原生动物驱动的微食物网调控水库生态系统碳氮循环的机制与生态意义

本研究针对水库生态系统中微食物网结构与碳氮循环耦合机制的关键科学问题，通过宏基因组技术解析了汾河水库不同功能区的微生物群落特征，揭示了原生动物通过营养级联效应调控细菌和藻类种群，进而影响碳降解/固定途径和氮转化过程的空间分异规律。研究发现浅水区具有更高的微食物网复杂性和硝化-反硝化功能基因丰度，而深水区则以厌氧氮还原途径为主，为水库水质管理和富营养化防控提供了理论依据。

　　

水库作为重要的水资源调控设施，其生态系统的健康运行直接关系到水质安全。然而，在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，水库的碳氮循环过程正经历着深刻变革。微生物驱动的微食物网作为能量流动和物质转化的核心枢纽，其结构稳定性如何影响碳氮循环功能，特别是原生动物作为关键捕食者所起的调控作用，始终是生态学研究的前沿问题。汾河水库作为中国北方典型的水源地，长期面临农业面源污染和富营养化压力，但对其微生物介导的生态过程认知仍存在显著空白。

为破解这一科学难题，Wang Xue团队在《Environmental Microbiome》发表了开创性研究。通过系统分析汾河水库入库河流区、浅水湿地和深水区三大功能分区，揭示了微食物网"复杂性-稳定性"的时空权衡规律及其对碳氮代谢通路的调控机制。研究发现浅水区高复杂性的微食物网促进了Calvin-Benson-Bassham(CBB)循环和硝化基因(amoA/amoB)的表达，而深水区简化的食物网结构则与Wood-Ljungdahl固碳途径和异化硝酸盐还原基因(nirA/narH)显著相关。尤为重要的是，原生动物通过捕食压力塑造了细菌功能分化，使浅水区形成"藻类-细菌-原生动物"的高效能量通道，而深水区则演变为以有机酸降解为核心的垂直营养链。

研究采用了三大关键技术：1)基于18S rRNA测序构建微食物网拓扑结构，运用"multiweb"软件包计算准稳定性指数(Qss)等28项网络参数；2)宏基因组测序解析碳降解(如多糖代谢基因)、固碳(CBB循环基因)和氮循环(amoA/nirS/nosZ等)功能基因谱；3)偏最小二乘路径模型(PLS-PM)量化环境因子-微生物群落-功能基因的级联效应。采样涵盖水库15个位点的75份水样，通过0.2 μm滤膜收集微生物进行DNA提取。

微生物多样性与环境因子的空间分异

理化参数显示入库河流区呈现高营养盐(NO₃^--N达13.99 mg/L)、低溶解氧(DO:6.55-7.77 mg/L)特征，而浅水区出现pH(8.13-8.26)和DO(10.23 mg/L)的陡升。宏基因组数据表明，细菌多样性从河流区到深水区递减40%，但原生动物群落保持相对稳定。

微食物网结构的梯度演变

网络分析揭示入库河流区具有最高连接密度(LD:30.88)和物种数(S=121)，但准稳定性最差(Qss=10.16)。浅水区形成藻食性(A)与杂食性(N)功能群的动态平衡，而深水区营养链简化为以捕食性(R)为主的垂直结构，稳定性显著提升(Qss=7.76)。

碳氮循环的功能分异

基因分析显示浅水区富集CBB循环基因(0.0016)和硝化基因(amoC:4.02E-06)，与高TOC(5.50 mg/L)显著相关。反硝化基因(nirS)与碳水化合物降解基因呈强正相关(r>0.7)，证实有机碳分解提供电子供体。深水区则以Wood-Ljungdahl途径(0.000432)和ANRA基因(nirA:7.1E-06)为主导。

生态过程的驱动机制

PLS-PM模型证实NO₃^-/NH₄⁺通过提升微生物多样性间接增强碳氮循环功能。原生动物通过"上行效应"调控细菌功能分化，使浅水区形成碳固定-硝化耦合，深水区建立碳降解-氮还原协同的新范式。

该研究首次在生态系统尺度揭示了原生动物驱动的微食物网结构对碳氮循环的级联调控，为水库生态修复提供了三大科学指导：1)浅水湿地可作为氮素转化的生物过滤器；2)深水区沉积物厌氧过程需纳入碳汇评估；3)原生动物群落可作为水质健康的生物指示器。这些发现不仅拓展了"复杂性-稳定性"理论在水生系统的应用，也为全球变化背景下的水库生态管理提供了新范式。