《Frontiers in Microbiology》：Niche adaptation of particle-associated ammonia-oxidizing archaea sustains nitrification under marine deoxygenation
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本文通过整合15N同位素示踪技术与宏基因组学分析，揭示了在东海低氧水体中，颗粒附着（PA）的氨氧化古菌（AOA）通过生态位分化和代谢可塑性（如尿素利用、磷酸盐高亲和转运）驱动硝化作用，阐明了海洋脱氧背景下AOA介导的氮循环耦合机制及其对生态系统功能的影响。
研究背景与科学问题
海洋脱氧是全球沿海生态系统面临的重大威胁，其通过改变微生物生态位和代谢网络，深刻影响氮循环等关键生物地球化学过程。颗粒物作为关键的生态界面，调控着微生物的生态位分配以及脱氧水体中氮损失与保留的平衡。然而，在脱氧条件下，微生物群落的生态位依赖性代谢分配及其对氮循环的影响仍不清楚。本研究以中国东海舟山群岛附近的东极岛海域为天然实验室，该区域存在一个5 km2的海底盆地，经历显著的季节性脱氧，为研究波动氧环境下的硝化微生物生态提供了理想场所。
研究方法概要
研究团队在2022年7月14日至8月4日期间，对东极岛附近站位（C4，30.08°N, 122.44°E）进行了为期22天的野外观测。在水体垂直分层最显著、底层水体溶解氧（DO）降至最低的8月1日，采集了5米、25米和50米三个典型水层（分别代表富氧层、氧跃层和低氧层）的样品。研究结合了15N同位素示踪技术测定氨氧化和亚硝酸盐氧化速率，以及按粒径分级（大颗粒附着LPA: 10–20 μm；大自由生活/小颗粒附着LFL/SPA: 0.8–10 μm；自由生活FL: 0.22–0.8 μm）的宏基因组测序与基因组解析分析，旨在：1) 量化硝化速率沿垂直氧梯度的变化；2) 解析沿氧梯度的FL和PA微生物群落结构空间变异；3) 识别驱动硝化的优势AOA支系并量化关键功能基因的相对丰度；4) 阐明AOA的代谢可塑性及其对颗粒物定殖的生态位适应策略。
低氧区硝化作用热点与颗粒关联性
调查期间，研究区域水体呈现稳定的垂向分层结构，20米深度处存在显著的密度跃层（温盐跃变），同时成为氧跃层的起始点。密度跃层之下，浊度显著增加，表明底层沉积物受到强烈的潮汐再悬浮。研究发现，氨氧化速率（0.14–3.29 μmol L–1d–1）和亚硝酸盐氧化速率（0.008–0.85 μmol L–1d–1）均随溶解氧降低而增加，在25米和50米水层的速率显著高于5米表层水体。这种硝化速率的垂直增加与浊度的显著升高同步，暗示了在更混浊、氧含量更低的层位，硝化作用的增强可能与颗粒附着（PA）生境有关。悬浮颗粒可能通过原位矿化颗粒有机物提供铵盐，从而“燃料”硝化过程。这些结果表明，在沿海富含颗粒物的脱氧水体中，硝化微生物可能主要采用颗粒附着的生活方式。
AOA与NOB在低氧区颗粒上的富集
对脱氧最严重那天的样品进行粒径分级宏基因组测序发现，微生物群落组成沿氧梯度（深度梯度）发生系统性变化。值得注意的是，奇古菌门（Thaumarchaeota）的相对丰度随溶解氧降低而增加，并在低氧区（50米）表现出明显的颗粒富集现象，这与通常认为海洋AOA主要以自由生活（FL）形式存在的观点形成对比。群落分析表明，高丰度的奇古菌门主要归属于硝化球菌属（Nitrosopelagicus）和硝化海菌属（Nitrosomarinus），这与在沿海和河口系统中通常占主导地位的硝化矮菌属（Nitrosopumilus）不同，暗示了海洋奇古菌类群之间存在生境特异性的生态位分配。进一步的基因组募集分析确认，硝化海菌属样AOA和水柱A群（WCA，以Nitrosopelagicus为代表）样AOA是东极岛低氧水体中适应低氧的优势类群，且均显示出在PA粒径级分中的相对富集。
相比之下，氨氧化细菌（AOB）在低氧区的相对丰度比AOA低两个数量级，尤其是在PA级分中差异更为显著，表明在该特定沿海低氧生境中，硝化作用主要由AOA驱动。在亚硝酸盐氧化细菌（NOB）中，硝化刺菌属（Nitrospina）和硝化螺菌属（Nitrospira）占主导地位。在低氧条件下，硝化螺菌属在FL级分中占优，而硝化刺菌属则在PA级分中占据主导，可能成为低氧区亚硝酸盐氧化的主要贡献者。AOA和NOB共同的PA偏好性表明，颗粒物可能是低氧区耦合的氨氧化和亚硝酸盐氧化的关键微生境。
低氧区AOA功能基因的主导地位
对关键生物地球化学过程功能基因的分析进一步支持了AOA的核心作用。氨转运蛋白（amt）和同化（glnA）基因、高亲和力磷酸盐转运蛋白基因（pstABC）在颗粒物（0.8–20 μm）上的相对丰度随深度增加，在总群落和AOA种群中均是如此，这与AOA整体向PA生活方式转变的趋势一致。脲酶基因（ureBCDE）的绝大部分也来自AOA，表明尿素是该海域这些古菌相关的氨源。其丰度随深度增加且在较大颗粒级分中富集，暗示底层沉积物再悬浮可能是水体尿素的重要来源。特别是，铵单加氧酶基因（amoA, amoB, amoc）和亚硝酸盐还原酶基因（nirK）在底层水体颗粒物上表现出显著的PA富集，表明颗粒物是氮循环，特别是氨氧化的遗传热点区域。此外，在低氧环境中检测到的颗粒附着型3HP/4HB碳固定途径基因也主要属于AOA。这些颗粒相关关键代谢基因的富集支持了以下观点：AOA是低氧区耦合氮循环和碳固定的核心驱动者，海洋颗粒物充当了可能促进这些生物地球化学协同作用的“微反应器”。
生态位分配重塑氮循环路径
AOA向PA生活方式转变的富集效应可能在整个氮循环中产生级联影响。研究发现，amoABC基因的主导地位随深度和溶解氧降低，从FL群落系统性地转向PA群落，而羟胺氧化还原酶（hao）在整个溶解氧梯度中始终保持PA偏好。与氨氧化基因的严格PA分布不同，亚硝酸盐氧化基因（nxrA/nxrB）的分布模式表明，尽管NOB普遍偏好PA，但FL群落仍可能对亚硝酸盐氧化有重要贡献。反硝化标记基因nirK主要与PA级分相关，在50米深处占总nirK的86%，其相对丰度显著高于nirS。在低氧区颗粒物上观察到的nirK和amoA（以及amoB）的共同富集表明，在这些微环境中，AOA驱动的亚硝酸盐生产与其消耗之间存在潜在的耦合。这种耦合可能由共享的底物梯度介导。一氧化氮还原酶（norBC）和一氧化二氮还原酶（nosZ）基因在低氧底层的丰度是表层水体的4-5倍，表明该低氧区的反硝化潜力增强。值得注意的是，反硝化基因在低氧区呈现明显的分配模式：nirK优先富集在颗粒附着生境，而norBC和nosZ则富集在FL级分。这种解耦表明，颗粒中产生的一氧化氮可能迅速扩散到周围水柱，影响FL群落。此外，参与异化硝酸盐还原为铵（DNRA）的nrfAH基因在低氧区富集，这种氮保留（产生铵盐）可能潜在地增强局部生物生产。研究中未检测到厌氧氨氧化（anammox）基因。
AOA不同支系在生态位分配中的差异化策略
为阐明低氧区独特的微生物适应性，研究重建了253个中等质量非冗余宏基因组组装基因组（MAG），包括4个来自硝化球菌纲（Nitrososphaeria）的AOA MAGs，分属三个不同的属。整合公共数据库的AOA基因组构建系统发育树显示，硝化海菌属样AOA和WCA样AOA主导了东极岛的低氧水域。通过量化关键功能基因相对于其对应amoA基因拷贝数（RPKG）的相对丰度，比较了硝化海菌属样、WCA样和硝化矮菌属样这三个关键AOA类群的代谢特化。硝化海菌属样AOA表现出最高的amt与amoA比值，增强了其氨获取能力，这可能是其在整个水柱中生态成功的基础。在低氧底层，硝化海菌属样AOA和WCA样AOA的nirK与amoA比值显著高于其他支系，表明其增强的亚硝酸盐解毒能力，这虽然可能在低氧条件下以更高的一氧化氮排放为代价，但促进了其竞争力。两个优势类群都表现出显著更高的脲酶基因拷贝数，强化了尿素代谢作为这些谱系关键生态位定义特征的作用。在磷获取策略上，优势古菌支系之间存在显著差异。硝化海菌属样AOA对高亲和力磷酸盐转运蛋白（pstABCS）和膦酸酯摄取系统（phnCDE）均保持较高的基因潜力。WCA样AOA比硝化海菌属样AOA更倾向于低亲和力Pit磷酸盐转运系统，这可能是由于Pit系统比高亲和力Pst系统更节能。同时，WCA样AOA保留了用于有机磷利用的phnCDE基因。相比之下，硝化矮菌属样AOA虽然表现出与WCA样AOA相似的Pit偏好，但其持续较低的phnCDE拷贝数可能解释了其在低氧生态位中的竞争限制。这些功能特征揭示了硝化海菌属样AOA和WCA样AOA如何采用不同的策略适应颗粒相关微生态位，为了解AOA在海洋脱氧作用下的适应性代谢机制提供了关键见解。
研究结论
综合15N示踪硝化速率、宏基因组学和基因组解析分析表明，在东极岛海洋生态系统中，观察到随着氧浓度降低而升高的两步硝化速率，同时沿氧梯度FL和PA级分之间存在不同的微生物群落结构和代谢分配。结果揭示，海洋脱氧驱动了硝化微生物的生态位分配，导致低氧区PA硝化微生物富集，且氨氧化基因呈严格的PA分布。PA AOA群落以硝化海菌属和WCA支系为主导，其富集的脲酶基因暗示了利用尿素作为辅助氮源的潜力。支系特异性分析表明，硝化海菌属样AOA和WCA样AOA通过不同的代谢策略适应低氧环境中的PA生态位。具体而言，硝化海菌属样AOA比WCA样AOA含有更多高亲和力氨转运蛋白（amt）和磷酸盐转运蛋白（pst）的基因拷贝，而WCA样AOA比硝化海菌属样AOA保留了更多低亲和力磷酸盐转运蛋白（pit）基因。值得注意的是，颗粒相关AOA可能通过共同富集的铵单加氧酶（amoA）和亚硝酸盐还原酶（nirK）基因直接耦合亚硝酸盐的生产和消耗。由此产生的一氧化氮可能促进下游的反硝化过程，从而导致氮损失。这些发现揭示了AOA对颗粒相关微环境的适应性如何影响氮循环及耦合的生物地球化学响应，深化了对海洋脱氧背景下微生物驱动过程的理解。
