3-V4区扩增子测序（Illumina平台）及生物信息学分析（DADA2、SILVA数据库）。

3.1 水文学与生物地球化学连通性

湖泊水体分层明显，冰下水温随深度升高至3米后稳定，底部呈缺氧状态。水滞留时间估算显示，湖心区达10年，而湖滨浅滩仅10天，暗示陆源输入可能被快速排出。稳定同位素数据表明湖泊主要由降水和地下水补给， deuterium excess（d-excess）值较低，蒸发作用微弱。溶解性有机质特征显示，陆域雪样富含类腐殖质组分（C3），而湖泊冰下水体同时存在陆源C3和自生蛋白类组分（C1、C2），证实了陆源有机碳的输入。

3.2 活跃与总细菌群落的差异

DNA与cDNA测序对比显示，两者群落结构显著差异（PERMANOVA p<0.05），但优势菌门一致，以假单胞菌门（Pseudomonadota）和拟杆菌门（Bacteroidota）为主。cDNA数据的物种丰富度更高，表明部分细菌处于活跃状态。

3.3 栖息地间细菌群落分异

尽管α多样性无显著差异，但β分析显示三类栖息地群落结构显著分离（PERMANOVA R²=28%, p<0.005）。海洋群落以拟杆菌门（83%）主导；湖泊中假单胞菌门（48%）、拟杆菌门（28%）和放线菌门（Actinomycetota, 20%）共存；陆域群落则呈现更高均匀度。韦恩图揭示仅1个ASV（Prauserella属）为三大栖息地共享，核心群落比例极低（0.1%）。加权Unifrac距离进一步证实群落系统发育差异显著（ANOSIM R=1, p<0.001）。

3.4 细菌群落分异的驱动因子

BEST分析表明，海洋群落与叶绿素a（Chl-a）、SUVA₂₅₄（芳香性DOM指标）显著相关；湖泊群落受自生蛋白类DOM（C1）驱动；陆域雪样群落与C2组分和SUVA₂₅₄关联较弱，暗示其异质性受多因素调控。

本研究通过多维度数据印证了北极湖泊细菌群落的高度栖息地特异性。尽管水文连通性明确，但强烈的环境过滤（如盐度、养分可利用性）限制了微生物的跨栖息地定植，导致群落分异显著。湖泊细菌主要依赖自生碳源，陆源输入虽贡献有机质，但对群落结构影响有限；海洋影响则因湖冰屏障和盐度过滤而微弱。结果揭示了北极微生物生态系统在气候变暖初期的韧性，但作者强调，未来极端气候事件可能突破当前过滤机制，需长期监测以评估群落演替趋势。该研究为理解极地微生物对快速环境变化的响应提供了基准案例，发表于《FEMS Microbiology Ecology》。

0.05) and post-hoc Tukey's test.">

0.05) C)Relative abundance of bacterial phyla based on DNA and cDNA(RNA)(normalized and transformed data, Hellinger and log), for samples from marine(lagoon and sea ice),freshwater(lake water and ice), terrestrial water(water tracks) and terrestrial snow habitats on Ward Hunt Island. Category 'Other' includes low abundance phylum(<5% combined).">

0.05). Boxes represent interquartile distribution, thick black line habitat was: marine n=7, freshwater n=11, freshwater moat n=1, terrestrial snow n=5,empty dots are for outliers D) Dissimilarity among microbial communities(based on Hellinger and log transformed abundance and Bray-Curtis dissimilarity matrix) between marine, freshwater and terrestrial habitats on Ward Hunt Island visualized in a Non-metric Multidimensional Scale. Differences between habitats were tested using a PERMANOVA(F=3.579, R2=28%, p=0.001); and within habitats with betadisper(F=2.326, p=0.104).Lines connect replicates for terrestrial water samples due to their greater dissimilarity.">