滇池典型富营养化湖泊微生物群落的空间分异、组装机制与功能适应性研究

《Microorganisms》：Integrated Metagenomic and Metabolomic Profiling of Boar Semen During Ambient-Temperature Storage Haoshi Cheng, Jinyi Han, Kaiyuan Liu, Li Wang, Qiuyu Meng, Chuang Liu, Xuanjun Liu, Mingyu Wang, Feng Yang and Xinjian Li

【字体：大中小】 时间：2026年03月05日 来源：Microorganisms 4.2

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　　本综述以中国西南高原富营养化湖泊（滇池）为对象，揭示了严重污染区（hPollut）、藻华区（HABs）和沉水植被残存区（SubmP）的微生物群落结构、功能与组装机制。研究发现，总氮（TN）和溶解氧（DO）是驱动微生物空间分异的主要环境因子；稀有（RT）和中间（IT）类群在维持网络稳健性和生态稳定性方面发挥关键作用，其组装过程受确定性选择影响更强。该研究强调了富营养化湖泊管理中除控制优势藻类外，应注重氮削减、溶解氧调控及沉水植被恢复，以提升微生物介导的生态系统韧性。

引言

在浅水淡水生态系统中，水生植物（如挺水、浮叶、沉水和漂浮植物）被认为是生态系统工程师，具有多方面的生态调控功能。其物理结构通过创造异质性生境支持多样化的水生生物群落，根网可稳定沉积物、降低水体浊度，而挺水与沉水冠层形成的光照梯度可通过遮荫效应限制浮游植物过度增殖。此外，水生植物还积极参与生物地球化学循环，通过吸收溶解性氮、磷与藻类竞争养分，并在根际释放氧气形成局部氧化-缺氧界面，从而促进反硝化等过程。植物凋落物分解亦有助于维持水体碳氮循环平衡。水生植物还能通过增加生境复杂性提升各营养级的生物多样性，为微生物、无脊椎动物和鱼类幼体提供栖息地与庇护所。

然而，受多重人为负面效应影响，全球水生植物正急剧衰退，导致水体向浊水、藻类主导的状态转变。富营养化刺激藻华暴发，降低沉水植物所需的水下光照；高浓度有机污染物（如化学需氧量COD>50 mg/L）可直接损害根系代谢与幼苗存活；水文改变（如筑坝、岸线硬化）则破坏挺水植物繁殖生境。这些压力共同导致水生植物覆盖度锐减，并可能引发自我强化反馈：沉积物稳定性下降加剧再悬浮，养分竞争减弱促进蓝藻优势。若无及时干预，此类转变往往难以逆转。

近期研究强调了与水生植物相关的微生物组在增强宿主对富营养化、藻华、有机污染及光衰减等环境胁迫抗性中的关键作用。在富营养化水体中，根际微生物通过调节氮磷获取、平衡根际环境来缓解植物养分胁迫；在蓝绿藻华期间，某些微生物（如链霉菌Streptomyces sp. TH05）通过胞外生物活性物质破坏蓝藻细胞膜，抑制铜绿微囊藻Microcystis aeruginosa生长；在低光条件下，部分光合细菌（如红假单胞菌Rhodopseudomonas）可帮助沉水植物维持光合效率；在有机污染水体中，微生物降解植物组织周围的氯苯、多环芳烃等污染物，降低毒性。此外，微生物还能激活与植物系统抗性相关的化合物。因此，“植物-微生物”协同抗逆系统对维持退化水生态系统植被群落的稳定性至关重要，基于植物-微生物互作的生态修复为可行且可持续的途径。

滇池作为云贵高原典型的大型浅水湖泊（面积约300 km²，平均水深5.3 m），因其半封闭盆地特征及4-5年的水力停留时间而天生脆弱。受城市污水、工业废水及农业面源污染影响，湖泊长期承受巨大压力。在水生植被群落演变方面，滇池经历了结构完整到严重退化的过程。目前湖泊呈现明显的空间分异：北部草海区域持续承受高有机污染，中南外海区域以藻华（叶绿素a>50 μg/L）为主，而西岸的挺水植物残存区已成为湖泊生态修复的关键区域。基于此空间分异，本研究聚焦北部草海重污染区（hPollut）、中南部藻华聚集的外海区（HABs）以及西岸沉水植物残存区（SubmP），系统评估这些区域微生物群落的组成与演替模式，旨在阐明不同污染梯度下微生物群落的响应，为滇池生态修复提供科学依据。

材料与方法

研究地点与样品采集

滇池（24°40′–25°02′ N, 102°36′–102°47′ E）是位于中国西南部云南省昆明市的大型浅水半封闭湖泊。湖面海拔1887.5 m，面积309.5 km²，平均水深5.3 m。自1996年人工隔堤修建后，湖泊在水文上被分为两部分：草海（面积10.8 km²，平均水深2.3 m）和外海（主湖区，面积298.7 km²，平均水深5.3 m）。本研究选取三个代表性区域：重污染草海区（hPollut）、外海藻华聚集区（HABs）及沉水植物残存区（SubmP）。hPollut区位于观光堤以北，历史上是昆明市大部分城市污染物的主要受纳水体；HABs区无明显沉水植被，受西南盛行风及湖流影响，是藻类持续聚集的关键区域；SubmP区物种多样性高，植被覆盖度可达10%，优势种包括篦齿眼子菜Stuckenia pectinata、微齿眼子菜Potamogeton wrightii、黑藻Hydrilla verticillata和穗花狐尾藻Myriophyllum spicatum。该区域历史上无直接工业污染，人口密度相对较低，为沉水植被的稳定生长提供了有利环境。

水样理化性质

水样总氮（TN）采用硫酸钾氧化-紫外双波长校正法测定；总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法测定；叶绿素a（Chl-a）采用四波长矩阵算法测定；pH使用便携式pH计测定；化学需氧量（COD）采用重铬酸钾法测定；悬浮物（SS）采用重量法测定；五日生化需氧量（BOD₅）采用稀释接种法测定；高锰酸盐指数采用酸性高锰酸钾法测定。

水样微生物群落多样性分析

通过过滤膜收集微生物，使用PowerSoil? DNA Isolation Kit提取总DNA。使用细菌16S rDNA通用引物515F/907R和真菌ITS通用引物ITS1F/ITS2R进行PCR扩增，在Illumina NextSeq 2000平台上进行双端测序。原始数据经Fastp过滤低质量读段，使用FLASH拼接，基于UPARSE算法以97%序列相似性阈值聚类操作分类单元（OTU）。利用RDP分类器结合UNITE数据库进行OTU分类学注释。基于标准化OTU表，在Majorbio云平台进行α多样性、β多样性、物种组成、物种差异比较、环境因子相关性及细菌-真菌互作网络分析。使用FAPROTAX进行细菌功能注释，FUNGuild进行真菌功能预测。通过随机移除50%节点计算网络稳健性。根据局部与区域相对丰度，将OTU分为丰富类群（AT，相对丰度>1%且平均丰度≥0.1%）、稀有类群（RT，局部丰度<0.01%且平均丰度<0.001%）和中间类群（IT）。

水样微生物群落组装过程

统计分析

使用R（v4.3.2）进行统计分析，Origin 2021进行数据可视化。采用单因素方差分析（ANOVA）比较三个区域水样理化性质、不同丰度类群的香农指数及互作网络稳定性。

结果

水样理化性质

滇池三个调查区域的水质参数均显示显著富营养化，有机污染与高总氮为主要问题。总磷（TP）和总氮（TN）浓度范围分别为0.10-0.13 mg/L和1.9-3.2 mg/L，均超过《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV类限值。有机污染同样严重，BOD₅和高锰酸盐指数超过III类限值。化学需氧量（COD）为36.2-42.5 mg/L，在HABs和SubmP区域超过V类标准1.06-1.4倍。叶绿素a浓度为65.9-94.1 μg/L，进一步证实水体富营养化状态。三个代表性区域水质存在显著空间异质性：SubmP区水质最佳，HABs区次之，hPollut区最差。hPollut区在12项水质指标中有7项（尤其是TN、TP、Chl-a和DO）显著高于其他两区，但COD和电导率显著较低；SubmP区则有7项指标值最低，但COD显著高于其他两点。

群落组成分析

韦恩图分析显示三个区域共检测到7862个细菌OTU和3141个真菌OTU。细菌OTU数量从HABs区的3696个（26.7%）到hPollut区的5434个（39.3%）不等；真菌OTU在hPollut区最多（1879个，38.7%），SubmP区最少（1477个，30.1%）。其中仅27.6%的细菌OTU（2172个）和16.9%的真菌OTU（531个）为三个区域共有，但这些共有OTU占总细菌相对丰度的87.3%和总真菌相对丰度的55.9%。各区域均含有相当数量的区域特异性OTU，但其总相对丰度多低于0.4%。细菌群落以稀有类群（RT）为主，RT OTU比例在各区域均超过57.9%；中间类群（IT）占27.9%-38.4%；丰富类群（AT）不足3.8%。但就相对丰度而言，AT类群贡献了超过82.5%的总丰度，而RT类群贡献不足1.2%。真菌群落同样呈现OTU丰富度与相对丰度的解耦：丰富类群（OTU比例<7.2%）贡献超过89.4%的丰度，稀有类群（OTU比例>31.8%）贡献不足0.35%。中间类群（IT）在真菌OTU丰富度中占比超过47.6%。共享OTU中以中间类群（IT）最为主导（>53.1%）；区域特异性OTU中，细菌以稀有类群为主（>91.7% OTU），真菌则在中间与稀有类群间分布更均衡。三个区域细菌（4.50-4.55）和真菌（3.37-3.59）的香农多样性指数无显著空间变异，但按丰度分类后，中间类群（IT）始终表现出最高的香农多样性，稀有类群（RT）次之，丰富类群（AT）最低。

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群落组成差异

主坐标分析（PCoA）显示三个区域细菌和真菌群落存在显著差异（除HABs与SubmP的真菌群落外）。差异群落组成分析证实，28.5%（321/1128）的细菌属和7.9%（38/477）的真菌属在丰度上存在显著差异。例如，细菌属Microcystis_PCC-7914和真菌属Fungi_gen_Incertae_sedis在hPollut区显著富集（相对丰度分别为22.6%和11.84%），而在HABs区分别为6.3%和2.74%，SubmP区更低（1.3%和2.36%）。相反，细菌Planktothrix_NIVA-CYA_15和真菌Lithophila在hPollut区丰度较低（0.36%和0.16%），在SubmP区（16.16%和4.94%）和HABs区（19.75%和0.69%）显著更高。真菌属Rhodosporidiobolus在hPollut区相对丰度为1.47%，在HABs区仅0.002%。

微生物功能预测

FAPROTAX数据库共注释到68个细菌功能群，其中30个（44.1%）存在显著差异。6.7%与氮代谢相关（如固氮、尿素降解）；43.3%与碳循环相关；13.3%与硫循环相关；26.7%为病原体相关。三个区域微生物群落在代谢潜能和生态功能上存在显著功能分异。hPollut区富集了与人类健康（如人类病原体、肺炎、败血症）、植物病害、氮循环、有机污染物降解及捕食/共生相关的功能，反映了其严重的富营养化、频繁藻华及潜在的公共健康风险。HABs区主要呈现与碳循环和光合作用相关的功能，如烃类降解、好氧化能异养、甲烷氧化及缺氧光能自养，表明该区域群落主要参与有机物降解和光能利用。SubmP区则富集了与还原代谢和污染物处理相关的功能，如锰氧化、亚硫酸盐呼吸、塑料降解和黑暗硫化物氧化，表明其微生物群落具有较强的污染物转化与降解能力。基于FUNGuild预测，真菌群落主要被归类为腐生菌、病原菌、寄生菌和共生菌功能群。病原真菌主要在hPollut和HABs区富集，而SubmP区以腐生真菌为主。

微生物互作网络与指示物种

共现网络分析显示三个区域均存在相对复杂的真菌-细菌互作网络，模块性系数介于0.231-0.317之间。正相关主导了所有三个区域的细菌-真菌互作。连通性最高的20个核心节点均为区域特异性，无跨区域共享核心节点。hPollut、HABs和SubmP区连通性最高的核心节点分别为BOTU24013（假单胞菌门Pseudomonadota）、BOTU3684（蓝藻门Cyanobacteria）和BOTU6784（放线菌门Actinobacteriota）。微生物网络稳定性分析显示，随机移除50%的OTU后，稳健性介于0.1-0.45之间，hPollut区值最高，显著高于其他两区。按丰度分类后，细菌稀有类群（RT）子群落表现出最高的稳健性，显著高于中间（IT）和丰富（AT）类群；而真菌中间类群（IT）子群落稳健性最高，显著高于稀有和丰富类群。指示物种分析共发现1159个细菌OTU和452个真菌OTU，其中超过70.1%与中间类群（IT）相关。133个细菌和48个真菌OTU被归类为强指示物种。hPollut区拥有最多的强指示物种（126个细菌和47个真菌OTU），表明该区域存在独特且高度特化的微生物集合。

理化性质与微生物相关性分析

前50个最丰富细菌和真菌物种与水样理化因子的相关性分析表明，总氮（TN）是对细菌（48%的物种）和真菌（16%的物种）影响最大的因子。溶解氧（DO）是细菌的第二大影响因子，而温度和透明度是真菌的第二大影响因子。出乎意料的是，化学需氧量（COD）并非滇池微生物群落的主要影响因子，与前50个真菌物种无显著相关性。细菌属Chryseotalea和真菌属Fungi_gen_Incertae_sedis对水质参数变化最为敏感，分别与7项和5项水样理化性质显著相关。

群落组装过程结果

三个区域群落组装过程比较显示，细菌和真菌群落的组装均以随机过程为主，其贡献分别超过59%和90%。然而，细菌和真菌群落因其微生物类型、空间分布和微生物丰度不同而表现出不同的组装特征。例如，与中间（IT）和稀有（RT）类群相比，细菌和真菌群落中的丰富类群（AT）随机过程的贡献显著增加，其中hPollut区细菌随机组装比例高达99.4%。

讨论

滇池微生物群落的空间异质性及其驱动因子

本研究揭示了滇池三个代表性区域微生物群落的显著差异，凸显了其强烈的生态异质性。总氮（TN）是塑造微生物群落结构与功能最具影响力的环境因子，与近半数的细菌和真菌OTU显著相关。这与“氮主导”理论相符，即在富氮水生系统中，总氮是微生物群落动态的主要驱动力。生态上，不同形态氮的可用性直接影响硝化菌、反硝化菌和固氮菌等关键氮循环功能群；同时，高TN促进藻华及后续有机物沉积，改变氧化还原条件，间接影响非氮功能群。更重要的是，氮等养分输入可导致富营养化，引发环境级联效应，进一步加剧对水生生态系统微生物群落演替的影响。例如，氮诱导的富营养化可导致藻类过度生长，随后的分解消耗溶解氧。本研究也识别溶解氧为影响水生生态系统微生物群落演替的另一关键环境因子。此外，氮诱导的富营养化及后续藻华可改变水体透明度，影响水生植物及其相关微生物群落的生存。这些互作被认为是维持不同水域独特微生物群落结构的关键因子。总体而言，养分输入，特别是氮，似乎是驱动水生生态系统微生物群落演替最具影响力的因子之一。

优势属及其生态意义

多个优势属在三个区域被一致检测到，包括黄杆菌属Flavobacterium和梅奇酵母属Metschnikowia。尽管这些属内的单个OTU占比相对较小，但其合并相对丰度超过55.9%，表明在细菌和真菌群落中均存在明确的生态位优势。这些核心类群通常具有广泛的生境范围。例如，黄杆菌属不仅富集于淡水和海洋生态系统，也广泛分布于污泥、极地永冻土、温带森林土壤、植物根际以及重金属污染废水、石油烃污染系统等胁迫环境。同样，梅奇酵母属真菌在全球多种环境背景下广泛分布。这些分布模式共同表明，滇池核心微生物类群具有较强的环境适应性和对胁迫水生条件的耐受性。除了广泛的生态分布，这些类群还具有与生态系统过程和环境恢复力相关的多种功能性状。黄杆菌属细菌成员已知能够降解多种有机污染物，包括石油烃，突出了其在水体和沉积系统中污染物衰减和环境修复的潜在作用。此外，一些黄杆菌菌株与水生植物形成共生关系，表现出显著的植物促生特性，增强宿主植物的健康与胁迫抗性。某些黄杆菌菌株对赤潮藻类具有强烈抑制活性。综上所述，这些共享的核心微生物类群参与多种生态功能，其稳定存在和功能多功能性凸显了它们在维持生态系统稳定性和支持环境修复中的潜在重要性。

中间和稀有类群在滇池微生物网络中的生态作用

研究结果表明，中间（IT）和稀有（RT）类群对滇池微生物群落结构的贡献不成比例，体现在它们比丰富类群（AT）具有更高的香农多样性和网络稳健性。类似模式在淡水系统中亦有报道。IT和RT类群较高的多样性可能反映了异质性水生环境内的生态位分化。淡水湖泊通常表现出强烈的养分、氧气和氧化还原梯度，使得IT和RT类群能够占据特化的生态位。“稀有生物圈”概念认为，这些类群形成了一个遗传和功能潜力的储存库，当环境条件变化时可影响群落动态。在湖泊生态系统中，IT和RT类群已被证明对环境扰动敏感，并可能在条件变化时丰度增加，从而促进群落更替。此类动态可产生“保险效应”，即功能相似的类群补偿优势种群的衰退，有助于维持关键生态系统过程。IT和RT子网络观察到的更高稳健性进一步暗示了它们在微生物互作中的稳定作用。在水生微生物群落中，复杂的共现网络通常与更高的抗干扰性和生态稳定性相关。IT和RT类群间的功能冗余可在优势类群衰退时缓冲生态系统过程，这在富营养化湖泊中尤为重要。该模式在沉水植物残存区（SubmP）尤为明显，该区域的生境异质性可能支持了更广泛的IT和RT类群谱。水生植被可创造具有可变氧气和养分条件的微生境，促进微生物多样化并稳定群落结构。总之，研究结果支持这样的观点：这些中间和稀有类群的生态潜能使得群落组成更加灵活和响应迅速，减少生态系统滞后，并促进从稀有亚群落中募集关键种，而非依赖新微生物物种的流入。

群落组装过程

研究结果显示，随机过程主导了滇池所有三个区域（AT、RT和IT）细菌和真菌群落的组装。虽然这与随机性广泛塑造微生物集合的观点一致，但观察到了一个明显的转变：与AT相比，确定性过程对RT和IT的相对影响显著更高。该模式可能反映了生态位差异。丰富类群的分布通常具有更宽的环境耐受性，可能更多地受随机扩散和漂变塑造。相反，稀有和中间类群通常对局部环境异质性更为敏感。它们的生存和增殖往往取决于特定的生态条件，使其更易受环境选择等确定性过滤器的影响。空间上，这种确定性信号在沉水植物残存区（SubmP）最强，其中确定性过程对RT和IT组装的贡献显著高于藻华区（HABs）或重污染草海区（hPollut）。一个可能的解释在于SubmP区独特的环境条件。植物凋落物分解释放出复杂的有机物和化感物质混合物，创造了高度异质性的生境。这种生物化学复杂性可能对微生物代谢能力施加更强的选择压力，从而强化确定性组装。尽管HABs和hPollut位点也呈现极端条件，但其胁迫机制可能相对均一，与SubmP区存在的多层面生物化学梯度相比，可能产生较弱的选择过滤。这些发现表明，该湖泊生态系统的微生物群落组装受力量平衡控制：虽然随机过程提供基线控制，但确定性选

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