河流中反硝化厌氧甲烷氧化菌的群落稳定性与其功能动态的对比

《Water Research》：Contrasting community stability and functional dynamics of denitrifying anaerobic methane-oxidizers in rivers

DAMO微生物在太湖流域河流不同水文季节的群落结构、代谢活性及功能基因表达差异显著，古菌稳定性低于细菌，氧耐受性可能是导致生态格局分化的关键因素。

　　研究团队Ziqing Wang、Yuxiang Zhu、Yuanzheng Zhang、Mengni Dong、Muhammad Farooq Mustafa和Sai Xu共同开展了一项关于太湖流域主要河流中脱氮厌氧甲烷氧化（DAMO）微生物群落的研究。这项研究旨在探讨DAMO微生物在不同水文季节中的群落结构、代谢活性和功能基因表达情况，以更好地理解其对水文波动的响应机制。研究结果揭示了DAMO微生物在水体生态系统中的重要作用，特别是在减少甲烷排放方面。同时，研究还发现了DAMO细菌和DAMO古菌在水文条件变化下的不同稳定性表现，为深入认识这些微生物在水体环境中的生态功能提供了新的视角。

甲烷是一种重要的温室气体，其全球变暖潜力是二氧化碳的约80倍，并且自2007年以来，全球甲烷浓度显著上升，引发了气候变化，可能对人类健康和福祉构成威胁。在这一背景下，微生物在调控甲烷排放方面的作用变得尤为重要。特别是近年来发现的厌氧甲烷氧化（AOM）过程，被认为在减少全球甲烷排放中具有关键作用。AOM过程中，微生物可以利用多种电子受体，包括硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、锰、铁以及硝rous oxide等，进行甲烷的氧化。其中，脱氮厌氧甲烷氧化（DAMO）是一种在水体生态系统中广泛存在的AOM途径，其主要依赖硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体。

DAMO过程由DAMO细菌和DAMO古菌共同介导，这两种微生物在水体环境中被广泛观察到共存。DAMO古菌能够将硝酸盐还原为亚硝酸盐，而这一过程生成的亚硝酸盐则作为DAMO细菌的电子受体，支持其进行甲烷氧化。然而，在甲烷有限的条件下，这两种微生物之间可能会产生竞争关系。此外，水体中的甲烷生成过程受到水文条件的显著影响，这可能进一步改变DAMO微生物的分布和代谢活性。因此，对DAMO微生物群落的模式进行比较研究，有助于更深入地理解其对水文变化的响应机制。

在太湖流域，水文条件呈现出明显的季节性变化。在雨季，降雨是河流的主要水源，而在旱季，地下水则成为河流的主要补给来源。这种湿-旱循环导致了水文和环境条件的动态变化，为研究微生物群落的稳定性提供了理想的环境。太湖流域因其丰富的湖泊和河流系统，总水域面积达6,134平方公里，河流总长度超过12万公里，形成了独特的生态系统。在这一区域，15条流经太湖的河流被选为采样对象，以分析DAMO微生物的群落结构和功能特性。

采样工作主要针对每条河流的中心区域，采集表层（约10厘米）的沉积物样本，并确保样本采集点距离河岸超过20米。通过这种方法，研究团队能够获得具有代表性的微生物样本，以便进行后续的分析。为了揭示DAMO微生物的群落结构，研究采用了扩增子测序技术，获取了大量DAMO细菌和DAMO古菌的序列数据。通过对这些序列进行聚类分析，研究团队发现DAMO细菌和DAMO古菌在群落组成上存在显著差异，且其多样性在不同水文季节中表现出不同的变化趋势。

进一步的分析表明，DAMO古菌的多样性比DAMO细菌更为显著，且其群落结构在不同季节间变化较大。相比之下，DAMO细菌的多样性相对稳定，其群落结构在季节变化中表现出较强的抗干扰能力。此外，通过共现网络分析，研究团队发现DAMO细菌群落比其与之共生的DAMO古菌更为稳健，显示出更高的稳定性。这一发现提示，在水文条件变化下，DAMO细菌可能比DAMO古菌更能够维持其生态功能。

为了进一步验证这些发现，研究团队采用微宇宙培养方法，结合同位素标记和功能基因转录分析，探讨了DAMO微生物在不同水文季节中的功能动态。结果显示，DAMO古菌的甲烷氧化活性和*mcr*A基因表达在不同季节间存在显著变化，而在DAMO细菌中，其代谢活性和*pmo*A基因表达则相对稳定。这一现象可能与DAMO细菌和DAMO古菌在水体环境中的不同适应机制有关。

此外，研究还采用了冗余分析和分层分区分析，探讨了水文条件对DAMO微生物群落的影响程度。结果显示，氧气对DAMO古菌群落的影响显著高于DAMO细菌群落，这表明DAMO古菌可能对氧气具有更高的耐受性，从而在水文波动下表现出不同的生态模式。这一发现为理解DAMO微生物在水体生态系统中的功能特性提供了新的依据。

通过这一系列研究方法，研究团队不仅揭示了DAMO微生物在太湖流域主要河流中的群落结构和功能动态，还进一步探讨了其对水文条件变化的响应机制。这些研究结果对于深入理解DAMO微生物在水体生态系统中的作用，以及如何通过微生物群落的调控来减少甲烷排放具有重要意义。此外，研究还强调了在水文条件变化下，不同微生物类群可能表现出不同的适应能力和稳定性，这对于评估水体生态系统中的生物多样性和生态功能具有重要的参考价值。

综上所述，这项研究通过多种方法，系统地分析了DAMO微生物在太湖流域主要河流中的群落结构、代谢活性和功能基因表达情况，揭示了其在不同水文季节中的响应机制。研究结果不仅拓展了我们对DAMO微生物在水体生态系统中作用的理解，还为未来的微生物生态研究提供了重要的数据支持和理论依据。此外，研究还强调了在水文条件变化下，不同微生物类群可能表现出不同的适应能力和稳定性，这对于评估水体生态系统中的生物多样性和生态功能具有重要的参考价值。