国家尺度下河流细菌生物膜群落的生物地理分布与功能特征及其对环境驱动的响应

《Nature Communications》：National-scale biogeography and function of river and stream bacterial biofilm communities

本研究针对大空间尺度上河流生物膜分类与功能多样性认知不足的问题，通过宏基因组测序对英格兰450个生物膜样本进行分析，回收了1,014个宏基因组组装基因组(MAGs)，发现约20%为新属，揭示了以泛化菌为主的生物膜群落具有显著的代谢多样性，并在营养循环和污染物转化中发挥关键作用。环境驱动因子（尤其地质和土地利用）平均解释了71%的细菌MAGs相对丰度变异，为河流生态系统健康监测和管理提供了重要基础。

　　

在流动的淡水生态系统中，石头表面覆盖着一层由微生物组成的生物膜，这些复杂的群落是驱动生物地球化学过程和生态系统功能的关键。然而，随着土地利用变化、化学污染和气候变化的压力日益增加，我们对河流生物膜的物种多样性、功能及其对环境变化的响应在大尺度上的了解仍非常有限。以往的研究多集中于单个河流或流域，缺乏全国范围的系统评估。为此，Amy C. Thorpe等研究人员在《Nature Communications》上发表了题为“National-scale biogeogeography and function of river and stream bacterial biofilm communities”的研究，通过利用英格兰河流监测网络(River Surveillance Network)的450个生物膜样本，开展了国家尺度的宏基因组分析，深入揭示了河流生物膜细菌的生物地理格局、代谢潜能和功能特性，并明确了影响其群落结构的关键环境驱动因子。

为开展本研究，作者主要应用了以下几个关键技术方法：基于英格兰环境署河流监测网络的450个生物膜样本进行系统采集与DNA提取；利用Illumina NovaSeq 6000平台进行宏基因组测序，平均每个样本产生约6680万条 reads；使用Megahit进行序列组装，并通过MetaBAT、MetaBinner和CONCOCT等工具进行Binning，再经dRep去冗余，获得宏基因组组装基因组(MAGs)；利用CheckM2评估基因组完整度和污染度，GTDB-Tk进行物种注释；通过METABOLIC、metabolisHMM和microTrait等工具进行代谢通路和功能基因注释；结合地理信息、水体理化参数、上游流域地质和土地利用等多类环境变量，采用方差分解分析和生态位宽度指数等统计方法探究环境驱动因素。

河流生物膜微生物群落的多样性和组成

研究人员通过宏基因组测序，从450个河流生物膜样本中回收了1,014个MAGs，其中近完整和中等质量的MAGs共820个用于下游分析。这些MAGs涵盖了20个已知门，并显示出较高的分类新颖性——20.6%的MAGs代表新的属，94.4%为新的物种。群落以假单胞菌门(Pseudomonadota)为主导（平均相对丰度48.49%），其次是蓝藻门(Cyanobacteriota)和拟杆菌门(Bacteroidota)。基因组大小和GC含量在不同门类中呈现明显的系统发育相关性，可能反映了其对生态位的适应策略。

河流生物膜细菌的生物地理分布

通过生物地理分布和生态位宽度分析，研究发现大多数MAGs为广布种，平均存在于92%的样本中，其中21%的MAGs存在于所有样本中。假单胞菌门和拟杆菌门遍布全国，而蓝藻门等类群则显示出区域性分布特征。生态位宽度分析进一步将细菌划分为泛化种（广义种）和特化种（狭义种），其中高占有率的MAGs中88%被归类为泛化种。距离衰减关系较弱，表明河流生物膜中细菌的扩散速率较高，同时局地环境选择也起作用，符合“物种无处不在，但环境选择”的Baas Becking假说。

河流生物膜群落的代谢潜能

功能注释显示，绝大多数MAGs具有参与碳、氮、硫循环的基因潜能。假单胞菌门、蓝藻门和拟杆菌门的MAGs在营养循环基因中占比最高。碳固定、硝化、反硝化、硫氧化等多种途径的关键基因在群落中广泛存在。此外，生物膜细菌还具有产甲烷、反硝化等与温室气体排放相关的代谢潜能，表明其在河流生态系统温室气体通量中可能扮演重要角色。

河流生物膜群落的功能潜力

生物膜细菌展现出广泛的资源获取和压力耐受功能。超过74%的MAGs含有降解简单和复杂碳水化合物、纤维素及蛋白质的基因，体现了其代谢灵活性。好氧呼吸基因广泛存在（91.10%的MAGs），部分MAGs还具有厌氧呼吸或光合作用基因，反映了生物膜内部分层微环境的生存策略。与生物膜形成、群体感应、趋化性等相关的基因在绝大多数MAGs中被检测到，突出了生物膜形成作为微生物在动态河流生态系统中关键生存策略的普遍性。此外，生物膜细菌还具有转化有机磷农药、多环芳烃(PAHs)和金属运输的基因潜能，表明其在污染物降解和水质净化中可能发挥重要作用。

河流生物膜群落的环境驱动因素

方差分解分析表明，测量的环境变量平均解释了70.63%的MAGs相对丰度变异。上游流域地质是最大的驱动因子（平均解释45.68%的变异），特别是钙质和硅质地质；土地利用平均解释12.78%的变异；而水体化学参数解释的比例相对较小（平均4.51%）。钙质地质与较高的pH、碱度和电导率正相关。此外，正磷酸盐、硝酸盐氮等营养盐以及污水处理厂(WWTP)排放也是重要的驱动因素。与河流连续体概念(RCC)在河水水体细菌群落中的主导地位不同，河流等级在生物膜群落中解释的变异很小（<1%），表明局部因素（如地质、土地利用和营养输入）对生物膜群落的影响更为重要。

本研究通过国家尺度的系统采样和高分辨率环境数据，深入揭示了英格兰河流生物膜细菌的生物地理分布、分类多样性、代谢潜能和功能角色。研究发现河流生物膜主要由高占有率、泛化型细菌主导，尤其以假单胞菌门、蓝藻门和拟杆菌门为主，展现出广泛的代谢能力和功能特性，包括参与碳、氮、硫循环，利用多种有机化合物，运输有机污染物以及采用多种营养策略。其执行多样化生化角色的能力反映了对生物膜微环境的生态位适应，并为动态河流生态系统提供了韧性，使其能够在波动或不利条件下维持关键的生物地球化学过程。

研究还发现，上游流域地质和土地利用是生物膜群落结构的主要决定因素，可能通过其对水柱理化条件的长期影响来塑造群落组成。与主要受河流连续体概念(RCC)驱动的河水水体细菌群落不同，局部因素对生物膜群落的影响更为显著。人类活动，包括土地利用变化以及污水处理厂废水和污染物排入河流，可能会显著影响生物膜群落动态。河流生物膜是生态系统健康的宝贵生物指示剂，本研究提供的基线数据可支持水质监测和管理，并有助于理解河流生物膜细菌群落对环境变化的响应韧性，为河流生态系统的有效保护和管理提供了重要的科学基础。