《Journal of Environmental Management》：Exploring the resilience of playa lake ecosystems to climate change: A microbial perspective
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微生物群落对气候变化响应及生物地球化学循环研究，以墨西哥Atotonilco Playa湖为对象，通过16S rRNA测序结合ANCOM-BC2与DESeq2分析，揭示季节和深度变化的微生物群落结构及其对水化学参数的影响，证实核心微生物群的存在对维持生态系统功能的重要性。
Marycarmen Verduzco Garibay | Ingrid Hernández-Guardado | Carlos Yebra-Montes | Osiris Díaz-Torres | Alberto Fernández del Castillo | Diego Díaz-Vázquez | Jan-Ulrich Kreft | Jesús Cortés-Aguilar | Carolina Senés-Guerrero | Misael Sebastián Gradilla-Hernández
蒙特雷科技大学，工程与科学学院，可持续性与气候变化实验室，地址：Av. General Ramon Corona 2514，新墨西哥州Zapopan，邮编45138，哈利斯科州，墨西哥
摘要
Playa湖泊是存在于干旱和半干旱地区的短暂性水体，正日益受到气候变化的影响。墨西哥的Atotonilco Playa湖泊的水量显著减少，导致盐度升高，使其成为评估气候变化影响的理想模型。本研究通过16S rRNA测序技术，探讨了微生物群落的响应及其对关键生物地球化学循环的贡献，包括与温室气体动态相关的循环。观察到物理化学参数存在空间差异：渠道和污水处理厂（WWTP）的出水中的BOD5、COD、大肠菌群和pH值超过了监管限值，而湖泊中的溶解氧（DO）较高，但总磷（TP）和总氮（TKN）含量增加。细菌群落表现出明显的季节性和深度相关变化，反映了支持生态系统恢复力的策略。为了准确识别差异富集的微生物类群，采用了两种方法（ANCOM-BC2和DESeq2），这两种方法均一致检测到了季节间的显著差异。尽管环境波动剧烈，但仍存在一个核心微生物群落，表明生物地球化学循环具有功能连续性。本研究全面评估了Playa湖泊中的微生物动态，结合了群落结构与物理化学变化，揭示了细菌对气候驱动的环境变化的响应。由于全球范围内的Playa湖泊及其他浅水湖泊正面临日益严重的干涸、盐碱化和营养失衡问题，定义这些微生物过程对于预测生态变化至关重要。本研究为未来的研究提供了重要基础，并为管理干旱地区易受气候变化影响的水生生态系统提供了关键见解。
引言
Playa湖泊是位于干旱或半干旱地区的浅水封闭型水体，其特点是蒸发量超过降水量，导致周期性的湿润和干燥（Rosen, 1994; Yechieli and Wood, 2002; Rodriguez-Sanchez et al., 2017）。干燥时，裸露的湖底沉积物类似海滩，因此得名（Arche, 2008; Last, 2002）。这些短暂性湖泊支持着独特的生态系统，包括迁徙鸟类、两栖动物、鱼类和无脊椎动物，并在地下水补给和临时地表水储存中发挥重要作用（Anderson et al., 2013; Hajati and Sabzian, 2021）。然而，Playa湖泊越来越容易受到气候变化和人为活动（如农业径流和地下水过度开采）的影响，加速了其生态退化（Anderson et al., 2013; García-Alix et al., 2022）。
由于Playa湖泊经历反复的湿润-干燥周期，它们为研究微生物对干旱压力的响应提供了宝贵的自然系统。这些动态条件塑造了微生物多样性、群落组成和代谢活动，影响了沉积物中的生物地球化学过程（Cabestrero et al., 2018）。在受荒漠化影响的环境中进行的研究表明，微生物能够适应高盐度条件（Glamoclija et al., 2019; Sirisena et al., 2018）。对西班牙短暂性湖泊的比较研究表明，物理化学性质和水深会影响微生物群落组成（Cabestrero et al., 2018）。然而，此前尚未有研究关注Playa湖泊在季节变化期间的微生物动态或评估其湿-干转换过程中的生物地球化学响应。此类研究对于理解气候变化对这些生态系统的潜在影响至关重要。
16S rRNA基因测序数据分析中的一个关键挑战是选择最适合的统计分布来分析和标准化微生物组数据，以识别差异富集的微生物，因为不同的方法可能导致差异富集检测结果不同（Nearing et al., 2022）。DESeq2最初是为RNA-seq开发的，它使用无零膨胀的负二项分布来建模计数数据（Cho et al., 2023）。该方法已广泛应用于多种微生物生态系统，包括肠道微生物群（Quaye et al., 2023; García-Gamboa et al., 2024）、水环境（Verduzco Garibay et al., 2021; Debeljak and Baltar, 2023; Díaz-Torres et al., 2024）和土壤（Yang et al., 2022a）。最近，带有偏差校正的微生物组组成分析方法（ANCOM-BC2）作为一种更准确和敏感的方法出现。ANCOM-BC2通过考虑微生物组数据的组成特性，有效控制了假发现率（FDR），同时识别差异富集的微生物类群（Lin and Peddada, 2020）。ANCOM-BC2采用加性对数比率方法处理所有扩增子序列变异体（ASVs），这种转换方法以单个类群的计数丰度为参考，该类群在样本间的读数变异较小（Nearing et al., 2022）。DESeq2和ANCOM-BC2都是用于测序衍生计数表差异分析的成熟工具，各自通过不同的标准化方法校正测序深度和采样偏差（Wu et al., 2024）。虽然DESeq2的假阳性率可能较高，但ANCOM-BC在比较中更擅长识别富集的细菌类群（Annavajhala et al., 2019）。
为了更深入地了解Playa湖泊中微生物群的代谢功能，我们使用PICRUSt2（基于未观察状态重建的系统发育群落研究）进行了宏基因组预测。PICRUSt2基于16S rRNA扩增子数据预测微生物群的基因功能和代谢途径（Douglas et al., 2020）。这种方法有助于探索微生物在极端环境中的生物地球化学循环中的贡献，揭示了可能在气候变化条件下支持生态系统恢复力的代谢特征（Douglas et al., 2020）。
在本研究中，我们使用高通量16S rRNA基因测序技术对墨西哥Atotonilco Playa湖泊的微生物群落进行了表征，比较了两种标准化方法（ANCOM-BC2和DESeq2），并利用PICRUSt2预测了功能谱。我们研究了微生物在炎热和寒冷干燥季节以及雨季的响应，以阐明其对盐度、温度和营养可用性极端变化的适应策略。通过结合微生物群落结构与物理化学数据，本研究更深入地分析了细菌动态及其对极端环境变化的代谢响应，增强了我们对这些脆弱生态系统如何应对气候变化的理解。这些发现为未来的研究提供了重要知识，并有助于制定干旱地区短暂性水生环境的有效保护策略。
研究区域
Atotonilco湖泊（北纬20°22′14.5″，东经103°39′17.6″）位于墨西哥哈利斯科州。其名称“Atotonilco”源自纳瓦特尔语，意为“热水之地”。该湖泊的总集水面积约为755.32平方公里（Meza-Rodríguez et al., 2023）。这里的气候为半温暖半湿润型，平均气温为18°C，海拔1352米。在研究期间，湖泊水量波动显著，2021年6月时水量降至最低，仅为1.32立方公顷。
Atotonilco湖泊的水质
湖泊内所有采样点（L1-L4）的物理化学参数呈现一致的趋势，与渠道中的情况不同（图2a）。BOD5浓度超过了墨西哥规定的最大允许限值（LFD, 2020），达到30毫克/升。此外，由于污水处理厂稳定池的去除效率较低，污水处理厂出口处的BOD5平均浓度高于其他采样点。
结论
Atotonilco湖泊是一种Playa湖泊，容易受到显著的环境变化影响，尤其是在炎热季节的干涸。干涸对细菌群落有显著影响，进而影响生态系统的经济和生态服务。极端的湿润-干燥周期加上不完善的卫生设施可能会破坏生物地球化学循环，可能导致生态系统崩溃。我们的分析显示，物理化学参数和细菌群落发生了显著变化。
作者贡献声明
Marycarmen Verduzco Garibay：撰写初稿、数据可视化、软件应用、调查、数据分析、概念构建。
Ingrid Hernández-Guardado：调查、数据管理。
Carlos Yebra-Montes：撰写初稿、数据可视化、软件应用、数据分析、数据管理。
Osiris Díaz-Torres：审稿与编辑、调查、数据分析、数据管理。
Alberto Fernández del Castillo：撰写初稿、数据可视化、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究是蒙特雷科技大学（TEC）与CIATEJ（哈利斯科州技术研究与设计中心）合作的结果，后者提供了监测活动和物理化学参数分析所需的设施。我们还要感谢JIMAL（Lagunas市际环境委员会）在提供船只和物流管理方面的宝贵合作。
