napA 相关微生物群落对半咸水分层湖泊水质变化的响应：基因丰度、群落构建与共存模型

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Response of napA-associated microbial communities to water quality variations in brackish stratified lakes: Gene abundance, community assembly and co-existence model

　　

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  热分层重塑了napA型细菌群落。
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  底层缺氧富集了napA基因和硝酸盐还原类群。
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  表层和底层网络表现出更高的生态复杂性。
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  随机过程和确定性过程共同驱动了群落组装。
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  溶解氧、营养盐、盐度和金属元素介导了napA群落的转变。

引言

在热分层期间，温跃层将上层和下层水体分开，削弱了垂直混合，并在水温、溶解氧（DO）和营养盐中形成垂直梯度[1]。底层水体往往变得贫氧，促进沉积物中氮、磷、铁、锰及其他还原性物质的释放，增加了富营养化的风险[2]。因此，分层条件下氮素转化对于湖泊和水库管理至关重要。

水库和湖泊可以从流域输入中积累氮素，低氧底层水体中生物可利用氮的再分配可以刺激藻类生长并增加富营养化的风险[3]。在分层水体中，藻类衰亡消耗氧气，耗氧促进沉积物中营养盐和还原性物质的释放；这种反馈造成了营养盐积累、藻类生长、氧气下降、内源释放和污染反复的循环[4]。

自从在Paracoccus相关细菌中首次证实了有氧反硝化以来[5]，有氧反硝化已被公认为有氧条件下硝酸盐转化的途径之一[6]。在废水、沉积物、水产养殖和水库环境中均已报道了有氧反硝化菌的存在[7]、[8]、[9]、[10]。然而，来自分离菌株、富集培养和控制反应器的证据无法直接确定自然湖泊中原有种群的活动性。季节性分层和混合造成氧气、营养盐、有机物、盐度相关离子和氧化还原条件不断变化的梯度，这些梯度与微生物群落演替相关[11]。napA相关群落对这些在自然分层咸淡水中同时发生的梯度的响应目前尚不清楚。

反硝化通过四个连续的还原步骤进行：硝酸盐首先被还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐被还原为一氧化氮，一氧化氮被还原为一氧化二氮，一氧化二氮最终被还原为N₂。这些步骤通常与硝酸盐还原酶基因narG和napA、亚硝酸盐还原酶基因nirS和nirK、一氧化氮还原酶基因norB和norC以及一氧化二氮还原酶基因nosZ相关[12]、[13]。在硝酸盐还原酶基因中，narG编码膜结合Nar系统的催化亚基，而napA编码周质Nap系统的催化亚基。Nap系统可以在好氧、低氧或厌氧条件下发挥作用，具体取决于生物体和环境条件[12]、[14]。因此，napA是硝酸盐还原为亚硝酸盐潜力的标志物，而不是有氧反硝化或完全反硝化的诊断标志物。分子研究一直关注自然水体环境中的下游反硝化基因。例如，nirS型反硝化群落已在饮用水水库的好氧层中得到研究[10]。

相比之下，nirS和nirK的群落响应已在不同水文条件下的泛滥平原水体中得到检验[15]。流域反硝化研究还评估了下游基因（包括nirK、norB/norC和nosZ）与N₂O产生之间的关系[16]。然而，携带napA的微生物在自然分层湖泊和水库中的出现、垂直分布、群落组成和环境响应仍缺乏充分表征。这一知识空白限制了我们对napA相关群落如何响应季节性分层和水质梯度的理解。

因此，本研究旨在调查热分层咸淡湖泊中原有的napA携带微生物，并阐明其基因丰度、群落结构及其与水质的关系。具体目标包括：(1) 表征热分层和混合期间水温和溶解氧的垂直和季节变化；(2) 确定氮素形态、有机物、盐度成分和氧化还原敏感元素的相应变化；(3) 通过qPCR定量napA基因丰度；(4) 检验原有napA相关微生物群落的垂直和季节演替、群落组成、共现关系和生态组装过程[17]；(5) 评估napA基因丰度和群落结构沿水质梯度的关系。我们的研究结果增进了对原有napA相关微生物群落如何响应咸淡湖泊中季节性分层和水质梯度的理解，为自然波动水体条件下硝酸盐还原潜力的生态学提供了见解。

分节摘要

研究区域与采样点

本研究在中国新疆北部阿尔泰地区的乌伦古湖进行，这是一个典型的咸淡水内陆湖。乌伦古湖报道的最大水深为17.4 米[18]。研究区域大致位于北纬46°50′35″–47°25′01″、东经86°59′36″–87°33′55″之间。采样站点数采用log₁₀β方法根据乌伦古湖主湖区面积确定，其中β表示以平方公里为单位的湖泊面积。面积约

热分层与垂直溶解氧结构

乌伦古湖的水温和溶解氧在研究期间表现出明显的季节和垂直变化（图1）。六月，湖泊出现垂直温度梯度，但分层仍较弱。表层、中层和底层的平均温度分别为20.22、18.64和16.28 °C，溶解氧值分别为7.63、7.23和6.42 mg/L。这表明水体开始热分层，但底层耗氧尚未严重。七月和八月，

结论

本研究调查了热分层乌伦古湖中水质、napA基因丰度和napA相关微生物群落的季节和垂直动态。主要结论如下：(1) 乌伦古湖从六月的弱分层转变为七至八月的强分层，然后在九十月份转变为秋季混合。强分层产生了清晰的水温和溶解氧垂直梯度，促进了底层营养盐、COD_Mn的积累，

未引用参考文献

[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]、[82]、[83]、[84]、[85]、[86]、[87]

CRediT作者贡献声明

胡琪：审阅与编辑，验证。宋立杰：验证，调查。赵宏新：验证，调查。谢万英：监督，方法论，资金获取。陈盛坤：撰写初稿，调查。杨尚业：审阅与编辑，监督，调查，资金获取，概念构思。王惠娟：验证。尹璐：可视化。

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由以下资金支持：国家自然科学基金[项目编号：52460001]、新疆维吾尔自治区自然科学基金[项目编号：2024D01C220、2024D01C253]和天池人才项目（中国新疆）。

杨尚业|陈盛坤|赵宏新|谢万英|胡琪|宋立杰|王惠娟|尹璐