英文题目：Shifts of soil archaeal nitrification and methanogenesis with elevation in water level fluctuation zone of the three Gorges Reservoir, China
期刊名称：Journal of Environmental Management
发表时间：2023.04.07
影响因子：8.910 (中科院1区Top)
第一作者：上海大学环境与化学工程学院张晟曼
通讯作者：上海大学环境与化学工程学院陈学萍副教授；中国水利水电科学研究院的王雨春研究员
引言
消落带是指筑坝后，水库蓄水周期性淹没和露出岸堤土地而形成的最高水位和最低水位之间的水陆衔接地带，在水库-河流生态系统中的碳氮循环中发挥着不可替代的生态功能。古菌是消落带土壤生态系统的重要组成部分，参与土壤中的生物地球循环。水位波动会影响古菌群落结构和功能，然而周期性的干湿交替过程对消落带土壤古菌群落结构和功能的影响及其对环境变化的响应仍存在一些研究空白。为此，本研究从三峡库区上游到下游三个地点分别采集不同淹水时间的表层土壤（0~5 cm），利用Illumina微生物多样性测序方法研究消落带不同水位（H150、H160、H175）的土壤古菌群落结构，并使用FAPROTAX预测古菌微生物的潜在生态功能，以评估周期性淹水-落干对古菌群落分布特征和环境因素对古菌群落结构和功能的影响，并通过分析功能性古菌的组成来评估建设大坝引起的水文变化对消落带硝化作用和产甲烷作用的影响。
主要研究结果
1. 不同高程的古菌群落组成
消落带土壤古菌的优势属为Nitrososphaeraceae（54.12%）、Bathyarchaeia的一个属（18.67%）、Candidatus Nitrososphaera（8.38%）、Methanobacterium（5.02%）（图1a）。四种古菌在不同水位土壤中的分布存在明显差异。在 H175 土壤中Nitrososphaeraceae和Candidatus Nitrososphaera为主要的古菌物种。H150和H160土壤中主要优势属为Nitrososphaeraceae和Bathyarchaeia，而Methanobacterium也在H150和H160土壤中大量分布。从不同水位土壤古菌的组成来看，在H150和H160土壤中均观察到Nitrososphaeraceae、Bathyarchaeia、Methanobacterium和Candidatus Nitrososphaera，但这些古菌在H150和H160中的丰度占比不同。H175土壤古菌主要由两种氨氧化古菌组成，即Nitrososphaeraceae和Candidatus Nitrososphaera。
图1 三峡库区消落带不同水位土壤古菌群落组成。(a)：不同水位土壤中相对丰度top4的古菌属的Circos图 (b)：不同水位土壤古菌群落的LEfSe分析
从属水平上看，Candidatus Nitrososphaera、Bathyarchaeia、Candidatus Methanoperedens、Metnanosarcina、Methanobacterium、Nitrososphaeraceae和Candidatus Nitrososphaera是对组间差异影响最显著的古菌类群，也是最能解释组间差异特征的古菌类群。
2. 土壤古菌群落与环境因子的相关性分析
相关性热图揭示了功能性古菌与环境因素之间的相关性（图2）。结果表明，Nitrososphaeraceae与TOC浓度和pH值呈显著负相关，与NO3−-N浓度呈显著正相关。与之相反，Bathyarchaeia与pH值和TOC浓度呈显著正相关，而与NO3−-N浓度呈显著负相关。Candidatus Nitrososphaera与pH值呈显著负相关，与TOC浓度呈显著负相关，与NO3−-N浓度呈显著正相关。Metnanosarcina与TOC浓度呈显著正相关，与土壤 pH 显著正相关。Candidatus Nitrocosmicus与土壤 NO3−-N浓度呈显著正相关。Methanobacteriaceae和Methanocella与pH显著正相关。Methanomassiliicoccus与土壤pH呈显著正相关。
图2 土壤古菌类群与环境因子的Spearman相关性热图
3. 使用FAPROTAX方法预测古菌群落功能
FAPROTAX是一个功能性物种分类数据库，可根据物种信息将原核生物与生态功能联系起来。使用FAPROTAX预测三峡库区消落带土壤古菌的功能（图3）。结果表明，研究区域内土壤古菌的主要功能有硝化作用、好氧氨氧化、产甲烷、氢营养型产甲烷、暗氢氧化、H2还原CO2产甲烷、H2还原甲基化合物产甲烷、甲基营养型以及化能异养型等。其中，硝化作用和好氧氨氧化作用分布于消落带不同水位的土壤中，功能丰度较高。产甲烷、氢营养型产甲烷、暗氢氧化和H2还原CO2产甲烷功能在H150和H160水位的土壤中更为丰富，而在H175水位的土壤中它们的丰度为零。
图3 使用FAPROTAX预测的古菌群落功能丰度
研究结论
周期性的淹水-落干过程会显著改变三峡库区消落带土壤环境因子，增加不同水位土壤古菌群落多样性。在未被淹没的高水位土壤中存在大量的氨氧化古菌，而在淹没时间较长的低水位土壤中分布着大量的产甲烷古菌。土壤NO3−-N、TOC、pH、TN是影响古菌群落分布的主要环境因子。长期的淹水-落干过程通过改变环境因素影响了土壤古菌的群落结构，从而影响了土壤古菌介导的硝化作用和产甲烷作用。此外，长期的干湿交替减弱了土壤氨氧化并增强了土壤产甲烷作用。这些发现有助于加强我们对水库消落带土壤碳氮循环过程的认识，可为水库的长期运行和消落带的生态管理、环境管理提供参考。
文章信息
Zhang S, Wang F, Wang Y, et al. Shifts of soil archaeal nitrification and methanogenesis with elevation in water level fluctuation zone of the three Gorges Reservoir, China[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 339: 117871. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.117871