海拔与人为梯度驱动中国湖泊中自由生活与颗粒附着浮游细菌的差异性群落构建机制

《Water Biology and Security》：Elevational and anthropogenic gradients drive divergent assembly mechanisms of free-living and particle-attached bacterioplankton in Chinese lakes

本研究针对不同地理区域自由生活（FL）与颗粒附着（PA）浮游细菌群落构建机制的系统性比较不足的问题，通过结合高通量16S rDNA测序、零模型和Raup-Crick分析，探究了中国高原（云南）与平原（长江三角洲）湖泊中细菌群落的构建过程。研究发现，随机过程（尤其是均质化扩散）主导了两个区域FL细菌的构建；而PA群落的构建则呈现空间分异：随机过程主导高原湖泊，确定性过程主导受人为影响强烈的平原湖泊。矿物离子（如Co、V、Pb）与传统因子（营养盐、叶绿素a、沉水植物）共同调控PA群落构建。值得注意的是，随机性随营养状态升高而增加，由富营养化水体中生态漂变增强驱动。该研究强调了细菌生活方式、环境异质性和人为影响在塑造微生物群落构建中的相互作用，为预测环境变化下的生态响应提供了关键见解。

　　

湖泊是地球生物地球化学循环的关键节点，其中繁盛的微生物群落主导着碳和营养盐的通量。浮游细菌不仅是食物网的重要组成部分，更在调节水质及碳、氮等元素循环中扮演着关键角色，并能快速响应富营养化、重金属污染等环境变化。然而，尽管已有研究关注时间尺度效应、局地生境差异及细菌功能多样性对湖泊细菌群落构建的驱动作用，但在大地理尺度上，针对不同生活方式（自由生活，FL；颗粒附着，PA）的细菌群落构建驱动因素的系统性比较仍显不足。FL与PA细菌因其生态角色和环境敏感性各异，其群落构建机制可能大相径庭。以往研究在不同水生生态系统中（如沿海亚热带海域、青藏高原湖泊、内蒙古湖泊等）揭示了复杂多样的构建模式，暗示细菌群落构建是动态且受多种因素调控的。特别是在人类活动日益加剧的背景下，营养盐输入和金属/矿物离子（如V、Co、Pb）浓度升高如何影响不同生活方式细菌群落的构建平衡（随机过程 vs. 确定性过程），尚缺乏清晰的认知。高原湖泊（通常受干扰较少，面临紫外线辐射等独特压力）与平原湖泊（常承受高强度人为活动带来的营养盐富集和金属污染）为探究上述动态提供了对比鲜明的模板。

为此，研究人员在人为压力迥异的中国云南高原和长江三角洲平原的湖泊中，开展了一项针对FL和PA细菌群落构建机制的研究。他们假设：（1）高原与平原湖泊之间的人为梯度驱动了FL和PA细菌的差异性构建机制；（2）除了氮、磷等常见水生物理化学参数，离子可能是调控确定性过程的关键因子。

本研究发表在《Water Biology and Security》上，通过整合地球化学和分子数据，阐明了生物和非生物因子在微生物构建中的相互作用，为预测全球变化下水生生态系统的稳定性提供了前瞻性框架。

为开展研究，作者主要应用了以下关键技术方法：在云南高原和长江三角洲平原的湖泊进行水样采集，并通过分级过滤（3-μm和0.22-μm滤膜）分离获得FL（0.22–3 μm）和PA（>3 μm）细菌样品；利用高通量16S rDNA测序（V3-V4区）分析细菌群落组成；采用中性群落模型（NCM）和基于零模型的统计分析框架（计算β最近分类单元指数，βNTI和Bray-Curtis-based Raup-Crick指数，RC_Bray）来量化随机性与确定性过程在群落构建中的相对贡献；并运用Mantel检验、冗余分析（RDA）和方差分解分析（VPA）来识别与环境因子（包括物理化学因子、生物因子和离子浓度）的关联。

3.1. 两个区域的环境特征

研究测定了两个区域广泛的环境条件。高原与平原湖泊共享50个环境变量，其中37个存在显著差异。总体而言，平原湖泊的溶解氧（DO）、铵氮（NH₄⁺-N）、总氮（TN）、磷酸盐（PO₄^3?）、总磷（TP）、电导率（SPC）、水温（T）以及钡（Ba）、钙（Ca）、钴（Co）、铜（Cu）、钾（K）、钼（Mo）、镍（Ni）、铷（Rb）、锶（Sr）、钒（V）、锌（Zn）等离子的平均值显著较高。而高原湖泊的铝（Al）、铬（Cr）、铁（Fe）、铅（Pb）、镁（Mg）等离子浓度、水体透明度（SD）以及多种沉水植物（如Trapa natans, Ceratophyllum demersum等）的生物量平均值较高。基于修正的卡尔森营养状态指数（TSI_M）评估，平原和高原样点均包含中营养、轻度富营养、中度富营养和高度富营养等不同营养水平的水体，且不同营养状态水体的细菌群落存在显著差异。此外，长江三角洲平原在人口密度、能源消耗（电、煤）、废水排放、工业固体废物产生量及工业总产值等方面均显著高于云南高原，显示出强烈的人为梯度。

3.2. FL和PA群落的多样性及分类组成

研究共获得21,091个操作分类单元（OTUs）。平原FL细菌群落以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和蓝藻门（Cyanobacteria）为主，高原FL群落以变形菌门、放线菌门和厚壁菌门（Firmicutes）为主。平原PA群落以变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门（Bacteroidota）为主，高原PA群落以厚壁菌门、变形菌门和蓝藻门为主。根据生态位宽度计算，特化类群在不同细菌群落中占比最高，且在平原地区，随着营养状态升高，特化类群的丰度增加。一些特化类群属水平物种的相对丰度随TSI_M升高呈现不同趋势。FL和PA细菌的群落 Chao1 指数存在显著差异，且随着TSI_M升高，α多样性增加。非度量多维尺度分析（NMDS）证实了高原与平原湖泊间以及FL与PA细菌群落间的显著差异。

3.3. FL和PA细菌群落中不同构建过程的相对重要性

中性群落模型（NCM）和零模型分析结果一致。在高原，FL和PA细菌群落均以随机过程主导；在平原，FL细菌群落以随机过程主导，而PA细菌群落则以确定性过程主导。NCM对高原FL、高原PA和平原FL群落变异的解释度较高（分别为75%、61%和74%），但对平原PA群落的解释度仅为45%，表明生态位差异决定了平原PA群落的构建。FL细菌群落的迁移能力远强于PA细菌群落。零模型结果（βNTI和Raup-Crick指数）清晰显示，随机过程（漂变、扩散限制和均质化扩散）在高原FL群落（86%）和平原FL群落（55%）以及高原PA群落（70%）中占主导地位；而在平原PA群落中，确定性过程（72%）的比例远高于随机过程（28%）。随着营养状态升高，FL群落中的漂变作用增强。对高原区域原位围隔和自然湖泊的单独分析表明，其构建机制与整体高原样本趋势相似。

3.4. 影响细菌群落的环境变量

Mantel检验和方差分解分析（VPA）表明，在高原湖泊，FL细菌群落受到物理化学因素（pH、氧化还原电位ORP、SD、DO等）、沉水植物和离子（Al、V、Co等）的影响，其中沉水植物对FL的影响强于PA；PA群落则与物理化学因素、沉水植物和离子（V、Co、K等）显著相关。在平原湖泊，FL群落受物理化学因素、沉水植物和离子（Co、V、Rb等）影响；PA群落则与物理化学因素、离子（V、Co、Pb等）和人口密度密切相关。值得注意的是，V和Co的浓度与所有细菌群落结构均存在显著关系，且在高原湖泊中，V的影响强于Co。V浓度增加提高了放线菌门的丰度。在具有显著影响的离子中，Co和Pb的浓度与湖泊营养状态呈显著正相关。

研究结论与讨论部分强调了细菌生活方式和地理背景在塑造浮游细菌群落构建中的关键二分法。FL群落在两个区域均以随机过程主导，体现了其高扩散能力如何克服环境梯度，使群落均质化，这符合微生物“无处不在”的假说。营养化通过增强细菌的生长和繁殖，导致漂变作用增加，从而放大了随机性。与此形成鲜明对比的是，PA群落的构建表现出空间分异：在人为影响强烈的平原湖泊，确定性过程占主导。这主要归因于平原地区高强度的人类活动导致的环境异质性（营养盐、离子浓度等空间差异显著）增强，以及颗粒附着的微环境促进了功能分化和种间相互作用，使得确定性选择（如生态位分配）更为突出。矿物离子（如V、Co、Pb）被确定为关键的调控因子，它们通过影响微生物的生理过程（如反硝化、电子传递、金属抗性）以及可能与溶解性有机质（DOM）的相互作用来调节群落组成。物种相互作用（如特化类群比例随营养状态变化）也对平原PA群落的构建有贡献。

该研究的重要意义在于揭示了细菌生活方式和区域人为压力在微生物群落构建中的核心作用，强调了将这两种因素纳入生态模型的必要性。研究结果为了解快速变化环境中水生生物多样性提供了基础，并对预测湖泊生态系统对环境变化的响应具有重要价值。未来的研究应整合时间动态，以揭示微生物构建与生态系统功能之间的反馈机制。