《Journal of Environmental Management》：Seasonal dynamics of sedimentary dissolved organic matter in plateau lakes: Driving effects on microbial community and functional genes in elements cycling
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本研究通过FT-ICR MS和宏基因组技术，揭示青藏高原湖泊沉积物DOM的季节动态及其调控微生物群落和元素循环的作用。干季低温低氧高电导促进木质素-like和CRAMs积累，湿季微生物生物量及易氧化有机碳增加。营养状态差异导致功能基因模块分化，oligotrophic湖泊季节性变化，富营养浅湖模块稳定。人为干扰威胁沉积物碳库及元素循环平衡，为气候变化敏感湖泊管理提供科学框架。
黄忠庆|沈健|王金辉|王晨|刘华吉|田春梅|冯吉猛|王新泽
上海交通大学环境科学与工程学院，上海，200240，中国
摘要
高原湖泊作为对全球气候变化敏感的区域以及陆地-水碳交换的关键枢纽，在其沉积物中的溶解有机物质（DOM）的季节性动态及其与微生物生态功能的相互作用方面仍研究不足。本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和宏基因组技术，揭示了DOM的季节性变化及其在微生物群落和元素循环中的调节作用。在干旱季节，较低的水温（WT）、溶解氧（DO）和较高的电导率（EC）促进了类似木质素的和富含羧基的脂肪族分子（CRAMs）的积累，其中抚仙湖的积累最为显著。随后的湿润期增加了微生物生物量碳（MBC）和易氧化有机碳（EOC），降低了平均质荷比，并提高了名义氢碳比（H/C）和分子不稳定性指数（MLB%）。易分解的糖类和肽类增强了微生物的α多样性，而难分解的化合物则促进了特定类群的富集和群落分化。随机森林分析表明，糖类、肽类、O3S + O5S、生物指数（BIX）和水温（WT）是驱动元素循环基因表达的核心因素。功能基因模块根据营养状态的不同而分化。贫营养的深水湖经历了季节性变化，而富营养的浅水湖则保持了稳定的超级模块，整合了多种代谢途径以缓冲干扰。人为干扰增加了含硫/氮的杂原子化合物，威胁到了沉积物碳汇和元素循环的平衡。本研究加深了对DOM驱动的生物地球化学循环的理解，并为管理气候敏感的高原湖泊中的多元素相互作用提供了科学框架。
引言
湖泊沉积物中的溶解有机物质（DOM）是湖泊生态系统中最大的有机碳（C）库，对碳循环、营养动态和生态系统健康起着关键作用（Xu等人，2025a）。DOM的组成受人类活动、陆地输入和浮游植物动态的影响（Liu等人，2025；Liu等人，2025）。外来DOM主要来源于人类活动和河流，以化学性质稳定、生物难降解的富里酸和腐殖酸为主（Xing等人，2025；Yan等人，2025）。相比之下，自源DOM由浮游植物和微生物代谢产生，它们将易分解的底物和沉积物营养物质释放到水体中（Liu等人，2025；Liu等人，2025；Song等人，2024）。除了调节光学性质和浮游植物的光合作用外，DOM还通过其分子组成和生物活性深刻地调控碳（C）、氮（N）和其他营养物质的生物地球化学循环（Bai等人，2023；Xing等人，2025）。
高原湖泊生态系统对全球气候变化和人为干扰极为敏感，其生态完整性和生物地球化学过程面临日益严重的威胁（Xu等人，2025a）。这些湖泊具有独特的地理和环境特征，表现出明显的季节性变化，从而驱动水文变异性，重塑了DOM的来源和组成（Bai等人，2023；Yan等人，2025）。这种水文季节性强烈影响了DOM的生物地球化学活动和分子特性（Liu等人，2025；Liu等人，2025；Yan等人，2025）。干湿季节的交替改变了陆地径流模式和湖泊内的初级生产力，进而改变了DOM的化学性质和生物可利用性（Rose等人，2023）。在湿润期，地表径流增加导致陆源DOM负荷增加，而在干旱期则主要由内部生物过程主导DOM来源的变化（Yan等人，2025）。同时，由富营养化引起的有害蓝藻水华，加上自源DOM浓度的升高，已成为高原淡水湖泊的关键生态威胁（Song等人，2024）。在富营养系统中，初级生产者的生物量增加，增强了内部产生的DOM对有机物质库的贡献，增殖的藻类释放出易分解的有机化合物，重新配置了DOM的分子组成（Wen等人，2022；Yan等人，2025）。这些变化调节了微生物对DOM的利用，引导生物地球化学过程沿着不同的路径进行（Li等人，2025）。
因此，阐明高原湖泊中DOM的动态有助于我们理解调控微生物元素循环的代谢途径。
微生物群落结构和代谢潜力与湖泊的营养状态紧密相关（Shen等人，2019；Yan等人，2025），微生物驱动主要元素的生物地球化学循环，控制着湖泊生态系统内的物质转化和能量流动（Zhu等人，2025）。通过DOM代谢，微生物介导碳（C）的固定、转化和释放，从而决定湖泊是CO2的来源还是汇（Bai等人，2023）。它们还通过固氮、硝化、反硝化和厌氧铵氧化作用调节氮（N）的循环（Zhang等人，2025）。此外，硫（S）的循环在湖泊沉积物中同样重要，微生物氧化和硫酸盐还原作用调控了S的形态和最终归宿（Hu等人，2025a；Phillips等人，2023）。元素循环功能基因的表达水平和丰度直接反映了微生物的代谢潜力和环境响应性（Yan等人，2025；Yang等人，2022）。尽管之前的研究已经探讨了DOM、微生物群落和元素循环功能基因之间的关系（Li等人，2025；Xu等人，2025a），但在高原湖泊中，干湿季节交替和不同营养状态对C/N/S生物地球化学循环的综合影响仍不甚明了。
我们假设营养状态与季节性变化之间的相互作用决定了高原湖泊沉积物DOM的分子组成，从而影响了微生物群落的构建和元素循环功能过程。通过结合傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）进行高分辨率DOM表征和宏基因组测序来分析微生物功能基因，本研究旨在：（1）解析高原湖泊中DOM组成的季节性重组及其驱动因素；（2）阐明干湿季节DOM变化如何影响微生物群落结构和多样性；（3）确定C/N/S循环功能基因的表达如何响应不同营养状态下的季节性DOM变化。
研究区域描述
作为亚热带高海拔西南季风气候区的代表，选择了抚仙湖（24°21′28″N–24°38′00″N，102°49′12″E–102°57′26″E）、洱海（25°36′N–25°58′N，100°05′E–100°17′E）和杞卢湖（24°04′36″N–24°14′21″N，102°33′48″E–102°52′36″E）作为研究地点。根据营养级指数（TLI），它们分别被分类为贫营养、中营养和富营养类型。抚仙湖以其高蓄水能力和高质量而闻名
地表水和沉积物的物理化学性质
三个湖泊的地表水和沉积物的物理化学性质存在显著差异（表S1）。具体而言，抚仙湖的深度最大（103–106米），其次是洱海（8.1–8.5米），而杞卢湖最浅（4.3–4.5米）。在湿润季节，所有湖泊的水温（WT）上升了1.5–7.0°C，溶解氧（DO）浓度升高至8.06–9.15 mg/L。杞卢湖在干燥季节（823 ± 1.34 μS/cm）和湿润季节的电导率（EC）均显著高于其他湖泊沉积物DOM的季节性动态及其驱动因素
高原湖泊沉积物中DOM的季节性动态及其驱动机制对于阐明湖泊生态系统功能和物质循环至关重要（Liu等人，2025；Liu等人，2025；Xing等人，2025）。本研究深入探讨了不同类型高原湖泊在干湿季节中DOM的动态变化。结果表明，DOM的组成及其季节性变化是多种因素共同作用的结果，包括外来输入和自源输入结论
本研究阐明了高原湖泊中沉积物DOM的季节性动态及其对微生物群落和元素循环基因的调节机制。总体而言，干旱季节促进了芳香族、高分子量DOM的积累，选择了耐逆境的微生物类群并抑制了代谢多样性；而湿润季节通过水文输入增强了低分子量DOM的释放，促进了微生物多样性但减少了功能冗余。
CRediT作者贡献声明
黄忠庆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，方法学，概念化。沈健：撰写 – 审稿与编辑，可视化，概念化。王金辉：方法学。王晨：方法学。刘华吉：方法学。田春梅：方法学。冯吉猛：项目管理，方法学。王新泽：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFD1700100）、云南省重点研发计划（项目编号：202003AD150015、202303AC100016 和 202303AC100017）、云南省基础研究项目（项目编号：202301AT070001）的资助。
