生物对DOM化学多样性的关键调控驱动中国人工湿地温室气体通量的分化

《Water Biology and Security》：Key biotic control of DOM chemodiversity drives divergent GHG flux in China’s constructed wetlands

　　

全国范围调查揭示了中国人工湿地温室气体通量格局的差异性。人工湿地被划分为通量增加型（increased-flux constructed wetlands, ICW）和通量减少型（decreased-flux constructed wetlands, DCW）。DOM化学多样性更好地解释了湿地间通量变化。不稳定的DOM促进温室气体排放，而难降解DOM有利于碳保留。微生物对DOM转化和温室气体通量的控制作用大于植物。

**DOM化学多样性与生物调控驱动中国人工湿地温室气体通量分化——论文解读**

溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）是水生碳循环中最活跃的组分，占地球水生生态系统总有机碳的80%以上，其分子组成和动态转化直接调控二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）等温室气体（Greenhouse Gases, GHG）的产生与排放，进而影响水体生态系统的全球增温潜势。人工湿地（Constructed Wetlands, CWs）是一类利用基质、植物和微生物协同作用净化污水的工程生态系统，因成本低、环境友好而被广泛应用于全球各类废水的处理。然而，进入CWs的DOM来源复杂多变，造成不同湿地DOM库呈现显著空间异质性，这种异质性掩盖了DOM特性与GHG产生、消耗及水-气交换之间潜在的生地化关联。尽管已有研究认识到生物类群、DOM和GHG之间存在交织作用，但尚不清楚在野外尺度上，DOM化学多样性的变化能否解释不同地理分布CWs进出水之间GHG通量的差异，也不确定哪些微生物和植物类群与这些关系最稳定相关。已有研究多聚焦于单个或局部系统，或侧重氮磷等常规水质指标，缺乏将DOM分子特征、生物群落和通量观测整合的大规模多维分析，从而制约了同时优化处理效能与气候影响的人工湿地设计。

针对上述问题，研究人员于2024年7月至10月对中国39个野外运行的人工湿地开展了大规模调查。采样范围跨越约2700 km，覆盖纬度18.72°N—43.91°N、经度102.76°E—125.36°E。每个湿地的进水和出水作为配对样点，共获得78个代表性水样。研究结合DOM光谱学与超高分辨率质谱表征、细菌16S rRNA基因绝对定量、植物群落记录以及水-气界面GHG通量直接测量，旨在探究DOM化学多样性与GHG通量变化的关系，并识别主导这一关系的生物类群。结果显示，39个CWs中21个出水CO₂当量通量（F_CO2-eq）较进水增加0.27%—922.55%，归类为通量增加型（ICW）；18个减少1.68%—96.91%，归类为通量减少型（DCW）。DOM化学多样性比常规环境变量和生物多样性更能解释通量变化，不稳定性DOM促进排放，难降解DOM则有利于碳保留；微生物群落对DOM转化和GHG通量的调控作用强于植物。该研究为理解人工湿地中DOM—微生物—植物—GHG的耦合机制提供了直接的野外证据，并为实现水质净化与减缓气候变化的双重目标提供了科学基础。论文发表于《Water Biology and Security》。

在技术方法上，该研究基于全国39个野外运行CWs的78个配对进出水样点（2024年7—10月采集）。主要方法包括：利用紫外-可见光谱（UV-vis）和激发发射矩阵荧光结合平行因子分析（EEM-PARAFAC）表征DOM光学性质；采用固相萃取结合傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）获取DOM分子组成；利用梯度浓度spike-in内标对细菌16S rRNA基因V3-V4区进行绝对定量扩增测序；通过顶空平衡法结合气相色谱测定水-气界面CO₂、CH₄和N₂O通量；采用随机森林、偏最小二乘路径模型（Partial Least Squares Path Modeling, PLS-PM）和网络分析等手段进行统计建模。

**3.1 进出水水-气GHG通量与DOM特征的配对格局**：通过配对比较发现，ICWs中N₂O通量增幅最大（92.63%—3058.97%），而DCWs中CO₂通量的减少贡献了总F_CO2-eq下降的93.59%。FT-ICR MS显示，所有湿地进水到出水的DOM分子式数量从3532降至1658，类蛋白组分占主导（77.81%）。随机森林模型表明，DOM特性（尤其是光谱斜率SR）是F_CO2-eq的最重要预测因子，且SR与F_CO2-eq呈显著负相关（R²=0.169, p=0.009），表明DOM分子量与通量变化密切相关。

**3.2 ICWs和DCWs中DOM转化途径的分化及其与GHG通量变化的关系**：在ICWs中，出水F_CO2-eq较进水升高109.59%，伴随不稳定、低分子量DOM组分的消耗（氨基糖、饱和化合物减少，SR和生物指数BIX下降，类蛋白荧光强度降低），配对质量差（Paired Mass Distance, PMD）网络以小质量差（如13.979 Da、15.995 Da）为主，表明DOM被快速微生物转化并促进排放。在DCWs中，出水F_CO2-eq降低18.13%—55.96%，同时观察到潜在难降解DOM积累（CHO、CHON化合物增加，SR升高，分子丰富度增大），PMD网络以大质量差（如39.995 Da、67.990 Da）为主，表明DOM转化途径更倾向于产生或保留难矿化组分，与碳保留相关。此外，单个分子式与F_CO2-eq的相关系数方向在两组中截然相反：ICWs以正相关为主，DCWs以负相关为主。

**3.3 DOM化学多样性与碳变量和生物群落的关联**：回归分析显示，DOM化学多样性（丰富度和Shannon指数）与总碳（TC）、总无机碳（TIC）、总有机碳（TOC）、溶解性有机碳（DOC）等碳库组分及进出水碳源汇变化显著相关，而植物α多样性和微生物α多样性与颗粒有机碳（POC）的相关性较弱或不同。微生物α多样性与DOM化学多样性呈强正相关，而植物多样性无此关系。随机森林模型进一步证实微生物群落对DOM化学多样性和组成的预测力高于植物群落。细菌群落以Acinetobacter、Pseudarthrobacter、Pseudomonas等为优势属，植物以Arundo donax和Phragmites australis为主。这说明微生物在统计学上与DOM化学多样性的耦合更为紧密。

**3.4 与DOM-GHG关联的关键生物驱动因子**：通过Spearman相关与随机森林筛选出与GHG通量显著相关的关键分子式（Key Molecular Formulas, KMFs），并构建KMFs与细菌OTU的二部生态网络。在ICWs中，关键微生物类群主要为Sphingomonas和Sphingopyxis，它们与GHG通量正相关；在DCWs中，关键类群为Pseudarthrobacter和Micromonospora，与GHG通量负相关。大多数微生物-KMF互作（73.53%—95.28%）为负相关，表明微生物主要通过降解或转化DOM分子发挥作用。Mantel检验鉴定出ICWs中Canna indica、Thalia dealbata、Cyperus involucratus，以及DCWs中Phragmites australis、Typha latifolia为关键植物物种。PLS-PM揭示，在ICWs中F_CO2-eq直接受KMFs和关键细菌驱动，关键细菌对KMFs的负向直接作用（路径系数?0.53）强于关键植物的间接作用（0.31）；在DCWs中，关键植物对KMFs的总正效应最大（0.63），但关键细菌仍有显著的直接负效应（?0.36）。这表明微生物是DOM-GHG关联的中枢调节者，植物则主要通过环境调节间接参与。

讨论部分指出，DOM化学多样性可作为野外CWs中GHG通量变化的重要指示指标；ICWs和DCWs的分化本质上对应不同的DOM转化途径——一者偏向快速矿化并释放GHG，另一者偏向顽固DOM封存。Sphingomonas/Sphingopyxis与Pseudarthrobacter/Micromonospora分别可能是驱动这两类途径的关键微生物。研究也承认其局限性：调查仅在生物活跃的夏季进行，所揭示的关系主要代表该时段；且作为观测性研究，识别的关联应视为统计支持和可检验假设，未来需通过季节性、操控性和过程性研究来验证机制。

结论部分总结：本研究显示，在中国约2700 km多样气候和地理梯度的39个人工湿地中，DOM的化学多样性与进出水水-气GHG通量配对变化的分异方向密切相关。湿地GHG通量模式的分化由不同的DOM转化途径支撑，这些途径与特定微生物类群紧密关联。植物搭建了舞台，而微生物作为DOM的直接调节者决定了最终的GHG旋律。这一精细认识为引导人工湿地设计和管理朝向同时实现水净化与气候变化减缓的双重目标提供了科学基础。