《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dissolved organic matter reorganization is associated with hydrological niche differentiation of potential pathogenic bacteria
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摘要入湖河流将外源有机物、营养物以及与健康相关的微生物输送至受纳水体，然而溶解性有机质 (DOM) 的水文变化与潜在病原菌 (PPB) 之间的联系尚不清楚。我们整合了 DOM 光学特性表征、16S 核糖体 RNA 基因扩增子测序、生态位宽度和核糖体 RNA 操纵子 (rrn)
摘要
入湖河流将外源有机物、营养物以及与健康相关的微生物输送至受纳水体，然而溶解性有机质 (DOM) 的水文变化与潜在病原菌 (PPB) 之间的联系尚不清楚。我们整合了 DOM 光学特性表征、16S 核糖体 RNA 基因扩增子测序、生态位宽度和核糖体 RNA 操纵子 (rrn) 性状分析以及机器学习模型，对中国北方白洋淀的主要入湖河流进行了研究。不同水文期的 DOM 组成存在显著差异。高流量期表现出更强的吸收和富里酸类信号，而在低流量期 (LFP)，酪氨酸类蛋白质 DOM 贡献了 49.04%，这与特定水文期的输入和本地转化一致。低流量期 (LFP) 还表现出更强的优势类群富集和期间特异性：与不动杆菌属 (Acinetobacter) 相关的扩增子序列变体占 PPB 相关序列的 51.51%，同时伴随来自窄生态位和高rrn 拷贝数相关组群的更大贡献。群落组装主要是随机的，尽管在低流量期 (LFP) 确定性选择的贡献更大，表明可能存在更强的环境筛选。PPB 相关序列丰度指数 (PPB-Abu) 和平均变异度 (AVD) 也较高，表明 PPB 相关序列的代表性和群落状态偏离同时增加。机器学习辅助的关联路径分析显示，不同水文期之间存在一致的 AVD–PPB-Abu 关联，而大多数环境路径仍然不确定。总体而言，低流量期 (LFP) 与 DOM 重组、更强的确定性选择、期间特异性的 PPB 富集以及较低的推断稳定性同时出现。这些发现表征了 DOM–PPB 关联，可能有助于支持受纳湿地的微生物风险信号识别和水质管理。
引言
人类活动、气候变化和水文调节正在重塑河 - 湖网络中的物质运输、微生物扩散和生态过程，使得入湖河流成为流域变化与受纳水生态安全之间的重要链接 [1]，[2]，[3]。除了营养物、有机物和颗粒物外，河流还可能从上游来水、生活和再生水排放、农业活动以及地表径流中接收微生物。它们的组成和分布反映了污染来源、水源补给和河道内转化 [4]。潜在病原菌 (PPB) 是水生微生物群落的重要组成部分。它们的组成和生物地理学与污染输入、营养条件、本地环境选择以及独特的组装过程相关 [5]，[6]。以往的研究主要集中在 PPB 的发生、分类和相对丰度上，而群落组装、生态分布和稳定性的协调变化仍知之甚少。因此，群落生态视角可能将 PPB 研究从组成描述扩展到环境选择、保留和时间分化。
溶解性有机质 (DOM) 联系着外源输入、水生碳循环和微生物活性，其数量、组成和生物有效性塑造了微生物群落的资源环境 [7]。在接收多种输入的河流中，DOM 整合了陆地来源、水生生产、污染排放和河道内处理。其光学特性表征了有机物的数量和组成，同时也反映了水源变化和水地球化学过程 [8]。在河流输运过程中，光化学反应、微生物利用和再加工可能会选择性保留、转化或部分均质化不同来源的有机组分 [9]，[10]。DOM 重组可能会改变可用基质和本地资源条件，同时也与营养物、污染输入和水体混合共同变化 [11]，[12]。因此，考察 DOM 特性与 PPB 群落属性之间的关联对于理解多源入湖河流中的微生物响应至关重要。
季节性水文变化通过改变水体停留时间、DOM 组成和扩散来改变河流微生物资源条件 [13]。高流量增强径流输入和水文连通性，促进陆地 DOM 和微生物的运输，并增加微生物扩散和群落混合 [12]，[14]。相反，低流量削弱稀释和运输，增加水体停留和本地积累，并加强点源输入和河道内 DOM 转化的相对影响 [11]，[15]。扩散减少和环境异质性增加可能进一步增强本地选择，导致具有不同生态位特征的类群产生不同的响应 [16]，[17]。更长的停留时间和更强的河道内转化也可能增加新鲜、蛋白质类自源 DOM 的重要性，创造更具本地化的资源条件。这种条件可能有利于具有特定基质偏好的窄生态位类群，而具有更高核糖体 RNA 操纵子 (rrn) 拷贝数的类群可能对新鲜资源脉冲响应更强烈 [18]。然而，仅靠群落组成和多样性无法区分广泛的群落响应与特定类群的选择性保留。因此，应考虑生态位宽度、潜在生长响应和群落稳定性，以更好地解析季节性 PPB 动态。
群落组成和多样性描述了 PPB 的总体变化，但提供的关于类群特异性分布范围和响应趋势的见解有限。根据类群出现和相对丰度计算的生态位宽度可以代表环境梯度上的潜在分布范围，并区分广泛分布的类群与期间相关的组群。这种变化与环境耐受性、本地选择和扩散过程密切相关 [17]，[19]，[20]。rrn 拷贝数可以进一步作为潜在生长响应和资源利用趋势的性状代理，有助于表征微生物对资源脉冲和环境波动的响应 [18]，[21]，[22]。整合群落组装和稳定性分析可以进一步揭示与环境选择、扩散和群落状态偏离相关的 PPB 响应 [23]，[24]。因此，结合 DOM 特性、组装过程、潜在生态位宽度、基于rrn 的性状和稳定性，可能提供一个更完整的框架来评估 PPB 生态分化。
白洋淀是华北典型的浅水湖泊 - 湿地复合体，也是雄安新区的重要生态屏障。其入湖河流提供水和物质，并受区域水调节和多种环境输入的影响 [4]。基于区域水文情势，春季和秋季被归类为正常流量期 (NFP)，夏季为高流量期 (HFP)，冬季为低流量期 (LFP)。我们假设，由水文驱动的 DOM 和理化条件变化将与 PPB 群落结构、组装、生态位宽度、基于rrn 的性状和稳定性的转变同时出现，低流量下的更强本地筛选有利于 PPB 产生分化响应。据此，我们的目标是：(1) 表征不同水文期的 DOM 光学特性和 PPB 群落结构；(2) 评估 PPB 组装、生态位宽度、rrn 性状和稳定性；(3) 评估 DOM、营养物、理化条件、群落性状与 PPB 相关序列丰度指数 (PPB-Abu) 之间的关联。这些发现可能增进对 DOM–PPB 关联的理解，并支持入湖河流的微生物监测。
章节摘要
研究区域、采样设计与水文期分类
白洋淀位于中国河北省保定市 (115°38′–116°07′ E, 38°43′–39°02′ N)。它是华北平原典型的浅水湖泊 - 湿地复合体，也是雄安新区重要的生态屏障和水源涵养区。其入湖河流是水资源补给和物质运输的主要通道，并共同受上游来水、再生水输入、城市非点源污染、农业径流和水动力变化的影响。
不同水文期的 DOM 资源异质性
不同水文期的 DOM 荧光存在显著差异，高流量期 (HFP) 表现出更强的富里酸类信号 (图 1a,b)。PARAFAC 解析出三个组分：C1 (Ex/Em = 275/308?nm)，一种酪氨酸类蛋白质组分 [40]，[41]；C2 (285/338?nm)，一种色氨酸类蛋白质组分 [4]；以及 C3 (250/408?nm)，一种紫外富里酸类组分 [24]。蛋白质类荧光通常与新鲜生物源物质、废水相关输入和微生物过程有关，而富里酸类荧光
结论
本研究表明，白洋淀入湖河流在不同季节性水文情势下，DOM 特性和 PPB 群落存在显著差异。高流量期 (HFP) 表现出更强的发色团和富里酸类 DOM 信号，这与较高的区域流量、混合和扰动一致。在低流量期 (LFP)，酪氨酸类 C1 贡献了 49.04%，而与不动杆菌属 (Acinetobacter) 相关的 ASVs 占 PPB 相关序列的 51.51%；窄生态位和高rrn 拷贝数相关类群也有所增加，表明
CRediT 作者贡献声明
张家丰: 方法论，数据整理。余靖琪: 数据整理。张可轩: 数据整理。周士磊: 写作 – 审查与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。刁慕赫: 写作 – 审查与编辑，概念化。尚赛雨: 数据整理。石坤: 写作 – 初稿，软件，方法论，数据整理。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
本工作得到了河北省自然科学基金 (E2024208033)、河北省教育厅基础研究重点培育计划 (JCZX2026001)、河北省研究生创新能力培养计划 (CXZZSS2026088) 的支持。
利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文描述的工作。
石坤 | 尚赛雨 | 张可轩 | 余靖琪 | 张家丰 | 刁慕赫 | 周士磊
河北省污染防控生物技术重点实验室，河北科技大学环境科学与工程学院，中国石家庄 050018
