DNA-SIP揭示三峡水库沉积物中活性氨氧化微生物的垂直生态位分化及其对氮循环的调控机制

本研究针对氨氧化微生物（AOA、AOB和Comammox Nitrospira）在分层沉积物中的功能贡献不明确的问题，采用DNA稳定同位素探针技术（DNA-SIP），结合qPCR和高通量测序，揭示了三峡水库沉积物中AOA在表层（0-10 cm）主导氨氧化，而Comammox Nitrospira clade A（ComA）在深层（10-20 cm）活跃的生态位分化现象，为理解水生生态系统氮循环的微生物驱动机制提供了新视角。

　　

氮循环是地球生物化学循环的核心环节，而氨氧化过程作为其关键步骤，长期以来被认为主要由氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）驱动。然而，2015年完全氨氧化菌（Comammox Nitrospira）的发现彻底颠覆了这一认知。这类微生物能够独立完成从氨到硝酸盐的全程转化，但其在不同环境中的功能贡献和生态位分配仍存在巨大知识空白。尤其在分层沉积物这类复杂生境中，氧气和营养盐的梯度变化如何影响氨氧化微生物的活性分布，成为环境微生物学研究的前沿热点。

三峡水库作为全球最大的人工淡水生态系统，其沉积物是氮素转化的关键场所。以往研究虽检测到Comammox Nitrospira的存在，但缺乏其活性参与氨氧化的直接证据。更值得注意的是，在深层低氧沉积物中，传统认为AOA是主要氨氧化驱动者，但这一假说从未被实验验证。这些认知局限严重阻碍了对水库生态系统氮循环机制的准确解析。

针对这一科学难题，国内研究机构的研究团队在《Environmental Technology》发表了创新性成果。他们采用DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）技术，结合分层采样和分子生物学手段，首次揭示了三峡水库沉积物中氨氧化微生物的垂直功能分化图谱。研究选取沉积物核心样本（0-300 cm），重点分析0-30 cm分层样品，通过¹³CO₂标记微宇宙实验追踪活性微生物的碳同化过程，并采用qPCR定量和系统发育分析明确关键功能菌群。

3.1 沉积物硝化活性的垂直异质性
研究发现0-10 cm层的净硝化速率（0.34 mg NO₃^- kg^-1 d.w.s./天）显著高于10-20 cm层（0.22 mg NO₃^- kg^-1 d.w.s./天），而20-30 cm层几乎无硝化活性。乙炔抑制实验证实这些过程均由自养微生物驱动。

3.2 氨氧化微生物的丰度动态
qPCR显示AOA基因拷贝数在表层（0-10 cm）达3.84×10⁶ copies g^-1，是ComA的7倍；但在10-20 cm层，ComA增长3.2倍，呈现明显的深度适应性。

3.3 DNA-SIP揭示活性菌群
超离心结合密度梯度分析显示，表层沉积物中AOA的amoA基因显著富集于重密度组分（>1.72 g/ml），而10-20 cm层仅ComA基因发生密度偏移。系统发育分析锁定Nitrososphaera gargensis为表层优势AOA，而ComA中clade A.2占比达74.26%。

4.1 生态位分化的驱动机制
研究提出"双层调控"模型：表层好氧环境选择高氨亲和力的AOA，而深层低氧、低氨条件更利于ComA生存。值得注意的是，ComA clade A.2对缺氧环境的特殊适应性可能与其未被揭示的代谢通路有关。

4.2 Comammox的深度生态功能
突破性地发现10-20 cm沉积层中ComA是唯一活性氨氧化菌群，修正了传统认为AOA主导深层硝化的观点。其clade A.2的绝对优势（20.69%相对丰度）暗示这类微生物在寡营养环境中的竞争优势。

这项研究首次通过实验证据阐明Comammox Nitrospira在深层沉积物的氨氧化功能，建立了"表层AOA-中层ComA"的垂直分工模型。这不仅为水库氮素管理提供理论依据，更启示在低氧水生生态系统中，Comammox可能被长期低估。未来研究需聚焦ComA clade A.2的纯培养及其低氧代谢机制，这将为污水处理、水产养殖等领域的微生物调控开辟新思路。