鸭绿江口湿地土壤微生物网络与生物地球化学循环的变异特征及其生态管理意义

为解决湿地土壤微生物群落结构与功能变异机制不清的问题，UNIVERSITA DEGLI STUDI DI MILANO团队通过宏基因组测序技术，揭示了鸭绿江口五种土壤类型中细菌/古菌群落组成、共现网络及碳(C)、氮(N)、硫(S)循环功能基因的差异，发现土壤有机碳(SOC)和总磷(TP)是驱动微生物群落和元素循环的关键因子，为湿地生态系统的可持续管理提供了理论依据。

　　

湿地作为水陆交界的特殊生态系统，被誉为"地球之肾"，其丰富的微生物群落如同看不见的工程师，默默推动着碳、氮、硫等关键元素的循环。然而，不同类型的湿地土壤如何塑造微生物的"社交网络"？这些微观生命又如何影响宏观的生态功能？这些问题长期以来困扰着生态学家。在鸭绿江口——中朝边境的第二大滨海湿地，来自米兰大学的研究团队展开了一场揭开土壤微生物奥秘的科学探索，相关成果发表在《Annals of Microbiology》上。

研究团队采用多学科交叉方法：通过采集潮滩土(SS)、沼泽土(BS)、水稻土(PS)、草甸土(MS)和棕壤(BFS)五种土壤类型样本，结合土壤理化性质分析（测定pH、电导率EC、总硫TS等指标）；运用CTAB法提取DNA并进行Illumina Novaseq 6000平台宏基因组测序；利用Kraken2和Bracken进行物种注释，HUMAnN2进行功能注释；通过Gephi构建微生物共现网络（Spearman相关性>|0.4|）；采用冗余分析(RDA)和偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析环境因子与微生物群落的关系。

微生物群落组成与多样性
研究揭示湿地土壤中细菌占绝对优势(97.6%)，古菌仅占1.9%。细菌中以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)为主，古菌则以奇古菌门(Thaumarchaeota)、广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)为主导。值得注意的是，BS土壤的古菌多样性最高（Chao1指数91），其优势菌甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)占比达69.29%，暗示该环境可能存在活跃的甲烷代谢。

共现网络特征
细菌网络中，BS土壤展现出最高平均聚类系数(0.85)和最短平均路径长度(1.65)，表明其网络结构最稳定；而古菌网络在PS土壤中最为复杂（138条边）。有趣的是，MS土壤的细菌网络和BFS土壤的古菌网络负相关性最高（分别达27.91%和36%），提示这些群落可能具有更强的环境干扰抵抗能力。

元素循环功能基因
通过DiTing数据库分析发现：

• 碳循环：BS土壤独有Wood-Ljungdahl(WL)途径，SS土壤在还原性三羧酸循环(rTCA)中表现突出。甲烷代谢呈现明显分化——SS土壤主导甲烷氧化（以Nitrosarchaeum等奇古菌为主），BS土壤则存在两种甲烷合成途径。
• 氮循环：BS、PS和MS土壤以固氮作用为主，SS土壤则在硝化作用中占优。
• 硫循环：硫氧化主要由PS和SS土壤中的硫氧化细菌驱动，而硫歧化作用则集中在PS和BS土壤。

环境驱动机制
PLS-PM模型显示土壤因子通过不同途径影响微生物功能：SOC和pH主要调控细菌群落（路径系数0.913和-0.809），而TP和TS强烈影响古菌多样性（0.796）。值得注意的是，古菌多样性对C/N/S循环功能基因的影响最大（标准化路径系数0.912），远超过细菌网络结构的影响（-0.153）。

这项研究首次系统解析了鸭绿江口湿地微生物网络与元素循环的耦合机制，揭示土壤理化性质通过"古菌多样性-功能基因"途径主导生态过程。发现WL途径和rTCA途径的空间分异为理解湿地碳汇功能提供了新视角，而甲烷代谢菌群的生态位分化对温室气体调控具有实践意义。研究建立的PLS-PM模型为预测湿地生态功能对环境变化的响应提供了量化工具，论文强调保护湿地微生物多样性对维持生物地球化学循环稳态的重要性，为跨境湿地保护区的科学管理提供了关键理论支撑。