西田纳西州溪流生物膜揭示土地利用历史与生态系统功能

《Environments》：Stream Biofilms in Western Tennessee Provide Insight into Land Use History and Ecosystem Function

　　

摘要：美国西田纳西州（western Tennessee）的许多溪流受到重度改造，改变了溪流形态和微生物群落动态。鉴于修复退化溪流的迫切需求，需要整合微生物群落及其生态过程的研究以指导修复工作。研究人员调查了同一流域内一条退化溪流和一条未受干扰溪流的生物膜微生物群落的组装动态；其中退化溪流已列入修复计划。研究人员建立了生物膜采样样地，涵盖光照暴露、生物膜发育时长和时间变化等因子。研究人员针对细菌和真核生物开展了宏条形码（metabarcoding）分析，研究了13个功能或分类类群的群落动态，同时采集了溪流化学数据，包括pH、溶解氧（dissolved oxygen, DO）、氧化还原电位（oxidation-reduction potential, ORP）、总溶解固体（total dissolved solids, TDS）、K⁺、NO₃^?、电导率（electrical conductivity, EC）和温度。研究发现，在更自然的溪流中，生物膜的多样性和丰度更高，但这些模式因分类类群而异。通过群落组装分析框架，研究人员识别出时间效应对群落结构和溪流化学的强烈影响。这些动态变化还突显了可作为溪流状况潜在指示物的生物标志物。本研究强调，在溪流修复的讨论中应纳入水生微生物群落的考量。

论文解读：西田纳西州溪流生物膜揭示土地利用历史与生态系统功能

一、研究背景与科学问题

全球范围内的河流与溪流为人类和生态系统提供了至关重要的服务功能，包括饮用水供给、养分循环与输送等。然而，这些水体系统也承受着人类活动带来的巨大压力，经常被改造以满足农业、防洪和城市发展需求。在20世纪50至60年代，美国西田纳西州（western Tennessee）的多数河流为了农业利用和防洪目的被大规模渠道化（channelization），这种物理改造深刻影响了河流的水文连通性、沉积物运移和养分扩散过程，进而对水生生态系统造成了长期且复杂的生态后果。西田纳西州所在的哈奇河流域（Hatchie River watershed）是美国著名的生物多样性热点区域，栖息着超过100种鱼类和35种淡水贻贝，包含众多特有和濒危物种。尽管该区域的动植物多样性已有较为充分的研究，但对其微生物系统——包括构成水生食物网基础的微型无脊椎动物——的认识却十分有限。

生物膜（biofilm）是由微生物形成的动态群落，由微生物细胞及其分泌的胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）基质构成，在溪流生态系统中扮演着重要角色，包括促进碳、磷、氮的获取和营养循环。已有研究表明，生物膜群落对环境变化（如养分可利用性）高度敏感，因此被认为是可以评估生态系统健康状况的有效工具。然而，关于土地改造如何具体影响生物膜微生物群落的组装与功能，尤其是美国中南部地区（Mid-South region）独特的自然地理条件下的相关研究仍十分匮乏。该地区拥有独特的农业区和泛滥平原，同时还受到新马德里地震带（New Madrid Seismic Zone）的地质影响，因此亟需本地的生态数据来为未来的溪流修复和生物多样性保护提供科学依据。

二、研究目的与实验设计

本研究旨在通过对比一条退化溪流与一条自然溪流中的生物膜微生物群落，揭示影响溪流微生物群落结构和组装过程的驱动因素。研究区域位于美国田纳西州海伍德县（Haywood County），选取了Middle Muddy Creek作为退化溪流样点，该溪流是一条渠道化的低流量一级溪流，长期受农业活动（历史上种植大豆、玉米和干草）直接影响，由西田纳西河流域管理局于2021年收购用于修复；Bear Creek则被选作自然对照样点，该溪流位于哈奇国家野生动物保护区（Hatchie National Wildlife Refuge, NWR），自1964年保护区成立后不再受人为干扰，被允许重新恢复为自然溪流状态，是同一流域和县域内最为相似的未受干扰样点。2023年在每条溪流内设置了三个采样样地，以评估修复前生长季高峰期的群落动态。研究采用错开的时间采样设计（staggered temporal sampling design），考察了生物膜发育时长（successional age，7至35天）、采样事件（sampling event，每周一次）、光照可利用性（透明管与不透明管）以及溪流类型对生物膜微生物群落的影响。研究涵盖13个分类或功能类群，包括细菌和12个真核生物类群（绿藻、非绿藻、环节动物、节肢动物、尾丝虫、纤毛虫、未知真核生物、残余真核生物、真菌、软体动物、扁形动物和轮虫）。

三、主要技术方法

研究采用的主要技术方法包括：（1）野外原位生物膜培养装置设计，使用高密度聚乙烯（high-density polyethylene, HDPE）固定板和丙烯酸管（92%紫外线透过率）作为微生物定殖基质，并通过透明与喷涂白色丙烯酸漆的不透明管来区分自养和异养主导群落；（2）水化学参数原位测量，涵盖温度、pH、TDS、EC、ORP、DO、NO₃^?和K⁺等指标；（3）基于两步PCR建库策略的宏条形码（metabarcoding）测序，针对细菌16S rDNA基因V4区和真核18S rDNA区进行扩增，基于Illumina MiSeq平台完成300 bp双端测序；（4）序列数据处理与生物信息学分析，使用mothur v1.48.0和cutadapt v4.7进行质量控制，VSEARCH以97%序列相似度阈值聚类为操作分类单元（operational taxonomic units, OTUs）；（5）多种统计与生态学分析方法，包括嵌套多元方差分析（nested MANOVA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、基于核的OTU富集分析方法（POSTm）、以及基于系统发育的iCAMP（phylogenetic bin-based null model analysis）群落组装分析。全部序列数据已收录于NCBI SRA数据库（BioProject PRJNA1504259）。

四、研究结果

4.1 化学变量

嵌套MANOVA结果显示，两条溪流间及不同采样事件间的水化学特征均存在显著差异，而样地间差异不显著。Bear Creek总体上具有较高的溶解氧浓度、略高的水温和pH值；Middle Muddy Creek则表现出更高的TDS、EC、硝酸盐（NO₃^?）和钾离子（K⁺）浓度，以及略高的ORP值。

4.2 Alpha多样性估计

在观察到的OTU丰富度和多样性方面，Bear Creek总体上高于Middle Muddy Creek，生态环境更自然的溪流支持了更高的群落多样性和丰富度；少数微型无脊椎动物类群例外。这些模式主要与生物膜生长时长和采样时间的交互作用相关。随着生物膜发育时间的延长，8个分类类群的丰富度和多样性均有所增加，且这种增长趋势在Bear Creek中更为明显。后期采样事件（季节后期）通常与更高的OTU丰富度和多样性相关。

4.3 分类鉴定

细菌门水平的组成结构在两条溪流之间存在显著差异，Bear Creek的门级多样性更高，表现为分类不明确的类群丰度增加，而疣微菌门（Verrucomicrobia）、浮霉菌门（Planctomycetes）和酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰度降低。真核生物类群的分类组成多样性在Bear Creek中同样更高。

4.4 群落结构

采样事件对所有13个类群的群落结构均有显著影响，所有类群的群落结构在两条溪流间也存在显著差异，其中细菌群落的分离极为显著。此外还观察到多个显著的交互作用项，表明这些效应对不同分类群具有背景依赖性。

4.5 OTU富集分析

经多重比较校正后，共鉴定出23个显著的生物标志OTU，分属细菌、藻类、真菌和软体动物类群。Middle Muddy Creek中有13个生物标志OTU富集，包括5个细菌、3个真菌和5个软体动物。其中最丰富的细菌生物标志OTU被推定为棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii）；真菌类标志OTU归属于Cryptomycota门；软体动物类标志OTU被推定为Gibbosula polysticta和Biomphalaria glabrata。Bear Creek中则鉴定出10个细菌和软体动物的生物标志OTU。

4.6 群落组装过程

iCAMP分析揭示了细菌和真核生物在群落组装机制上的根本差异：真核生物群落主要由随机性过程（stochastic processes）驱动，而细菌群落则由确定性过程（deterministic processes）驱动。细菌群落中有66.67%严格受确定性异质选择（Heterogeneous Selection）驱动，其余33.33%由混合过程（扩散限制与异质选择）驱动。真核生物各主要类群的组装过程因类群而异：绿藻主要受随机性的同质化扩散（Homogenizing Dispersal）驱动；非绿藻类受扩散限制和异质选择共同驱动；环节动物主要由异质选择驱动；节肢动物由扩散限制和同质化扩散驱动；尾丝虫受异质选择与扩散限制共同影响；纤毛虫由同质化扩散和扩散限制等随机性过程主导。

五、讨论与结论

本研究表明，受农业影响、经过渠道化改造的Middle Muddy Creek与保持自然的Bear Creek在生物膜微生物群落的结构、组成和组装动态上均存在显著差异。退化溪流中较低的多样性和不稳定的群落组装动态，部分可归因于渠道化造成的间歇性水流和地表水断连，这扰乱了微生物群落的演替轨迹，导致群落基因库更为保守，种间竞争格局改变，并促进了具有胁迫耐受性的寡营养类群（如Planctomycetes、Azotobacter等）的富集。

在演替过程中，绿藻类群表现出早期定殖特征，细菌群落中Proteobacteria在中期演替阶段占比达到峰值（约50.17%），随后下降。光照可利用性的影响较弱，可能因为水流中的微生物可被动附着至管道内部，或因短管道内散射光渗入以及高TDS环境减弱了光差异效应。关于群落组装，确定性过程主要支配细菌群落，而随机性过程在真核群落组装中占据主导地位，这与此前研究认为生态位筛选主导细菌组装的观点一致。

研究结论指出，干扰溪流的生物膜微生物群落多样性更低、组装动态稳定性更差。同时，本研究首次描述了多个具有重要生态意义但此前研究不足的真核类群（如尾丝虫和轮虫）在溪流系统中的群落组装过程。这些发现为理解溪流退化对微生物群落的影响提供了翔实的数据支持，强调了将水生微生物群落纳入溪流修复规划的必要性，并为该地区未来的修复监测和管理决策提供了以微生物为对象的评估基准。