沉水大型水生植物的恢复促进了微生物群落的重组和功能适应，从而协同改善了水质

《Total Environment Microbiology》：Submerged Macrophyte Restoration Drives Microbial Community Reassembly and Functional Adaptation for Synergistic Water Quality Improvement

本研究通过双区对比分析，揭示了沉水植物修复对武汉东湖港污染水域微生物群落结构、多样性和功能的影响机制。结果表明，沉水植物通过栖息地分化、分泌物协同代谢及化感抑制竞争者等途径，显著提升了恢复区（H区）微生物群落的稳定性与功能冗余度，促进氮循环和有机物降解，同时抑制藻类生长。研究证实了植物-微生物协同调控在恢复水生态系统中优化水质和增强生态韧性中的关键作用。

　　城市湖泊在维持城市生态平衡方面发挥着关键作用，其功能包括调节微气候、支持生物多样性以及提供生态系统服务，如水体净化和休闲空间。然而，随着人类活动的加剧，这些湖泊正面临着水体质量下降、生物多样性减少和生态平衡破坏等多重挑战。为了应对这些问题，近年来越来越多的生态修复项目被实施，旨在恢复受损的水体生态系统。其中，水下植物的恢复被认为是改善水体环境的一种有前景的策略，因为这些植物不仅能够提高水体透明度和营养物质循环效率，还能通过构建微生境来支持微生物群落，这些微生物在生物地球化学过程中发挥着至关重要的作用。

尽管已有研究确认了水下植物在营养物质去除和藻类抑制方面的功能，但目前的研究大多集中在微生物α多样性上，缺乏对修复前后微生物演替和级联净化机制的系统性比较。这种研究空白使得我们难以判断微生物变化是否真正反映了生态修复的有效性，还是仅仅是随机波动的结果。此外，大多数研究依赖于短期实验或实验室模拟，而对自然环境中水下植物修复区与未修复区之间的微生物演替进行长期比较的研究较少，这使得我们无法明确地将微生物变化和生态系统结果归因于水下植物的恢复。因此，迫切需要一种整合的方法，将微生物代谢潜力的变化与水下植物的功能特性以及更广泛的生态系统后果联系起来，例如水质改善和浮游动物的恢复能力。

为了填补这一研究空白，本研究采用了一种综合方法，探讨水下植物修复与沉积物微生物群落之间的生态反馈机制。研究采用了双区比较方法，结合了16S rRNA测序、微生物功能预测和环境梯度分析，以量化水下植物恢复过程中微生物群落的时空动态及其组装机制，识别关键环境驱动因素，特别是沉积物中的营养物质浓度，以及评估这些相互作用对水质改善的级联效应。通过这种方式，本研究不仅揭示了水下植物对微生物群落的塑造作用，还明确了微生物群落结构和功能与生态系统整体恢复之间的关系。这些发现为优化“植物-微生物协同效应”提供了机制性的见解，对设计能够平衡快速水质改善与长期生态系统韧性所需的生态修复策略具有重要意义。

研究地点选在湖北省的洪奇湖，这是一个典型的富营养化湖泊。洪奇湖位于唐逊湖的东北角，而唐逊湖是亚洲最大的城市湖泊。唐逊湖流域的人口约为677,300，导致了强烈的环境压力。洪奇湖的水体面积为1.37平方公里，是唐逊湖流域中污染负荷最高的海湾区域。在快速城市化的过程中，湖泊受到了大量污染物的影响，如生活污水和雨水径流污染，导致水质逐年下降。此外，历史上的围垦和水产养殖活动也对湖泊生态系统产生了深远影响。这些污染源使得洪奇湖发生了富营养化现象，具体表现为藻类等浮游生物的异常繁殖，从而导致水质恶化。为了建立一个清晰的水体生态系统，研究者在湖泊的东湾区域设立了10个微生境围栏，通过生态屏障与主湖体隔离，以减少水文和生物交换。实验设计包括四种水下植物的处理配置：单种群组（H09、H10）为密齿狸藻；双种群组（H07、H08）为密齿狸藻与穗状狐尾藻的共植；均匀混合组（H02、H04、H06）为四种水下植物（密齿狸藻、多毛苦草、多毛苦草、钝叶苦草）等量混合；斑块镶嵌组（H01、H03、H05）为四种植物的非均匀分布。在两个区域（修复区H区和未修复区P区）共设立了13个采样点，于2024年11月，按照标准化协议采集了表层水样、沉积物和水生生物样本。所有样本立即存放在避光保温容器中，并在4小时内运送到实验室进行后续处理。

在水质和沉积物理化参数的测定方面，表层水样按照标准化流程分析了总氮（TN-w）、总磷（TP-w）、总有机碳（TOC-w）和叶绿素-a的浓度。总氮的测定采用碱性过硫酸盐消化后，通过紫外分光光度法在220 nm波长下检测。总磷的测定则通过过硫酸盐酸消化后，再利用钼蓝比色法在880 nm波长下进行。叶绿素含量采用乙酰丙酮分光光度法测定。水样和沉积物中的总有机碳则使用总有机碳分析仪进行测定。沉积物样本在分析前进行了冷冻干燥、均质化和筛分（<2 mm），以确保分析的准确性。沉积物中的总氮（TN-s）和总磷（TP-s）含量则分别通过元素分析仪和电感耦合等离子体-原子发射光谱法（ICP-AES）进行测定。

在微生物测序方面，研究使用了16S rRNA基因测序技术，以揭示微生物群落的组成和功能。总微生物基因组DNA从沉积物样本中提取，使用Omega Bio-tek公司的E.Z.N.A.?土壤DNA试剂盒按照制造商的说明进行操作。DNA的质量和浓度通过1.0%琼脂糖凝胶电泳和NanoDrop2000分光光度计进行测定。随后，利用T100 Thermal Cycler PCR热循环仪对细菌16S rRNA基因的高变区V3-V4进行扩增，使用引物对338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）。PCR反应体系包括4 μL 5×Fast Pfu缓冲液、2 μL 2.5 mM dNTPs、0.8 μL每种引物（5 μM）、0.4 μL Fast Pfu聚合酶、10 ng模板DNA和ddH2O。热循环条件包括初始变性（95°C，3分钟），随后进行27轮变性（95°C，30秒）、退火（55°C，30秒）和延伸（72°C，45秒），最后进行72°C的最终延伸（10分钟）。同时，加入了不含模板DNA的阴性对照以监测污染情况。

为了进一步分析微生物群落的组成和功能，研究采用了一系列生物信息学工具。原始FASTQ文件通过内部Perl脚本进行解复用，随后使用fastp v0.19.6进行质量过滤，并使用FLASH v1.2.7进行拼接。过滤标准包括：截断在平均质量分数低于20的50 bp滑动窗口位置的读数，丢弃截断长度低于50 bp或包含模糊碱基的读数；拼接重叠序列长度超过10 bp且重叠区域错误率不超过20%；通过精确条形码匹配和引物允许不超过2个核苷酸的错配进行样本区分。优化后的序列在97%相似度下聚类为操作分类单元（OTUs），并使用UPARSE 7.1进行处理。为了减少植物相关微生物群落的干扰，所有样本中叶绿体序列被系统去除。为了标准化多样性分析，所有序列被稀释至每样本20,000读数（Good’s coverage为99.09%）。分类学分析使用RDP分类器v2.2进行，基于16S rRNA数据库。

在微生物群落的生物信息学分析中，研究使用了Majorbio Cloud平台进行土壤微生物群落的分析。基于OTUs信息，计算了稀疏曲线和α多样性指数，包括观察到的OTUs数量、Chao1丰富度、Shannon指数和Good’s覆盖率，使用Mothur v1.30.1进行。不同样本之间微生物群落的相似性通过基于Bray-Curtis差异的主坐标分析（PCoA）进行评估。PERMANOVA测试用于评估处理对微生物群落变异的解释比例及其统计显著性。LDA效应大小（LEfSe）分析用于识别不同组别中显著富集的微生物类群（LDA得分>2，P<0.05）。距离基础冗余分析（db-RDA）使用vegan包进行，以探讨沉积物理化性质对细菌群落结构的影响。正向选择基于蒙特卡洛置换测试（置换数=9999）。线性回归分析用于确定由db-RDA分析识别出的主要理化性质和临床参数与微生物α多样性指数之间的关联。在功能群落分析中，使用BugBase和Tax4Fun软件基于16S rRNA基因序列预测微生物的功能谱。预测的功能基因随后使用京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行注释。为了探索样本之间的内部群落关系，构建了共现网络，其中两个节点之间的相关性被认为是统计上显著的，当Spearman相关系数超过0.6或低于-0.6，并且P值小于0.01时。

研究结果表明，水下植物的恢复显著改变了沉积物微生物群落的结构和稳定性。在H区，有机物降解和营养物质循环相关的微生物类群显著富集，包括Omnitrophaceae（Omnitrophia门）、Victivallales（发酵细菌）、MSBL5（嗜碱嗜盐硫酸盐还原菌）和Paenibacillaceae（纤维素降解属）。这些微生物类群的富集与H区的环境条件密切相关，表明水下植物的恢复促进了特定功能微生物的富集。相比之下，P区微生物群落中存在与水体富营养化相关的类群，如蓝藻门和机会性病原体Burkholderia cepacia。这些结果表明，水下植物的恢复不仅改变了微生物群落的组成，还对生态系统的功能产生了深远影响。

研究还发现，H区的微生物群落稳定性高于P区。通过平均变异度（AVD）指数评估，H区的AVD为0.41，而P区为0.75（P<0.001），这表明水下植物的恢复减少了微生物群落的波动性。此外，βNTI（β-最近分类单元指数）分析进一步揭示了H区微生物群落的组装机制主要由异质性选择主导，其贡献比例显著高于P区（H区为90%，P区为66%）。这表明，水下植物的恢复通过环境过滤增强了微生物群落的稳定性，而P区的微生物群落则更多地受到随机波动的影响。这种差异可能源于H区中植物与微生物之间的协同作用，通过创造稳定的微环境，减少氧化应激，并提供特定的营养条件，从而促进特定功能微生物的富集。

在功能预测方面，研究发现H区的微生物群落主要与碳、氮和硫的循环，重金属转化以及有机物降解相关。例如，Omnitrophus、Paenibacillaceae、Desulfovibrio magneticus_RS-1、Peptoclostridium acidaminophilum DSM_3953和Desulfallas thermosapovorans等微生物类群在H区中显著富集。这些微生物可能在水下植物的根系和叶面附近形成稳定的生态位，从而提高氮和磷的去除效率。同时，H区微生物群落表现出显著的“生物膜效应”，不仅增加了微生物的功能多样性，还抑制了病原菌的定殖。这些发现为水下植物修复过程中物种选择提供了理论依据，表明通过结合具有不同形态特征的植物物种，可以更有效地调控微生物群落的组装和功能分化。

研究还发现，H区和P区在微生物多样性方面存在显著差异。H区的微生物群落表现出较低的α多样性，但功能上的多样性保持较高水平。这种多样性变化反映了生态系统在功能与多样性的权衡。尽管某些研究认为更高的植物多样性会带来更高的微生物多样性，但本研究发现，混合种植系统中的α多样性较低，而关键的氮去除过程和有机物降解能力保持稳定。这种功能的维持可能源于微生物群落中功能冗余的形成，以及关键功能类群的特化。这表明，在高强度人类干扰的背景下，植物间的激烈竞争可能抑制微生物多样性，但通过功能冗余和优势类群的特化，生态系统功能仍可维持。

此外，研究还发现，H区的微生物群落表现出更强的代谢适应能力。通过RDA和Mantel分析，研究确定了营养物质梯度是微生物群落组装的主要驱动因素。具体而言，沉积物中的总有机碳（TOC）、氨氮（NH?-N）和总氮（TN）浓度对微生物群落结构的影响最为显著。TOC的主导作用突显了其在塑造微生物生态位中的关键作用，通过碳分解代谢途径促进微生物的适应。Tax4Fun分析显示，H区微生物群落显著富集了碳固定和脂肪酸生物合成等代谢途径，这与之前的研究结果一致，即微生物利用植物来源的碳骨架驱动酶促反应。H区中硝酸盐还原菌的富集以及氨氮浓度的降低进一步支持了根系分泌物对反硝化过程的促进作用。根系释放的有机酸可能作为兼性厌氧菌的电子供体，使碳氧化和硝酸盐还原过程得以同时进行，这是氮去除的关键共代谢过程。此外，FAPROTAX预测的烃类降解类群可能利用根系分泌物作为共底物，通过共代谢酶诱导分解难降解化合物。

研究还发现，H区中浮游植物生物量显著降低，表明水下植物对藻类竞争者的抑制作用。水下植物释放的化感物质能够选择性地抑制竞争性浮游植物和蓝藻的生长。这些化感物质可能直接影响藻类的生理结构或生态功能，如脂肪酸化感物质可降低细胞膜的选择通透性，而多酚类化感物质可抑制胞外碱性磷酸酶的活性。此外，化感物质还可能影响藻类的光合作用系统和抗氧化酶活性。水下植物与微生物群落的协同作用通过营养物质剥夺、藻类裂解增强和微生物解毒等多种机制改善水质。

研究进一步探讨了水下植物与微生物群落之间的生物多样性协同效应。H区与P区在生物多样性模式上的差异反映了水下植物-微生物联盟对多营养级相互作用的级联影响，最终塑造了生态系统的功能和修复结果。植物、微生物和浮游生物之间的相互作用对于维持改善后的水质和生态韧性至关重要。H区中浮游植物物种丰富度降低，但浮游动物的多样性与均匀度显著提高，这表明水下植物在某些情况下既是竞争者也是促进者。化感抑制降低了浮游植物的多样性，而水下植物形成的异质微生境促进了浮游动物的生态位分化。结构复杂的植被区域通过提供避难所和多样化的食物来源，提高了无脊椎动物的多样性。H区中浮游动物的Pielou指数高于P区，表明水下植物改善了资源分配，从而减少了浮游动物类群之间的竞争排斥。

研究还发现，H区中观察到的生物多样性变化引发了积极的营养级级联效应。首先，可食用的绿藻门（Chlorophyta）成为浮游动物高质量的食物来源，从而增加了对藻类的捕食压力。其次，浮游动物生物量的增加加速了营养物质向更高营养级的转移，减少了水体中的营养物质再循环。沉积物的稳定进一步增强了这一过程。水下植物-微生物联盟的共存提高了有机物处理的效率，形成了一个自我强化的循环。这些相互作用表明，提高生物多样性不仅有助于改善水质，还能增强生态系统的稳定性。H区中浮游动物的功能多样性高于P区，这表明功能冗余是生态系统稳定性的关键因素。这种冗余确保了即使某些物种减少，捕食压力和营养物质循环仍能持续。

研究还指出，H区和P区在微生物群落结构上的差异与环境驱动因素密切相关。沉积物中的TOC、NH?-N和TN浓度作为主要的环境驱动因素，对微生物群落的结构和功能产生了深远影响。这些理化参数的调控可能通过环境过滤效应，选择性地促进与营养物质循环和应激适应相关的微生物类群。例如，H区中Geobacter属的富集可能与其胞外电子传递能力有关，这在根际沉积物中对有机物矿化具有关键作用。相比之下，P区的微生物群落可能更多地受到随机移民和漂移的影响，这是缺乏强烈生物控制的生态系统特征。

研究的局限性也值得关注。首先，研究仅依赖于单季节的采样，这限制了我们对微生物演替和环境波动（如温度或营养物质脉冲）导致的群落重组的了解。其次，虽然对理化参数进行了分析，但关键的压力源，如痕量金属污染和新兴污染物，未被量化，可能忽略了它们对微生物群落组装的协同效应。此外，尽管化感物质被识别为浮游植物抑制的潜在驱动因素，但水体中植物次生代谢产物的直接测量缺失，使得其生态化学计量学特征无法被完全表征。未来的研究应整合多组学方法，以阐明分类学和功能的层级结构，并结合培养依赖技术验证预测结果。长期监测不同季节和水文条件下的微生物群落变化对于区分确定性与随机性组装机制，以及评估生态系统在气候驱动扰动下的稳定性至关重要。此外，将水下植物恢复与生物强化或生物刺激策略相结合，可能进一步提高水质改善效果，同时缓解生物多样性与生态系统功能之间的权衡。

综上所述，本研究系统地探讨了水下植物恢复对沉积物微生物群落及其功能影响，揭示了微生物群落的结构变化和功能多样性与生态系统恢复之间的关系。研究结果表明，水下植物的恢复显著重塑了微生物群落，提高了其稳定性，并促进了与生物地球化学循环和有机物降解相关的微生物类群的富集。微生物群落在修复区的富集主要由硝化螺旋菌门（Nitrospirota）、厚壁菌门（Firmicutes）和硫酸盐还原菌（SRB）驱动，这些微生物参与了氮转化和有机物分解过程。β多样性分析和群落组装过程的探讨表明，修复区的微生物群落分化主要由异质性选择主导，而未修复区则更多地受到随机性过程的影响。水下植物作为环境过滤器，通过促进进化保守的生态位分化和功能冗余，提高了微生物群落的稳定性。总氮、总磷和总有机碳的浓度作为主要的环境驱动因素，突显了营养物质动态在塑造植物-微生物相互作用中的核心作用。通过将微生物群落动态与生态系统水平响应联系起来，研究结果为优化水下植物恢复策略提供了新的见解，特别是在应对人类压力的背景下，如何平衡短期水质改善与长期生态韧性。未来的研究应探索这些相互作用的时间尺度及其在不同城市水体生态系统中的适用性。