Anthropogenic activities mediate stratification and stability of microbial communities in freshwater sediments  

人類活動介導淡水沉積物微生物群落的分層與穩定性  

來源：BMC Microbiology, 2023, Article number: 191

《BMC微生物學》2023年，文章編號191  

 

摘要內容

 

研究通過巢湖沉積物剖面分析（圖1），揭示了大壩建設（1963年）對微生物垂直分層的遺留效應。關鍵發現：  

分層機制：大壩導致沉積速率倍增（0.13→0.41 cm/年），在21.4 cm深度（13?Cs標記層）形成銳變界面（圖2）。該界面富集深環境適應類群（如Bathyarchaeota），并通過氮/甲烷代謝耦合形成硝酸鹽-甲烷過渡帶（NMTZ），替代傳統的硫酸鹽-甲烷過渡帶（SMTZ）（圖4）。  

 

 

 

群落組裝轉變：大壩界面上方以異質選擇主導（βNTI>2），下方轉為隨機過程（βNTI<2）且擴散限制占比升至30%（圖5）。  

 

 

穩定性特征：界面區（15-25 cm）物種豐富度最高（Chao1=2180），但群落穩定性最低（季節性波動最大），呈現"生態過渡區"特性（圖3,6）。  

 

 

 

研究目的

解析大壩建設對沉積物微生物垂直分層的遺留效應。  

 

闡明微生物代謝（氮/硫/甲烷循環）如何響應大壩引起的沉積改變。  

 

量化群落組裝過程與穩定性的時空變化規律。  

 

研究思路

時空采樣設計：巢湖沉積柱（0-55 cm）月度采樣（2014-2015），結合13?Cs定年（1963年大壩事件標記層）（圖1）。  

 

多組學整合：16S rRNA擴增子（57個樣本） + 宏基因組（9個層位）分析微生物分類/功能（圖3-4）。  

 

地球化學測量：氧化還原電位（ORP）、pH（Unisense電極）、孔隙氣體（CH?賦存計算）、粒度等（圖2）。  

 

創新分析方法：  

 

隨機森林識別大壩敏感類群（圖3D）  

 

零模型（βNTI）量化組裝過程（圖5）  

 

路徑模型（PLS-PM）解析穩定性機制（圖7）  

 

 

測量數據及研究意義

沉積物地球化學剖面（圖2）  

 

數據：ORP（+200 mV → -300 mV）、TOC（表層1.8% → 深層0.5%）、孔隙氣體空間體積（VP(a) >5%指示CH?泡形成）。  

 

意義：揭示大壩界面（21.4 cm）處氧化還原躍變與甲烷封存深度，關聯微生物代謝分區。  

微生物分類與功能（圖3-4）  

 

數據：大壩敏感類群Bathyarchaeota（深部豐度15% → 界面<1%）；N-damo菌（NC10門）在界面富集（相對豐度峰值0.6%）；反硝化/DNRA基因比值在界面上方升高3倍。  

 

意義：證實大壩通過改變電子受體（NO??替代SO?2?）驅動NMTZ形成，控制甲烷氧化。  

組裝過程與穩定性（圖5-6）  

 

數據：βNTI值在界面區由>2（選擇主導）突變為<2（隨機主導）；Levin生態位寬度指數（MNB）在界面區最高（8.2）。  

 

意義：界面區高代謝可塑性（chemotaxis基因豐度+37%）導致群落波動加劇，形成"生態過渡區"。  

 

結論

代謝重組：大壩加速沉積形成銳變界面，促使氮依賴型甲烷氧化（N-damo）取代硫依賴路徑，NMTZ成為甲烷上涌關鍵屏障。  

 

組裝機制轉變：界面上方營養充足時環境選擇主導（βNTI>2）；下方貧瘠環境擴散限制增強（占比30%）。  

 

生態過渡區特性：界面區物種豐富度最高但穩定性最低，高代謝可塑性導致"涌現隨機性"（emergent stochasticity）。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中使用的Unisense微電極系統（方法部分）原位測定了沉積物剖面的氧化還原電位（ORP）和pH：  

高分辨率氧化還原分區：  

 

電極數據顯示ORP在0-10 cm從+200 mV驟降至-100 mV（圖2），精確界定氧-缺氧過渡帶（OATZ）邊界。  

 

意義：直接關聯微生物代謝轉換（如10 cm處硝化潛力消失，圖4），為NMTZ形成提供原位證據。  

pH梯度驗證代謝耦合：  

 

界面區（15-25 cm）pH降至6.8（圖2），與DNRA（異化硝酸鹽還原至銨）過程產堿特性一致。  

 

意義：支持"反硝化（界面上方）→ DNRA（界面下方）"的氮代謝分異機制（圖4Bc）。  

歷史事件的環境印記：  

 

ORP梯度與13?Cs標記層（21.4 cm）空間耦合，證明大壩通過改變沉積物氧化還原狀態驅動微生物演替。  

 

意義：克服傳統破壞性采樣的局限，實現年代-地球化學-微生物過程的三維關聯。  

 

核心價值：Unisense電極實現毫米級分辨率的原位測量，捕捉到傳統混合樣本可能掩蓋的陡變界面（如10 cm處ORP突變），為"人類活動-環境梯度-微生物響應"的因果鏈條提供直接證據。