分层湖泊水体中氨氧化与亚硝酸盐氧化微生物的深度依赖性分布模式及其生态意义

《Scientific Reports》：Depth-dependent distribution patterns of ammonia- and nitrite-oxidizing microorganisms in the water column of stratified lakes

本刊编辑推荐：本研究针对分层湖泊水体中氮循环关键微生物的垂向分布规律尚不明确的问题，通过分析四个分层湖泊水柱中氨氧化微生物(AOO)、亚硝酸盐氧化细菌(NOB)和厌氧氨氧化细菌(AMX)的16S rRNA基因(rDNA)和rRNA(cDNA)，揭示了不同类型湖泊中硝化微生物的深度特异性分布模式。研究发现大型深水湖泊含氧贫营养区以Ca. Nitrosopumilus(AOA)为主导，而小型湖泊上层贫营养区则以Nitrosospira(AOB)和Ca. Nitrotoga为主；厌氧氨氧化细菌Ca. Anammoximicrobium专性分布于小型湖泊缺氧贫营养层，且其丰度与铵盐浓度呈显著正相关。该研究为淡水湖泊氮循环模型的构建提供了重要的微生物生态学依据。

　　

在淡水生态系统中，氮循环是维持水体生态平衡的关键过程，其中硝化作用将铵盐转化为硝酸盐，是连接氮素转化各环节的重要桥梁。然而，在分层湖泊的水体中，由于温度、溶解氧和营养盐的垂直梯度变化，硝化微生物的分布和活性呈现出复杂的空间格局。长期以来，人们对湖泊中驱动硝化过程的微生物类群——包括氨氧化微生物（Ammonia-Oxidizing Organisms, AOO）和亚硝酸盐氧化细菌（Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB）——的垂向分布规律及其对环境因子的响应机制仍缺乏系统认知。此外，厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation, Anammox）过程在淡水湖泊氮损失中的作用也亟待深入探索。

为此，来自奥地利因斯布鲁克大学和苏黎世大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果，通过对四种不同类型分层湖泊（苏黎世湖、阿亨湖、皮伯格湖和赫希特湖）水柱进行高分辨率采样，结合16S rRNA基因（rDNA）和逆转录cDNA（源自rRNA）的高通量测序分析，系统揭示了氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）、氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）、NOB以及厌氧氨氧化细菌（Anammox Bacteria, AMX）的深度依赖性分布模式。研究还利用微滴数字PCR（ddPCR）技术对皮伯格湖缺氧贫营养层中的Ca. Anammoximicrobium进行了精确定量，进一步明确了其生态位偏好。

研究人员综合运用了环境参数垂直剖面监测、水体微生物过滤与核酸共提取、16S rRNA基因V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台）、SILVAngs生物信息学分析流程、冗余分析（RDA）等统计方法，以及针对Ca. Anammoximicrobium的特异性引物优化与微滴数字PCR（ddPCR）绝对定量技术。所有湖泊水样均使用辛德勒-帕塔拉斯采水器采集，确保了样本的深度准确性和代表性。

结果与讨论

物理化学湖泊特征与总体微生物多样性

四个湖泊呈现出显著不同的水文物理和化学分层特征。大型深水湖泊苏黎世湖（ZUR）在11月采样时表现出典型的金属层氧最小值，深层贫营养层（>100米）缺氧且铵盐积累。阿亨湖（ACH）作为超贫营养湖泊，整个水柱氧饱和度高，营养盐水平极低。小型湖泊皮伯格湖（PIB）和赫希特湖（HEC）则表现出强烈的夏季分层，贫营养层严重缺氧并伴随高浓度铵盐。微生物群落组成分析显示，湖泊类型和深度显著影响整体微生物结构，例如蓝细菌在透光层占主导，而贫营养层则出现了特化类群的富集。

大型深水湖泊中的硝化微生物

在ZUR和ACH这两个大型深水湖泊的含氧贫营养层，属于奇古菌门（Nitrososphaerota，即以前的Thaumarchaeota）的Ca. Nitrosopumilus（AOA）是绝对优势的氨氧化类群，其在rDNA中的相对丰度最高可超过总数的24%。与之相比，硝化螺菌（Nitrospira, NOB）的丰度通常低一个数量级。然而，对rRNA（cDNA）的分析表明，Nitrospira的核糖体相对丰度显著提高，与AOA的比值（基于cDNA）从DNA水平的约12:1-14:1缩小至约3:1-5:1。这表明Nitrospira可能具有更高的核糖体含量或细胞活性，提示在评估微生物功能时，RNA水平的数据能提供不同于DNA的活性信息。

小型分层湖泊中的硝化微生物

与大型湖泊相反，在PIB和HEC这两个小型湖泊中，氨氧化过程主要由细菌中的Nitrosospira（AOB）驱动，而亚硝酸盐氧化则主要由Ca. Nitrotoga（NOB）完成。它们的分布主要集中在湖泊的上层贫营养层，丰度通常低于总群落的1%，且没有显示出如大型湖泊中那样清晰的深度依赖模式。冗余分析（RDA）证实，溶解氧（DO）和硝酸盐（NO₃^--N）是影响AOB和NOB分布的关键正相关因子。

Ca. Anammoximicrobium的深度依赖性分布

Ca. Anammoximicrobium是PIB和HEC缺氧贫营养层中绝对优势的AMX类群，在大型湖泊ZUR和ACH中则几乎检测不到。基于rRNA:rDNA比率的分析表明，该菌在缺氧条件下具有较高的潜在活性。对PIB贫营养层进行的米级分辨率ddPCR定量揭示，Ca. Anammoximicrobium的丰度在21米以下急剧增加，在近底层（24米）达到最大值，其丰度与铵盐（NH₄⁺-N）浓度呈极显著正相关（r=0.81, p<0.01），与溶解氧浓度呈极显著负相关。这明确了其在缺氧、富铵环境中的专属生态位。

结论与意义

本研究清晰地表明，湖泊的形态特征（大小、深度）及其所主导的物理化学分层结构，是决定硝化和厌氧氨氧化微生物群落组成与垂直分布的关键因素。在大型贫营养深水湖泊中，AOA（Ca. Nitrosopumilus）和NOB（Nitrospira）主导含氧贫营养层的硝化过程，且RNA水平的数据提示NOB可能具有与其DNA丰度不匹配的高潜在活性。而在小型分层湖泊中，AOB（Nitrosospira）和NOB（Ca. Nitrotoga）在上层贫营养层活动，AMX（Ca. Anammoximicrobium）则专性分布于缺氧的深层水域，执行重要的厌氧氮损失功能。

该研究不仅深化了对淡水湖泊氮循环微生物驱动者的认识，更强调了在湖泊生态模型中必须考虑水体的垂直异质性和季节动态。研究结果对预测全球变化背景下（如变暖、富营养化）湖泊氮循环的响应具有重要启示，也为利用微生物指标评估湖泊生态系统健康状况提供了科学依据。