文献分享 | 砷循环与流域尺度微生物功能和有机质分子组成的动态关系

导语

生物地球化学循环（Biogeochemical cycle）指的是环境中各种元素沿着特定的路线运动，由周围环境进入生物体，最后回到环境中，各种元素运动路线所包含着的活有机体的有机阶段和由各元素基本化学性质所决定的、无生命的阶段所组成的循环运动过程称为生物地球化学循环。

近期，发表在Water Research（IF=12.8）上的文章“Arsenic biogeochemical cycling association with basin-scale dynamics of microbial functionality and organic matter molecular composition”，该研究结合野外水文地球化学监测、宏基因组分析和超高分辨质谱(FT-ICR MS)对溶解有机质的表征，揭示了主导As生物地球化学循环途径的地质微生物相互作用网络。

摘要

湿地地下水微生物在驱动全球生物地球化学循环中发挥着重要作用。然而，受地表水-地下水时空相互作用的动态影响，湿地地下水生物地球化学循环的时空演替尚不明确。本研究以鄱阳湖平原典型湿地为对象，研究了地下水氮、碳、硫、铁、砷循环相关的水文地球化学变量和微生物功能基因的季节性协同演化特征，揭示了湿地地下水季节变化条件下，氮、硫、碳、铁、砷循环基因的时空演替规律及其耦合机制。

材料与方法

本研究采集不同时期的（枯水期31个样本；丰水期31个样本)62个样本，其中选取了具有代表性的53个样本进行宏基因组分析，分别是枯水期22个，丰水期31个。同时还检测了pH、氧化还原电位(ORP)、总溶解固体(TDS)、温度(T)、NO3−、NH4 +、NO2−、总有机碳(TOC)、总磷(TP)等理化性质。

主要研究结果

由于枯水期和丰水期地下水水位的显著波动，地下水的水文地球化学特征呈现出空间和季节变化。研究结果表明，枯水期和丰水期的地下水均呈弱酸性(大部分在7以下)，而丰水期的pH值相对较高，这与之前的研究结果一致。TDS值较高的区域是人类活动密集的地区，如南昌和赣江三角洲(GRD)，这些地区是农业用地集中的地区。ORP值从枯水期到丰水期呈增加趋势，鄱阳湖南部ORP较高，主要原因是降水增加和地下水位上升。两季ORP值最低的区域均位于GRD -鄱阳湖之间(T29样)，表明该区域具有独特的水文地球化学条件。

宏基因组学是评估微生物元素循环潜力的有效工具。本研究选择了不同元素循环的特异性标记基因来表征微生物的功能潜力。结果表明，在枯水期和丰水期，参与循环的功能基因的组成存在显著差异，丰水期地下水水位显著高于枯水期地下水水位。

为了研究鄱阳湖区地下水水位季节变化下，地下水微生物功能基因揭示的元素代谢循环的潜力变化，本研究统计了参与氮、硫、碳、铁、砷循环的功能基因，对不同季节的这些基因的相对丰度（TPM）取平均值后取比值，再进行以2为底数的log转化“log2(丰水期某功能基因平均丰度/枯水期该平均丰度”，并用F检验检验差异显著性，结果清晰的展示了某基因在哪个季节丰度较高。

生态系统中的生态功能由功能微生物群之间的相互作用控制。共现网络分析已被用于揭示相互关联的微生物遗传网络、微生物群落构建模式以及微生物对环境变化的响应。本研究采用共现网络分析，将N、S、C、Fe、As循环基因与环境因子相结合，其结果显示，丰水期网络连接性更差，表现为links降低，这可能指示地下水微生物群落由于在丰水期水位上升而受到扰动，群落内部联系变弱，群落整体功能可预测性降低，阐明了功能微生物群落与环境因子对季节变化的交互作用。

结论

湿地区域地下水位的季节性波动对微生物功能产生重要影响。位于低渗透含水层和湖泊之间的区域可能富含具有有机碳、氨氮、亚铁等还原性物质。随着地下水化学条件的季节性变化，功能基因的分布在枯水期和丰水期存在显著差异，如固氮、反硝化、固碳、甲烷代谢基因在丰水期更为富集，如固氮、反硝化、固碳、甲烷代谢基因在丰水期更为富集。然而，丰水期地下水水位上升后，功能基因组成的异质性显著提高。Fe2+浓度作为影响不同季节功能基因组成的关键因素，环境因子对功能基因分布的整体解释度降低，从枯水期到丰水期，共现网络的复杂度逐渐降低，这可能表明地下水水位上升破坏了功能微生物之间的相互联系，降低了群落稳定性，为地下水微生物功能预测评估带来不确定性。综上所述，地下水水位的升高导致功能性微生物群落的异质性增加，可能导致生态生产力下降。因此，在丰水期，尤其是在生物修复和温室气体排放的背景下，应更加重视微生物功能的预测，研究结果也为地下水微生物群落的动态变化及其对季节变化的响应提供了一定的见解。

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