历史遗留金属污染重塑洪泛区土壤原核生物多样性与氮循环遗传潜力

《Microbial Ecology》：Legacy Metal Contamination Alters Floodplain Soil Microbiomes and Reorganizes Nitrogen-Cycling Genetic Potential

　　

摘要

长期金属污染会对土壤微生物群落产生持久的环境影响，但其在洪泛区土壤中对微生物生态策略和氮循环遗传潜力的影响尚不明确。我们研究了美国萨凡纳河场区历史遗留煤灰污染洪泛区土壤的参考样与污染样，跨越五个季节采样期，以确定慢性多金属暴露如何塑造原核生物多样性、群落生态策略、预测功能谱以及氮循环基因。我们结合了 16S rRNA 基因扩增子测序、基于 PICRUSt2 的功能预测，以及 16S rRNA 基因和氮循环标志物的数字 PCR 定量，包括古菌和细菌氨单加氧酶基因、亚硝酸盐还原酶基因和异化亚硝酸盐还原酶。金属污染降低了分类学和系统发育多样性，但未一致降低总 16S rRNA 基因丰度，表明这是群落重构而非原核生物 DNA 丰度的崩溃。受污染土壤富集了广生态位类群，减少了专生态位类群，与环境选择和生物同质化一致。在不同季节中，参考土壤和受污染土壤之间的群落组成和预测功能谱存在差异，在夏末高峰条件下差异最大。尽管 PICRUSt2 预测硝化潜力降低，但数字 PCR 揭示了氨氧化基因丰度的增加，这主要由古菌氨氧化菌驱动。基因比率分析进一步表明，相对于与硝态氮/亚硝态氮异化还原为铵态氮 (DNRA) 相关的 nrfA，向氨氧化和反硝化亚硝酸盐还原发生了转变。这些发现表明，历史遗留金属污染改变了洪泛区土壤微生物组并重新组织了氮循环遗传潜力，可能影响受污染生态系统中的氮留存。