南极湖泊沉积物中完全氨氧化菌（Comammox）的绝对优势及其与抗生素抗性基因（ARGs）的关联研究

《Microbial Ecology》：Ubiquity and Dominance of Comammox Over AOB and AOA and their Links To ARGs in Antarctic Lake Sediments

本研究针对南极极端环境中氮循环关键驱动者——完全氨氧化菌（Comammox）的分布规律尚不明确的问题，通过采集西南极湖泊沉积物样本，系统探究了Comammox、氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的分布模式及其与抗生素抗性基因（ARGs）的关联。研究发现Comammox clade B在所有沉积物中广泛存在且丰度显著高于AOB和AOA，其丰度与NH4+-N呈正相关，与C:N比呈负相关；pH是塑造氨氧化菌群落结构的关键因子；网络分析揭示Comammox与AOB/AOA/NOB存在显著协同作用，且Comammox可能作为ARGs的重要宿主促进其传播。该研究为极端环境下微生物氮循环机制及抗性基因扩散风险提供了新见解。

　　

在南极这片被冰雪覆盖的白色大陆上，湖泊沉积物中蕴藏着驱动氮循环的关键微生物。长期以来，硝化作用被认为是由氨氧化微生物（包括氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）共同完成的两步过程。然而，2015年完全氨氧化菌（Comammox）的发现彻底颠覆了这一传统认知——这类神奇的微生物能够独立将氨直接氧化为硝酸盐。尽管Comammox已在土壤、河流等多种环境中被报道，但在环境极端、生态脆弱的南极地区，其分布规律、生态功能及与环境因子的关系仍属未知。与此同时，抗生素抗性基因（ARGs）作为新兴污染物，在南极生态系统中的传播风险也日益受到关注。研究表明氨氧化微生物可能是ARGs的重要宿主，但Comammox这一“新成员”在ARGs传播中的作用更是未知中的未知。

由中国科学技术大学朱仁斌教授团队领衔的研究，在《Microbial Ecology》上发表了题为“Ubiquity and Dominance of Comammox Over AOB and AOA and their Links To ARGs in Antarctic Lake Sediments”的重要成果。研究人员通过采集西南极非鸟源沉积物（NOLS）和鸟源沉积物（OLS），综合运用实时定量PCR（qPCR）、高通量测序、网络分析和多变量统计等方法，首次系统揭示了Comammox在南极湖泊沉积物中的分布规律、群落结构及其与ARGs的关联。

关键技术方法包括：1）采集西南极7个湖泊（菲尔德斯半岛和阿德利岛）的21个沉积物样本，区分鸟源与非鸟源沉积物；2）测定沉积物理化性质（如NH₄⁺-N、NO₃^--N、pH、TC、TN等）；3）通过qPCR定量Comammox clade A/B、AOA、AOB的amoA基因丰度；4）对上述功能基因及Nitrospira的nxrB基因进行高通量测序和系统发育分析；5）利用高通量qPCR检测283种ARGs和12种MGEs；6）通过共现网络、RDA/CCA等统计方法分析微生物与环境因子及ARGs的关联。

Geochemical properties for the lake sediments

研究表明，企鹅粪输入显著改变了沉积物地球化学性质。鸟源沉积物（OLS）的总碳（TC）、总氮（TN）和总磷（TP）含量显著高于非鸟源沉积物（NOLS），pH值则显著降低。NH₄⁺-N含量在OLS中更高（均值2.99 mg kg^-1），而NO₃^--N含量远低于NH₄⁺-N。Cu、Zn等金属元素在OLS中也显著富集。

Occurrence and abundances for comammox and other ammonia oxidizers in sediments

Comammox clade B的amoA基因在所有沉积物中均被检出，丰度为1.62×10⁴–4.79×10⁵ copies g^-1，且在多数样品中显著高于AOB和AOA。AOB仅在部分样品中检出，而AOA仅在3个湖泊中零星检出且丰度极低。Comammox clade B占总amoA基因的比例高达57.01%，表明其在南极湖泊沉积物中占据绝对优势。

Biodiversity and community structure for ammonia oxidizers in sediments

Comammox群落的Chao1、Shannon和Inverse Simpson指数在NOLS中显著高于OLS。系统发育分析显示，所有Comammox amoA OTUs均属于clade B，其中OTU1占主导地位（71.19%）。AOB OTUs主要属于β-变形菌纲的Nitrosomonadaceae科，AOA OTUs则全部属于I.1b簇的Nitrososphaera sp.和Candidatus Nitrosocosmomicus sp.。

Co-occurrence network of ammonia oxidizers and Nitrospira in sediments

共现网络分析显示，Comammox clade B与AOA、AOB之间存在强烈的正相关关系（99.70%连接为正向）。在Nitrospira群落内部，Comammox clade B与NOB也以协同关系为主（90.58%为正向连接），表明这些微生物在硝化过程中可能存在功能互补与合作。

Correlations and co-occurrence of ammonia oxidizers with ARGs

Comammox clade B的丰度与多种ARGs（如磺胺类、四环素类）及转座酶呈显著正相关。网络分析进一步揭示，Comammox clade B的25个OTUs与多重耐药、氯霉素、氨基糖苷类等ARGs亚型及整合子（intI3、intI-1LC）紧密关联，表明Comammox可能是ARGs的关键潜在宿主。

Correlations of ammonia oxidizers with environmental variables in sediments

RDA/CCA分析表明，NH₄⁺-N含量是影响氨氧化菌分布的最主要因子（解释度34.5%），而pH对Comammox、AOA和AOB的群落结构具有决定性影响（对Comammox OTUs的解释度高达58.1%）。Comammox clade B的丰度与NH₄⁺-N呈极显著正相关（r=0.857, p<0.01），与C:N比呈显著负相关（r=-0.488, p<0.05）。

研究结论强调，Comammox clade B是西南极湖泊沉积物中绝对优势的氨氧化菌，其成功定殖得益于对低温、酸性环境及低铵浓度的适应性。企鹅粪输入通过降低pH和增加养分，间接调控了氨氧化菌的群落结构。Comammox与AOB、AOA、NOB的协同作用共同驱动了硝化过程，而Comammox作为ARGs潜在宿主的新角色，提示其在南极环境中可能参与抗性基因的传播。该研究不仅拓宽了对极端环境微生物氮循环的认知，也为评估人类活动（如抗生素使用）对南极生态系统的潜在影响提供了重要科学依据。