人工湿地土壤微生物群落动态：季节性变化与土壤特性对氮硫循环功能菌群的调控机制

这篇研究深入探讨了亚热带人工湿地（CWs）中土壤微生物群落的时空动态，揭示了湿地年龄、土壤深度和季节变化对硝化（nitrification）和反硝化（denitrification）功能菌群（如Nitrososphaera、Thiobacillus）的调控作用。通过16S rRNA测序和冗余分析（RDA），研究发现可溶性有机碳（Sb OC）和硫酸盐（SO4 2? ）分别是异养和自养反硝化菌的关键驱动因子，为优化湿地脱氮（N removal）效能提供了理论依据。

　　

引言
人工湿地（CWs）作为模拟自然湿地的工程系统，通过微生物驱动的氮（N）、硫（S）循环实现污水净化。然而，亚热带地区CWs中微生物群落的演替规律及其与环境因子的关联尚未明晰。本研究以台湾北部3个不同年龄（10Y/15Y/17Y）的CWs为对象，结合冬夏两季采样，解析了土壤特性与微生物功能的耦合机制。

材料与方法
研究选取Xinhai湿地三期工程（Phase 1-3），采集0-2 cm和2-5 cm土层样品，测定pH、电导率（EC）、总有机碳（TOC）、可溶性有机碳（S_b
OC）及NH₄
⁺
/NO₃
^?
/SO₄
^2?
等离子浓度。通过Illumina MiSeq平台测序16S rRNA V4区，使用Mothur和SILVA 138.1数据库进行OTU聚类，PICRUSt2预测KEGG代谢通路。统计采用PERMANOVA、RDA和多元线性回归（MLR）。

结果

1. 微生物多样性：冬季α多样性（Chao1/Shannon指数）显著高于夏季，且2-5 cm土层高于表层（p<0.001），与高温抑制效应和S_b
   OC分布相关。
2. 群落组成：古菌以Crenarchaeota（90.5%）为主，与低NH₄
   ⁺
   、高NO₃
   ^?
   浓度显著相关；细菌中Proteobacteria（30.1%）、Chloroflexi（15.7%）主导，且Phase 1湿地独特性较高（PERMANOVA p<0.05）。
3. 功能菌群：
   • 硝化菌：Nitrososphaera（OTU1）占优势，与NO₃
     ^?
     正相关（R²
     =0.62）；
   • 反硝化菌：自养型Thiobacillus（32.3-49.5%）与SO₄
     ^2?
     显著关联（p<0.01），异养型Chthoniobacter依赖S_b
     OC（MLR斜率=0.78）。

讨论

1. 碳硫耦合效应：老年湿地（17Y）S_b
   OC积累促进异养反硝化，而年轻湿地（10Y）SO₄
   ^2?
   驱动硫自养途径，印证了“C/N/S化学计量比调控菌群演替”的假设。
2. 工程启示：建议在低碳进水湿地中添加硫基质（如元素硫）以强化自养脱氮，同时通过植被凋落物补充有机碳，构建混合营养（mixotrophic）系统。

结论
亚热