淡水沉積物微生物是重要的分解者，在調節生物地球化學循環和溫室氣體排放方面發揮著關鍵作用。它們通常沿著深度剖面呈現高度有序的結構。這種分層不僅反映了氧化還原效應，而且還為歷史轉變提供了寶貴的見解，因為沉積物是追蹤環境歷史的重要檔案。人類世作為一個候選地質紀元，最近引起了人們的廣泛關注。然而人類對天然氧化還原生態位覆蓋下的沉積物分區的影響仍然知之甚少。大壩建設是對水生生態系統影響最深遠的人為改造之一。了解群落組裝過程和分層形成需要描述群落穩定性模式。沉積物中的陡峭轉變非常符合生態交錯帶模型，其中物種豐富度往往趨于峰值，并且當地群落隨著時間的推移高度動態且不穩定。迄今為止，沉積物微生物組的分層和穩定性之間的聯系仍然不明確。在這項研究中，研究人員探討了人類活動在淡水湖沉積物形成生物地球化學分層中的作用。我們試圖確定大壩建設的遺留影響，重點是（i）微生物分類和功能分層，（ii）與經典氧化還原級聯的耦合效應，（iii）群落組裝過程，以及（iv）群落穩定性。


我們在中國主要淡水湖巢湖開展了這項研究，采用了為期一年的采樣策略。假設（i）筑壩會破壞正常的氧化還原順序，通過能量輸入、沉積特性和群落組裝過程的變化導致快速分層；(ii)NMTZ將用依賴N的AOM取代SMTZ，作為控制向上甲烷通量的關鍵因素，(iii)快速分層區將出現顯著的能量差異，并增強當地社區的波動。為了檢驗這些假設，研究人員結合鳥槍法宏基因組學和擴增子測序方法確定了微生物分類學和功能分層，并通過闡明沉積過程和微生物群落動態，提出了一種潛在的過去-現在耦合分層機制。


Unisense微電極分析系統的應用


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（內徑8.2cm，長度60cm）?？紤]到沉積物采樣的破壞性質，在季節性采樣中控制了空間采樣點的偏差在100米以內。每隔5厘米取樣一次，對于每個樣品，剖面的每個5厘米間隔子樣品都切取了1厘米厚的邊緣以避免側壁污染并減小邊緣效應。樣品經過清理去碎屑和去動物等處理后，然后轉移到一個干凈的密封樣品袋中。使用Unisense氧化還原電極（金屬尖端，標準氫電位）和pH微電極（Unisense，奧爾胡斯，丹麥）測量采樣的沉積物內氧化還原電位（ORP）和pH。


實驗結果


對中國大型淺水湖巢湖沉積物剖面進行了全年調查。通過深度離散鳥槍法宏基因組學、元分類學和地球物理化學分析，本研究揭示了一種獨特的原核生物層次結構，該層次結構是由氧化還原機制和歷史筑壩相互作用形成的。大壩引起的初始分化通過氮和甲烷代謝進一步放大，形成控制硝酸鹽-甲烷代謝相互作用和氣態甲烷封存深度的突然轉變。使用隨機森林算法，我們確定了對筑壩敏感的類群，它們具有獨特的代謝策略，包括節能機制、獨特的運動行為和深層環境偏好。此外，零模型分析表明，筑壩改變了微生物群落的組裝，從上面以選擇為導向的確定性過程變成了下面更加隨機、限制擴散的過程。時間調查揭示了快速過渡帶是一個生態交錯帶，具有物種豐富度高、群落穩定性低和隨機性的特點。

圖1、A）采樣點位置和中國巢湖流域地圖。B）每個沉積層的現場物理化學參數是在不破壞層間連接的情況下在樣品中確定的。C）時空采樣策略的示意圖

圖2、與沉積物深度和年齡相關的關鍵環境參數的垂直剖面。帶誤差線的值是六個季節性快照的平均值(±1 SEM)。SWC飽和（質量）水含量(Moi(m))、TIS總間隙體積百分比、Temp沉積物溫度、與標準氫電極(SHE)相比的ORP氧化還原電位、Cond電導率、TOC總有機碳、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),%）由旁邊的數字標記。

圖3、沉積微生物群落的垂直組織。A）沉積層結構的概覽，包括沉積深度的α多樣性變化和聚類分析。橙色線表示Chao1的豐富度（S∈[1745,2180]），藍色線表示Pielou's均勻度（E∈[0.76,0.86]）。UPGMA將十一個空間樣品分為兩個主要的簇（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個優勢類的組成。C）基于OTUs的Bray-Curtis不相似性的主坐標分析（PCoA），說明細菌群落按深度分組的持續變化。95%置信圓的大小顯示了組內不相似性，代表季節波動。D）基于隨機森林分類在沉積中識別的筑壩敏感門（DSP）和綱（DSC）?；嶂档钠骄鶞p少值確定了執行分類的最可靠和相關的預測因子（門/綱）。E）通過對十一個季節性合并樣本進行的二分網絡分析顯示的新的分層現象。節點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樣本中OTU的豐富度。

圖4、根據能量代謝模式的垂直生物地球化學分區。A）使用16S rRNA基因預測的S/N/CH4代謝豐度隨季節變化的總和（Aa）；使用KEGG和NCycDB注釋的宏基因組數據預測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）使用具有臺階后一相衰減的指數模型擬合。甲烷氧化（R2=0.983，df=4），產甲烷（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/關聯的分段擬合。所有這些非線性模型均使用最小二乘法。NC10類的相對豐度（Ac）作為N-damo強度的代理，即依賴于硝酸鹽/亞硝酸鹽的厭氧甲烷氧化。圖Ac中的黑點表示季節樣本的中位數，由灰點標記。OATZ氧化-缺氧過渡區，NATZ硝酸鹽-銨過渡區，SMTZ硫酸鹽-甲烷過渡區，NMTZ硝酸鹽/亞硝酸鹽-甲烷過渡區，MGZ產甲烷區。B與S/N循環代謝相關的幾個比率指標。同化性/異化性硫酸鹽還原（二次擬合）。由古典／異化氨氧化細菌和細菌，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。C能量代謝的環境驅動因素。線條顏色代表曼特爾的p，線條寬度代表曼特爾r。紅色“X”表示皮爾遜相關性沒有顯著意義。

圖5、沉積深度上微生物群落組裝過程的定量估計。A）方差分區分析（VPA）揭示了當代、歷史和沉積參數對整個沉積群落變異（Hellinger變換）的相對貢獻。B）筑壩前后微生物群落組裝的不同生態過程。C）沉積中相鄰層之間βNTI的不同模式，使用個體樣本和季節合并樣本的數據。十一個合并樣本采用二次模型擬合。


結論與展望


本研究對中國大型淺水湖巢湖沉積物剖面進行了全年調查。通過深度離散鳥槍法宏基因組學、元分類學和地球物理化學分析，研究人員揭示了一種獨特的原核生物層次結構，該層次結構是由氧化還原機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于更好地理解沉積物生物圈形成的一般機制至關重要。本研究結果展示了一種獨特的沉積物分層模式，歷史上的大壩建設顯著改變了氧化還原順序和微生物群落結構、穩定性和組裝過程。此類歷史筑壩事件可以加強硝酸鹽-甲烷轉變，這在控制甲烷封存深度方面發揮著重要作用。盡管需要進一步的研究來將這些發現擴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和改變群落組裝過程的普遍關鍵因素，因為復雜的自然選擇不會忽視任何微妙的變化。