探秘污染含水层微生物群落：功能多样性的坚守与群落结构的变迁

在环境微生物研究中，微生物多样性对环境压力的响应尚不明确。研究人员以美国田纳西州橡树岭受污染含水层为对象，分析微生物群落。结果显示，污染使分类和系统发育 α 多样性降低，功能 α 多样性下降不显著。研究成果发表在《Microbiome》杂志上，这为生物修复及生态评估提供依据。

　　

在神秘的微观世界里，微生物如同隐藏的 “小精灵”，掌控着许多生态过程的 “魔法钥匙”。然而，当环境遭受各种压力，比如重金属污染、酸碱度失衡时，这些 “小精灵” 会如何应对呢？过往研究大多聚焦于微生物的分类，却忽视了其整体功能潜力。我们并不清楚微生物的功能多样性是否会像分类多样性一样，在环境压力下产生类似的变化。为了解开这些谜团，来自美国多个研究机构（如 University of Oklahoma、Oak Ridge National Laboratory 等）的研究人员，针对美国田纳西州橡树岭一处受混合废物污染的含水层开展了研究。该研究成果发表在《Microbiome》杂志上，为我们揭示了微生物群落与环境压力之间的微妙关系。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过 16S rRNA 基因扩增子测序分析微生物分类和系统发育多样性，这就像是给微生物的 “身份信息” 做了详细登记。接着，利用宏基因组鸟枪法测序研究功能多样性或功能基因多样性，全面了解微生物的 “功能密码”。同时，对采集自不同污染程度井中的地下水样本进行多种地球物理和地球化学分析，获取环境变量信息。

研究结果如下：

• 环境变量：高污染井中的电导率、溶解一氧化二氮（N2?O）、氯离子（Cl?）等多种物质浓度较高，pH 值较低。而且，随着污染程度增加，环境变量的离散度显著增大。

• 微生物 α、β 和 γ 多样性：高污染井中微生物分类、系统发育和功能 α 多样性的丰富度最低，中等污染井中最高。与未污染井相比，高污染井中分类 α 多样性降低 85%，系统发育 α 多样性降低 81%，但功能 α 多样性平均仅降低 55%，差异不显著。在 β 多样性方面，不同污染程度的井水微生物群落分类、系统发育和功能组成差异显著。高污染井中微生物分类和系统发育组成的离散度较低，功能组成的离散度最高。在 γ 多样性方面，高污染井中的分类、系统发育和功能 γ 多样性低于未污染井，不过中等污染井的系统发育 γ 多样性高于未污染井。

• 细菌分类群：变形菌门（Proteobacteria）在高污染井中最为丰富，占相对丰度的 74%。此外，一些具有特定功能的细菌，如参与反硝化作用的罗丹杆菌属（Rhodanobacter）在高污染井中占主导，而氨氧化古菌（Nitrosarchaeum）在低污染井中含量较高。

• 功能基因类别：在功能基因方面，污染井中大多数碳降解基因相对丰度降低，而反硝化、腺苷酰硫酸还原和亚硫酸盐还原相关基因增加。氮循环中，高污染井中固氮和硝化的生物标志物基因减少，反硝化基因增加。硫循环里，亚硫酸盐还原基因在中等和高污染井中增加，硫同化基因减少。金属稳态相关基因在污染井中有增有减。同时，污染井中多数渗透应激和氧化应激基因减少，部分氧气限制响应基因增加，多数有机污染物降解基因减少，部分电子转移基因在高污染井中增加。

• 微生物群落与环境因素的联系：环境变量和地理距离对微生物群落组成有重要影响。环境变量对功能组成变化的解释力（R2=0.897）远高于对分类（R2=0.557）和系统发育组成（R2=0.679）的解释力，且环境变量比地理距离更重要。

综合研究结果与讨论，研究表明尽管微生物分类 α 多样性在环境压力下降低，但功能多样性下降较为温和，显示出微生物群落功能对环境压力有较强的缓冲能力。功能组成的异质性与环境压力相关，这一现象符合 “安娜?卡列尼娜原则”，意味着该原则在自由生活的微生物群落中同样适用。研究还强调了功能冗余在维持微生物功能多样性中的作用，以及随机和确定性过程对群落组成的影响。这些发现对生物修复策略的制定意义重大，特定功能基因标记可用于更精准地评估污染和恢复生态系统。同时，在评估生态系统健康状况时，微生物功能也应被重点考虑，因为其在维持生态系统过程中起着关键作用。