淡水沉积物微生物是重要的分解者，在调节生物地球化学循环和温室气体排放方面发挥着关键作用。它们通常沿着深度剖面呈现高度有序的结构。这种分层不仅反映了氧化还原效应，而且还为历史转变提供了宝贵的见解，因为沉积物是追踪环境历史的重要档案。人类世作为一个候选地质纪元，最近引起了人们的广泛关注。然而人类对天然氧化还原生态位覆盖下的沉积物分区的影响仍然知之甚少。大坝建设是对水生生态系统影响最深远的人为改造之一。了解群落组装过程和分层形成需要描述群落稳定性模式。沉积物中的陡峭转变非常符合生态交错带模型，其中物种丰富度往往趋于峰值，并且当地群落随着时间的推移高度动态且不稳定。迄今为止，沉积物微生物组的分层和稳定性之间的联系仍然不明确。在这项研究中，研究人员探讨了人类活动在淡水湖沉积物形成生物地球化学分层中的作用。我们试图确定大坝建设的遗留影响，重点是（i）微生物分类和功能分层，（ii）与经典氧化还原级联的耦合效应，（iii）群落组装过程，以及（iv）群落稳定性。


我们在中国主要淡水湖巢湖开展了这项研究，采用了为期一年的采样策略。假设（i）筑坝会破坏正常的氧化还原顺序，通过能量输入、沉积特性和群落组装过程的变化导致快速分层；(ii)NMTZ将用依赖N的AOM取代SMTZ，作为控制向上甲烷通量的关键因素，(iii)快速分层区将出现显着的能量差异，并增强当地社区的波动。为了检验这些假设，研究人员结合鸟枪法宏基因组学和扩增子测序方法确定了微生物分类学和功能分层，并通过阐明沉积过程和微生物群落动态，提出了一种潜在的过去-现在耦合分层机制。


Unisense微电极分析系统的应用


沉积物核心采用了一种配备有明亮聚碳酸酯管的重力取样器（内径8.2cm，长度60cm）。考虑到沉积物采样的破坏性质，在季节性采样中控制了空间采样点的偏差在100米以内。每隔5厘米取样一次，对于每个样品，剖面的每个5厘米间隔子样品都切取了1厘米厚的边缘以避免侧壁污染并减小边缘效应。样品经过清理去碎屑和去动物等处理后，然后转移到一个干净的密封样品袋中。使用Unisense氧化还原电极（金属尖端，标准氢电位）和pH微电极（Unisense，奥尔胡斯，丹麦）测量采样的沉积物内氧化还原电位（ORP）和pH。


实验结果


对中国大型浅水湖巢湖沉积物剖面进行了全年调查。通过深度离散鸟枪法宏基因组学、元分类学和地球物理化学分析，本研究揭示了一种独特的原核生物层次结构，该层次结构是由氧化还原机制和历史筑坝相互作用形成的。大坝引起的初始分化通过氮和甲烷代谢进一步放大，形成控制硝酸盐-甲烷代谢相互作用和气态甲烷封存深度的突然转变。使用随机森林算法，我们确定了对筑坝敏感的类群，它们具有独特的代谢策略，包括节能机制、独特的运动行为和深层环境偏好。此外，零模型分析表明，筑坝改变了微生物群落的组装，从上面以选择为导向的确定性过程变成了下面更加随机、限制扩散的过程。时间调查揭示了快速过渡带是一个生态交错带，具有物种丰富度高、群落稳定性低和随机性的特点。

图1、A）采样点位置和中国巢湖流域地图。B）每个沉积层的现场物理化学参数是在不破坏层间连接的情况下在样品中确定的。C）时空采样策略的示意图

图2、与沉积物深度和年龄相关的关键环境参数的垂直剖面。带误差线的值是六个季节性快照的平均值(±1 SEM)。SWC饱和（质量）水含量(Moi(m))、TIS总间隙体积百分比、Temp沉积物温度、与标准氢电极(SHE)相比的ORP氧化还原电位、Cond电导率、TOC总有机碳、沉积色素估算的PDESP硅藻百分比、DI-TP硅藻推断的总磷、D 50颗粒中值直径、MGS平均粒径。灰色圆圈代表甲烷气泡的存在，气体体积（VP(a),%）由旁边的数字标记。

图3、沉积微生物群落的垂直组织。A）沉积层结构的概览，包括沉积深度的α多样性变化和聚类分析。橙色线表示Chao1的丰富度（S∈[1745,2180]），蓝色线表示Pielou's均匀度（E∈[0.76,0.86]）。UPGMA将十一个空间样品分为两个主要的簇（R=0.974，P=0.002）：上面四层和下面七层，与历史性的筑坝事件一致。B）不同深度层中前20个优势类的组成。C）基于OTUs的Bray-Curtis不相似性的主坐标分析（PCoA），说明细菌群落按深度分组的持续变化。95%置信圆的大小显示了组内不相似性，代表季节波动。D）基于随机森林分类在沉积中识别的筑坝敏感门（DSP）和纲（DSC）。基尼值的平均减少值确定了执行分类的最可靠和相关的预测因子（门/纲）。E）通过对十一个季节性合并样本进行的二分网络分析显示的新的分层现象。节点颜色从黄色向深紫色变化，表示OTU-样本连接度从1到11的增加。线条的灰度表示一个样本中OTU的丰富度。

图4、根据能量代谢模式的垂直生物地球化学分区。A）使用16S rRNA基因预测的S/N/CH4代谢丰度随季节变化的总和（Aa）；使用KEGG和NCycDB注释的宏基因组数据预测的特定功能模块和趋化性（Ab-d）。硫酸还原（R2=0.975，df=5）和硝化（R2=0.854，df=6）使用具有台阶后一相衰减的指数模型拟合。甲烷氧化（R2=0.983，df=4），产甲烷（R2=0.999，df=4）和硝酸盐还原（R2=0.998，df=4）使用具有线性模型后一相衰减/关联的分段拟合。所有这些非线性模型均使用最小二乘法。NC10类的相对丰度（Ac）作为N-damo强度的代理，即依赖于硝酸盐/亚硝酸盐的厌氧甲烷氧化。图Ac中的黑点表示季节样本的中位数，由灰点标记。OATZ氧化-缺氧过渡区，NATZ硝酸盐-铵过渡区，SMTZ硫酸盐-甲烷过渡区，NMTZ硝酸盐/亚硝酸盐-甲烷过渡区，MGZ产甲烷区。B与S/N循环代谢相关的几个比率指标。同化性/异化性硫酸盐还原（二次拟合）。由古典／异化氨氧化细菌和细菌，脱硝／DNRA（脱硝和异化性硝酸盐还原到铵的比率）由线性t检验。C能量代谢的环境驱动因素。线条颜色代表曼特尔的p，线条宽度代表曼特尔r。红色“X”表示皮尔逊相关性没有显著意义。

图5、沉积深度上微生物群落组装过程的定量估计。A）方差分区分析（VPA）揭示了当代、历史和沉积参数对整个沉积群落变异（Hellinger变换）的相对贡献。B）筑坝前后微生物群落组装的不同生态过程。C）沉积中相邻层之间βNTI的不同模式，使用个体样本和季节合并样本的数据。十一个合并样本采用二次模型拟合。


结论与展望


本研究对中国大型浅水湖巢湖沉积物剖面进行了全年调查。通过深度离散鸟枪法宏基因组学、元分类学和地球物理化学分析，研究人员揭示了一种独特的原核生物层次结构，该层次结构是由氧化还原机制和历史筑坝相互作用形成的。深入探索淡水沉积生物圈的人为压力对于更好地理解沉积物生物圈形成的一般机制至关重要。本研究结果展示了一种独特的沉积物分层模式，历史上的大坝建设显着改变了氧化还原顺序和微生物群落结构、稳定性和组装过程。此类历史筑坝事件可以加强硝酸盐-甲烷转变，这在控制甲烷封存深度方面发挥着重要作用。尽管需要进一步的研究来将这些发现扩展到其他水生沉积物中，但人为改变很可能是塑造沉积物微生物分区和改变群落组装过程的普遍关键因素，因为复杂的自然选择不会忽视任何微妙的变化。