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古菌群落分析表明南昌PM2.5中丰富类群（AT）占比74.5%，条件稀类群（CRT）和稀类群（RT）分别占36.7%和58.38% ASVs。温度是主要环境驱动因素，AT组装以随机过程为主（MST=0.566），CRT和RT受确定性过程主导（R2=75.41%）。共现网络和生态位分析显示丰富类群在维持微生物共现和适应环境变化中起关键作用。
潘圆圆|柯欣|左志伟
中国华东理工大学江西省地下水污染生成与修复重点实验室，南昌 330013
摘要
大气是微生物扩散的中间介质。与细菌和真菌相比，人们对空气中的古菌群落了解较少。在这项研究中，我们利用针对古菌的特异性引物进行了高通量测序，研究了空气中的古菌组成、影响其分布的环境因素及其组装机制，特别是比较了丰富型（AT）、条件性稀有型（CRT）和稀有型（RT）古菌之间的差异。在南昌市，超过90%的PM2.5中的古菌属于Nitrososphaeria类（如Candidatus_Nitrocosmicus和Candidatus_Nitrososphaera）、Methanobacteria类（如Methanobrevibacter）和Halobacteria类。丰富型古菌占古菌总数的74.5%，而条件性稀有型和稀有型古菌的多样性更高，分别占ASVs数量的36.7%和58.38%。稀有型古菌与环境因素的关联也更强。丰富型古菌的组装主要受随机过程支配（MST=0.566），而条件性稀有型和稀有型古菌的组装则受确定性过程影响较大（R2=75.41%）。温度是影响空气中古菌亚群组装的关键因素。此外，共现网络和生态位宽度分析表明，丰富型古菌在维持微生物共现模式方面起着更重要的作用，并且受环境变化的影响较小。这些结果有助于我们理解空气中的古菌多样性和其组装机制。
引言
大气是一个开放系统，是微生物从地表传输到空气中的主要途径（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年）。这些空气中的微生物的物理化学过程及其对健康的影响引起了广泛关注。微生物群落的作用通常由其组成、活性和丰度决定。先前的研究表明，空气中的微生物主要包括细菌、真菌、古菌和双链DNA病毒（Cao等人，2014年；Zhai等人，2018年）。与细菌和真菌相比，人们对空气中的古菌群落了解较少。古菌存在于多种生境中，如水生和土壤环境（Flemming和Wuertz，2019年），这些是空气中的主要微生物来源（Zhai等人，2018年）。特别是在生态系统中，古菌在氮循环（如氨的氧化）和碳循环（如甲烷的产生和氧化）中起重要作用（Offre等人，2013年）。值得注意的是，先前的研究还表明，古菌群落组成与人类疾病（如炎症性肠病和牙周炎）有关（Belmok等人，2020年；Geesink和Ettema，2022年）。人类可能通过吸入空气中的颗粒物接触到古菌。因此，揭示空气中的古菌多样性和组成有助于我们理解它们的生态功能和健康风险。
越来越多的证据表明，微生物的分布通常不平衡（Delgado-Baquerizo等人，2018年；Li等人，2023年；Wang等人，2023年）。也就是说，在细菌或真菌群落中，少数OTUs/ASVs具有较高的相对丰度（称为丰富型古菌），而大多数具有较低的相对丰度（称为稀有型古菌）。此外，多项研究表明，丰富型和稀有型古菌具有不同的组成和生态功能（Wang等人，2020年；Xiong等人，2021年；Wang等人，2024年）。丰富型古菌是生物地球化学循环的主要驱动者，而稀有型古菌则是功能多样性的储存库（Jiao和Lu，2020a）。然而，很少有研究探讨空气中丰富型和稀有型古菌的结构和作用。
目前，群落生态学的一个热门研究方向是揭示微生物的组装机制（Zhou和Ning，2017年）。随机过程包括生物的诞生、死亡、物种形成和迁移，反映了物种的随机变化。相比之下，确定性过程塑造了微生物群落结构，包括微生物之间的相互作用（竞争或合作）或环境过滤（Stegen等人，2013年；Wang等人，2023年）。中性群落模型（NCM）和标准化随机性比率（NST）已被开发用于评估和量化微生物群落中的随机和确定性过程（Burns等人，2016年；Ning等人，2019年）。这些模型已广泛应用于自然生态系统（Chen等人，2019年；Wang等人，2023年；Wang等人，2024年）。在大气环境中，这两种模型也揭示了细菌和真菌群落的组装机制（Zhou等人，2021年；Li等人，2023年）。也有研究针对空气中的古菌组装进行了探讨（Niu等人，2021年；Zhou等人，2021年）。因此，这些模型可以有效地用于揭示空气中丰富型和稀有型古菌亚群的组装过程。
空气污染物和气象条件已被证明会影响空气中的细菌和真菌群落结构（Zhai等人，2018年；Jiang等人，2022年；Li等人，2023年），这可能进一步驱动它们的组装。一方面，它们为微生物的生长和繁殖提供了适宜的条件，如营养物质、温度或相对湿度（Zhai等人，2018年）；另一方面，它们影响微生物的气溶胶化过程。例如，降雨或人类活动释放的空气污染物可能会促进或抑制微生物的气溶胶化（Jiang等人，2022年）。此外，丰富型和稀有型古菌通常对环境变量有不同的响应（Liu等人，2015年；Liang等人，2020年；Li等人，2022年）。然而，关于影响空气中古菌亚群及其组装的环境因素的研究尚不多。
南昌是中国江西省的省会，人口超过600万。冬季经常发生雾霾天气。例如，在2023-2024年冬季，空气质量指数（AQI）在12到196之间波动。这种巨大的AQI变化为研究空气中的古菌与环境因素的关联提供了理想的条件。因此，我们的主要问题如下：（i）空气中丰富型（AT）、条件性稀有型（CRT）和稀有型（RT）古菌的一般分布模式是什么；（ii）这三个亚群之间的环境关联有何不同；（iii）这三个亚群的组装有何差异及其驱动因素是什么？为了解决这些问题，我们在2023-2024年冬季在南昌进行了为期一个月的野外调查。使用高通量测序技术对古菌群落进行了分析。我们的目标是扩展对空气中古菌群落结构及其组装机制的认识。
部分内容
PM2.5样本收集和空气质量参数
在南昌市（北纬28.72°，东经115.82°）一个距离地面约15米的屋顶平台上，使用配备PM2.5分级入口的高容量采样器（KC-1000，青岛崂山电气有限公司）收集了颗粒物（空气动力学直径≤2.5 μm）。周围地区主要为居民区，没有明显的污染源。每个样本连续采集23.5小时，采集了约1480立方米空气，并将其过滤到石英滤膜上（8英寸×10英寸）。
空气中古菌的一般特征
在南昌市的PM2.5中检测并分类出了2561个ASVs。其中99%的ASVs被归类到8个门中。主要包括Crenarchaeota、Halobacterota、Euryarchaeota和Thermoplasmatota，占古菌总数的97%以上（图1a）。图1b显示了前十个门，包括Nitrososphaeria、Methanobacteria、Halobacteria等。然而，如图1所示，古菌群落的组成是波动的。
讨论
一些先前的研究关注了空气中的古菌（Fr?hlich-Nowoisky等人，2014年；Wehking等人，2018年；Niu等人，2021年），发现空气中约有50-600个古菌OTUs，它们被归类到2到7个门中，包括Euryarchaeota、Thaumarchaeota和Crenarchaeota等。在这项研究中，我们发现了2561个ASVs，它们被归类到8个以上的古菌门中（图1）。Crenarchaeota是最主要的门，其次是Halobacterota
结论
我们的研究揭示了南昌市PM2.5中丰富型、条件性稀有型和稀有型古菌不同的环境响应和组装机制。丰富型和条件性稀有型古菌的环境关联较弱，而稀有型古菌的组装主要受随机过程支配。对于条件性稀有型古菌，随机和确定性过程都起到了重要作用。
CRediT作者贡献声明
潘圆圆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学研究，资金获取。柯欣：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。左志伟：撰写 – 审稿与编辑，实验研究
未引用参考文献
Edgar等人，2011年；G?Ker和Oren，2024年；Lynch和Neufeld，2015年；Wilson和Hayek，2015年。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：31900106）和江西省自然科学基金（编号：20242BAB20155）的支持。
