深度-温度耦合机制影响饮用水水库沉积物中反硝化菌群落的组成及其代谢适应性

《Water Research》：Depth-Temperature Coupling Shapes Denitrifier Community Assembly and Metabolic Adaptation in Drinking Water Reservoir Sediments

十四个中国不同气候区水源水库沉积物中反硝化微生物群落结构及其代谢潜力受温度、深度和碳限制共同调控。深水区碳限制与温度升高促进寡养型微生物及混合化学合成-发酵代谢，浅水区支持资源通用型异养菌。冷温增强酶基因丰度以补偿低温，升温导致硝化作用 truncated，增加N?O排放风险，并削弱深水区硝化酶多样性。

　　

李风瑞|马斌|李安怡|刘翔|刘晓燕|黄婷琳|张海涵

陕西省水污染控制与水质安全保障协同创新中心，西安建筑科技大学，中国西安710055

摘要

淡水水库中的沉积物作为动态的生物地球化学界面，调节着氮的转化和温室气体的排放。然而，在碳限制和气候变暖的共同作用下，驱动这些过程的微生物机制尚未完全明了。本研究分析了来自中国三个不同气候区的14个饮用水源水库的沉积物，以探讨环境因素对反硝化微生物群落及其代谢潜力的影响。温度和深度共同解释了反硝化基因丰度33.4%的变异。变形菌门在反硝化菌群中占主导地位（>82%），其中伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）、丝状微生物目（Hyphomicrobiales）和亚硝化单胞菌目（Nitrosomonadales）被确定为主要的反硝化基因携带者。尽管深水水库（>15米）的总有机碳含量低22.9%，但由于持续的无氧环境和有限的有机碳输入，其碳代谢活性却高出1.33倍，这反映了它们对碳稀缺的寡营养适应。由深度驱动的碳限制和无氧环境有利于寡营养和化能自养类群，这些类群采用混合的化能合成-发酵代谢方式，而浅水沉积物则支持适应氧气波动的资源广谱异养生物。寒冷条件增强了编码酶的基因丰度，作为对温度变化的补偿；而温暖则促进了好氧生物的多样化，并缩短了反硝化过程，从而增加了N₂O排放的风险。温暖还减少了nosZ型基因的多样性和生态位宽度，凸显了深水沉积物在N₂O还原能力方面的脆弱性。这些发现表明，主要由物理梯度驱动的确定性环境选择决定了反硝化菌群的组成和代谢灵活性。研究结果为氮转化过程提供了机制上的见解，并为减少N₂O排放和改善分层淡水水库中的微生物管理提供了理论框架。

引言

作为饮用水供应系统的源水水库是重要的淡水资源，但由于农业和城市活动，它们正面临日益严重的氮污染压力（Zhang等人，2022年）。这些系统中的微生物反硝化作用在减轻氮负荷和调节温室气体排放方面起着关键作用。反硝化效率取决于反硝化微生物群落的结构和动态（Roothans等人，2024年）。虽然营养物质的化学计量比通过控制底物可用性影响反硝化过程，但传统的以营养为中心的框架往往忽视了温度和水深等物理限制因素（Zhang等人，2022年）。气候变暖不仅改变了温度，还加剧了热分层，形成了严格的空间障碍（温跃层），使表层氧气与底层缺氧状态分离（Liu等人，2022年；Li等人，2025a）。这些耦合的物理梯度如何重新塑造反硝化菌群，特别是完全反硝化与不完全反硝化之间的权衡，仍然是一个关键的知识空白。

反硝化作用由多种微生物介导，这些微生物编码了逐步将硝酸盐（NO₃^--N）还原为氮气（N₂）的还原酶，包括napA（周质硝酸盐还原酶）、nirK（含铜亚硝酸盐还原酶）、nirS（含细胞色素cd1的亚硝酸盐还原酶）和nosZ（一氧化二氮还原酶）（Zhang等人，2022年）。这些基于基因的菌群沿着氧化还原梯度占据特定的生态位（Zhang等人，2019年）。在低氧条件下，napA型菌群通常占主导地位，此时氧气含量低但硝酸盐仍可利用，因此优先选择硝酸盐的还原途径（Zhang等人，2021年）。nirS-和nirK-型菌群主要存在于缺氧沉积物中（Gao等人，2025年）。nosZ型菌群在减少一氧化二氮（N₂O）排放方面起着关键作用，并常与有机碳代谢相关（Levy-Booth等人，2014年）。深水水库（DWR）的沉积物特征是持续的无氧环境和高水平的难降解有机物，这为反硝化菌创造了选择性和压力性的栖息地（Rose等人，2024年）。在这种环境中，碳限制限制了电子供体和能量的供应（Rose等人，2024年）。此外，气候变暖加速了代谢速率并增加了呼吸作用对氧气的需求，进一步加剧了氧化还原压力（Kraemer等人，2017年）。这些压力因素的综合作用可能迫使反硝化菌重新分配代谢资源，有利于适应碳稀缺和高温的厌氧类群（Roothans等人，2025年）。这种模式与浅水水库（SWR）的沉积物形成鲜明对比，后者主要由代谢多样性高、资源广谱的异养生物主导（Dal Bello等人，2021年）。

然而，物理环境和碳限制对反硝化菌群结构和功能的综合影响仍不甚清楚。本研究提出，深水环境和气候条件将含有nirS、nirK、napA和nosZ的反硝化菌群分为功能不同的组别。为了验证这一假设，我们分析了位于中国三个代表性气候区的水库的垂直沉积物剖面。这项研究为反硝化菌群的组成提供了机制上的见解，并为在气候压力下提高饮用水水库的氮去除效率和减少温室气体排放提供了指导。

研究区域和样本采集

从中国三个主要气候区的14个饮用水源水库中采集了表层沉积物样本（0-5厘米）（图1a；表S1）。每个水库采集了三份重复样本，使用Van Veen采样器采集后48小时内运送到实验室（Bae等人，2018年）。这些水库代表了典型的城市供水系统，涵盖了多样的气候和地貌条件。采样是在冬季混合期进行的。

沉积物特性

沉积物表现出明显的物理化学异质性（表S5）。不同水库之间存在明显差异：YZG和SM中的营养物质含量较低（TN < 500 mg kg^-1，TOC < 15 g kg^-1），而SY和TG中的营养物质含量较高（TN > 1000 mg kg^-1，TOC > 25 g kg^-1）。从区域上看，第三区的平均TN浓度最高（1009 ± 361 mg kg^-1），高于第一区（672 ± 366 mg kg^-1）和第二区（634 ± 240 mg kg^-1），表明气候可能对沉积物性质有显著影响。

结论

在深水水库沉积物中，碳限制和气候变暖的综合作用限制了生态位，导致微生物结构的重组。这些变化促进了寡营养专性菌群和混合化能合成-发酵途径的出现，这些途径通过富集编码关键代谢酶的基因来缓解电子供体的限制。这突显了在资源稀缺条件下的适应性代谢策略。温度条件是微生物进化的主要决定因素。

数据可用性

原始序列数据可在NCBI的BioProject PRJNA1240067中获取。

CRediT作者贡献声明

李风瑞：撰写——初稿、可视化、实验设计。马斌：撰写——审稿与编辑、可视化、方法学。李安怡：项目管理、实验设计。刘翔：实验实施。刘晓燕：实验实施。黄婷琳：概念构思。张海涵：监督、项目管理、资金争取、概念构思。

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的研究结果。

致谢

本研究得到了陕西省杰出青年科学基金项目（编号2025JC-JCQN-019）、国家自然科学基金（编号52570213和52500012）的支持，并获得了CPSF博士后奖学金计划（编号GZC20250855）的资助。