青藏高原热喀斯特碱性湖泊中comammox 型氮螺旋菌的生态位优势与极端适应机制

《Nature Communications》：Niche specialization and prevalence of comammox Nitrospira in the alkaline sediments of thermokarst lakes on the Tibetan Plateau

　　

摘要

完全氨氧化（comammox）型氮螺旋菌（Nitrospira）被认为是氮循环中的关键角色，但它们在极端环境中的生态作用仍知之甚少。本研究通过稳定同位素分析、宏基因组学和宏转录组学研究发现，这些细菌在青藏高原热喀斯特湖泊（pH值介于7.5至10.2之间）中占据着独特的生态位。在亚碱性湖泊中，由于氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的活跃作用，总的硝化速率显著较高；然而，在高pH环境下，这些典型的硝化菌的活性受到抑制。相比之下，碱性湖泊中的comammox型氮螺旋菌活性明显高于亚碱性湖泊，其硝化能力分别比AOA和AOB高出6倍和15倍以上，成为主导的硝化菌。这种生态位转变，加上comammox型氮螺旋菌产生的氮氧化物（N₂O）量本身较低，导致碱性湖泊中的氮氧化物生成大幅减少。在盐碱胁迫条件下，这些细菌保持了碳固定和硫代谢基因的高表达，并上调了相关溶质合成、阳离子转运蛋白及蛋白质伴侣蛋白的基因表达。总体而言，这些发现表明comammox型氮螺旋菌是受永久冻土影响的热喀斯特湖泊中氮循环的关键调节者，扩展了人们对它们生理特性的认识，并揭示了它们适应极端环境的机制。