淡水沉積物微生物是重要的分解者，在調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)循環(huán)和溫室氣體排放方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們通常沿著深度剖面呈現(xiàn)高度有序的結(jié)構(gòu)。這種分層不僅反映了氧化還原效應(yīng)，而且還為歷史轉(zhuǎn)變提供了寶貴的見(jiàn)解，因?yàn)槌练e物是追蹤環(huán)境歷史的重要檔案。人類(lèi)世作為一個(gè)候選地質(zhì)紀(jì)元，最近引起了人們的廣泛關(guān)注。然而人類(lèi)對(duì)天然氧化還原生態(tài)位覆蓋下的沉積物分區(qū)的影響仍然知之甚少。大壩建設(shè)是對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)影響最深遠(yuǎn)的人為改造之一。了解群落組裝過(guò)程和分層形成需要描述群落穩(wěn)定性模式。沉積物中的陡峭轉(zhuǎn)變非常符合生態(tài)交錯(cuò)帶模型，其中物種豐富度往往趨于峰值，并且當(dāng)?shù)厝郝潆S著時(shí)間的推移高度動(dòng)態(tài)且不穩(wěn)定。迄今為止，沉積物微生物組的分層和穩(wěn)定性之間的聯(lián)系仍然不明確。在這項(xiàng)研究中，研究人員探討了人類(lèi)活動(dòng)在淡水湖沉積物形成生物地球化學(xué)分層中的作用。我們?cè)噲D確定大壩建設(shè)的遺留影響，重點(diǎn)是（i）微生物分類(lèi)和功能分層，（ii）與經(jīng)典氧化還原級(jí)聯(lián)的耦合效應(yīng)，（iii）群落組裝過(guò)程，以及（iv）群落穩(wěn)定性。

我們?cè)谥袊?guó)主要淡水湖巢湖開(kāi)展了這項(xiàng)研究，采用了為期一年的采樣策略。假設(shè)（i）筑壩會(huì)破壞正常的氧化還原順序，通過(guò)能量輸入、沉積特性和群落組裝過(guò)程的變化導(dǎo)致快速分層；(ii)NMTZ將用依賴N的AOM取代SMTZ，作為控制向上甲烷通量的關(guān)鍵因素，(iii)快速分層區(qū)將出現(xiàn)顯著的能量差異，并增強(qiáng)當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的波動(dòng)。為了檢驗(yàn)這些假設(shè)，研究人員結(jié)合鳥(niǎo)槍法宏基因組學(xué)和擴(kuò)增子測(cè)序方法確定了微生物分類(lèi)學(xué)和功能分層，并通過(guò)闡明沉積過(guò)程和微生物群落動(dòng)態(tài)，提出了一種潛在的過(guò)去-現(xiàn)在耦合分層機(jī)制。

Unisense微電極分析系統(tǒng)的應(yīng)用

沉積物核心采用了一種配備有明亮聚碳酸酯管的重力取樣器（內(nèi)徑8.2cm，長(zhǎng)度60cm）?？紤]到沉積物采樣的破壞性質(zhì)，在季節(jié)性采樣中控制了空間采樣點(diǎn)的偏差在100米以內(nèi)。每隔5厘米取樣一次，對(duì)于每個(gè)樣品，剖面的每個(gè)5厘米間隔子樣品都切取了1厘米厚的邊緣以避免側(cè)壁污染并減小邊緣效應(yīng)。樣品經(jīng)過(guò)清理去碎屑和去動(dòng)物等處理后，然后轉(zhuǎn)移到一個(gè)干凈的密封樣品袋中。使用Unisense氧化還原電極（金屬尖端，標(biāo)準(zhǔn)氫電位）和pH微電極（Unisense，奧爾胡斯，丹麥）測(cè)量采樣的沉積物內(nèi)氧化還原電位（ORP）和pH。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)中國(guó)大型淺水湖巢湖沉積物剖面進(jìn)行了全年調(diào)查。通過(guò)深度離散鳥(niǎo)槍法宏基因組學(xué)、元分類(lèi)學(xué)和地球物理化學(xué)分析，本研究揭示了一種獨(dú)特的原核生物層次結(jié)構(gòu)，該層次結(jié)構(gòu)是由氧化還原機(jī)制和歷史筑壩相互作用形成的。大壩引起的初始分化通過(guò)氮和甲烷代謝進(jìn)一步放大，形成控制硝酸鹽-甲烷代謝相互作用和氣態(tài)甲烷封存深度的突然轉(zhuǎn)變。使用隨機(jī)森林算法，我們確定了對(duì)筑壩敏感的類(lèi)群，它們具有獨(dú)特的代謝策略，包括節(jié)能機(jī)制、獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)行為和深層環(huán)境偏好。此外，零模型分析表明，筑壩改變了微生物群落的組裝，從上面以選擇為導(dǎo)向的確定性過(guò)程變成了下面更加隨機(jī)、限制擴(kuò)散的過(guò)程。時(shí)間調(diào)查揭示了快速過(guò)渡帶是一個(gè)生態(tài)交錯(cuò)帶，具有物種豐富度高、群落穩(wěn)定性低和隨機(jī)性的特點(diǎn)。

圖1、A）采樣點(diǎn)位置和中國(guó)巢湖流域地圖。B）每個(gè)沉積層的現(xiàn)場(chǎng)物理化學(xué)參數(shù)是在不破壞層間連接的情況下在樣品中確定的。C）時(shí)空采樣策略的示意圖

圖2、與沉積物深度和年齡相關(guān)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)的垂直剖面。帶誤差線的值是六個(gè)季節(jié)性快照的平均值(±1 SEM)。SWC飽和（質(zhì)量）水含量(Moi(m))、TIS總間隙體積百分比、Temp沉積物溫度、與標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)相比的ORP氧化還原電位、Cond電導(dǎo)率、TOC總有機(jī)碳、沉積色素估算的PDESP硅藻百分比、DI-TP硅藻推斷的總磷、D 50顆粒中值直徑、MGS平均粒徑?；疑珗A圈代表甲烷氣泡的存在，氣體體積（VP(a),%）由旁邊的數(shù)字標(biāo)記。

圖3、沉積微生物群落的垂直組織。A）沉積層結(jié)構(gòu)的概覽，包括沉積深度的α多樣性變化和聚類(lèi)分析。橙色線表示Chao1的豐富度（S∈[1745,2180]），藍(lán)色線表示Pielou's均勻度（E∈[0.76,0.86]）。UPGMA將十一個(gè)空間樣品分為兩個(gè)主要的簇（R=0.974，P=0.002）：上面四層和下面七層，與歷史性的筑壩事件一致。B）不同深度層中前20個(gè)優(yōu)勢(shì)類(lèi)的組成。C）基于OTUs的Bray-Curtis不相似性的主坐標(biāo)分析（PCoA），說(shuō)明細(xì)菌群落按深度分組的持續(xù)變化。95%置信圓的大小顯示了組內(nèi)不相似性，代表季節(jié)波動(dòng)。D）基于隨機(jī)森林分類(lèi)在沉積中識(shí)別的筑壩敏感門(mén)（DSP）和綱（DSC）?；嶂档钠骄鶞p少值確定了執(zhí)行分類(lèi)的最可靠和相關(guān)的預(yù)測(cè)因子（門(mén)/綱）。E）通過(guò)對(duì)十一個(gè)季節(jié)性合并樣本進(jìn)行的二分網(wǎng)絡(luò)分析顯示的新的分層現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)顏色從黃色向深紫色變化，表示OTU-樣本連接度從1到11的增加。線條的灰度表示一個(gè)樣本中OTU的豐富度。

圖4、根據(jù)能量代謝模式的垂直生物地球化學(xué)分區(qū)。A）使用16S rRNA基因預(yù)測(cè)的S/N/CH4代謝豐度隨季節(jié)變化的總和（Aa）；使用KEGG和NCycDB注釋的宏基因組數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的特定功能模塊和趨化性（Ab-d）。硫酸還原（R2=0.975，df=5）和硝化（R2=0.854，df=6）使用具有臺(tái)階后一相衰減的指數(shù)模型擬合。甲烷氧化（R2=0.983，df=4），產(chǎn)甲烷（R2=0.999，df=4）和硝酸鹽還原（R2=0.998，df=4）使用具有線性模型后一相衰減/關(guān)聯(lián)的分段擬合。所有這些非線性模型均使用最小二乘法。NC10類(lèi)的相對(duì)豐度（Ac）作為N-damo強(qiáng)度的代理，即依賴于硝酸鹽/亞硝酸鹽的厭氧甲烷氧化。圖Ac中的黑點(diǎn)表示季節(jié)樣本的中位數(shù)，由灰點(diǎn)標(biāo)記。OATZ氧化-缺氧過(guò)渡區(qū)，NATZ硝酸鹽-銨過(guò)渡區(qū)，SMTZ硫酸鹽-甲烷過(guò)渡區(qū)，NMTZ硝酸鹽/亞硝酸鹽-甲烷過(guò)渡區(qū)，MGZ產(chǎn)甲烷區(qū)。B與S/N循環(huán)代謝相關(guān)的幾個(gè)比率指標(biāo)。同化性/異化性硫酸鹽還原（二次擬合）。由古典／異化氨氧化細(xì)菌和細(xì)菌，脫硝／DNRA（脫硝和異化性硝酸鹽還原到銨的比率）由線性t檢驗(yàn)。C能量代謝的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素。線條顏色代表曼特爾的p，線條寬度代表曼特爾r。紅色“X”表示皮爾遜相關(guān)性沒(méi)有顯著意義。

圖5、沉積深度上微生物群落組裝過(guò)程的定量估計(jì)。A）方差分區(qū)分析（VPA）揭示了當(dāng)代、歷史和沉積參數(shù)對(duì)整個(gè)沉積群落變異（Hellinger變換）的相對(duì)貢獻(xiàn)。B）筑壩前后微生物群落組裝的不同生態(tài)過(guò)程。C）沉積中相鄰層之間βNTI的不同模式，使用個(gè)體樣本和季節(jié)合并樣本的數(shù)據(jù)。十一個(gè)合并樣本采用二次模型擬合。

結(jié)論與展望

本研究對(duì)中國(guó)大型淺水湖巢湖沉積物剖面進(jìn)行了全年調(diào)查。通過(guò)深度離散鳥(niǎo)槍法宏基因組學(xué)、元分類(lèi)學(xué)和地球物理化學(xué)分析，研究人員揭示了一種獨(dú)特的原核生物層次結(jié)構(gòu)，該層次結(jié)構(gòu)是由氧化還原機(jī)制和歷史筑壩相互作用形成的。深入探索淡水沉積生物圈的人為壓力對(duì)于更好地理解沉積物生物圈形成的一般機(jī)制至關(guān)重要。本研究結(jié)果展示了一種獨(dú)特的沉積物分層模式，歷史上的大壩建設(shè)顯著改變了氧化還原順序和微生物群落結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和組裝過(guò)程。此類(lèi)歷史筑壩事件可以加強(qiáng)硝酸鹽-甲烷轉(zhuǎn)變，這在控制甲烷封存深度方面發(fā)揮著重要作用。盡管需要進(jìn)一步的研究來(lái)將這些發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展到其他水生沉積物中，但人為改變很可能是塑造沉積物微生物分區(qū)和改變?nèi)郝浣M裝過(guò)程的普遍關(guān)鍵因素，因?yàn)閺?fù)雜的自然選擇不會(huì)忽視任何微妙的變化。