人类活动对地下水生物地球化学循环和微生物群落的影响：来自宏基因组分析的见解

人类活动导致的地下水氮污染通过破坏微生物群落结构、抑制硝化功能基因表达、改变硫代谢策略，并导致生态系统网络拓扑崩溃，形成氮硫协同抑制循环。

陈正兴|唐秀峰|苏一瑞|刘涛|乌利·克吕姆珀|鞠峰|刘敏|韩平

地理信息科学国家重点实验室（教育部），华东师范大学地理科学学院，上海，中国

摘要

人为氮污染对地下水生态系统中的微生物相互作用网络和生物地球化学循环构成了系统性威胁，但其潜在机制仍不甚明了。通过终点梯度对比，我们对受到严重氮压的城市地下水（中国上海；NH₄⁺和NO₃⁻浓度分别约为背景水平的28倍和10倍）与近乎原始状态的山区含水层（美国卡利斯托加）进行了宏基因组分析。研究揭示了氮压力下微生物群落的多层次崩溃和适应性重构。污染引发了细菌群落的根本性重组，系统类型（城市与山区）解释了74%的组成变化，同时细菌α多样性显著降低（香农指数下降了34%），并且从山区系统中以放线菌门为主的互惠网络转变为城市地下水中以假单胞菌门为主的群落（相对丰度超过0.86）。从功能上看，城市系统表现出多途径抑制能量密集型过程，包括硝化作用（例如hao, nxrB基因）、甲烷生成和无机硫氧化，这与“污染诱导的代谢解耦”理论一致。为了生存，微生物群落转向了低能耗策略，显著富集了有机硫代谢相关基因（例如dddT, tsdB），这可能通过H₂S等代谢物抑制反硝化菌，从而加剧氮的滞留。共现网络拓扑分析表明城市地下水的复杂性大幅下降，连通性减少了约90%，模块性从19.94降至3.33，同时正相关比例异常高（94.4%），表明生态系统稳定性和功能冗余性严重丧失。随机森林和冗余分析共同确定铵（NH₄⁺）是这一级联失败的核心环境驱动因素，解释了功能基因谱86%的变异，并可能通过特定抑制限速基因hao（解释了硝化速率76%的变异）破坏了硝化途径。基于这些发现，我们提出了一个双轨恢复框架，结合外部NH₄⁺源控制和内部微生物网络重连（例如恢复关键类群、调节硫反馈回路），以打破氮-硫抑制循环并恢复生态功能。我们的研究强调了将微生物网络韧性整合到管理和修复受污染地下水生态系统策略中的关键重要性。

引言

地下水系统是地球关键带的重要组成部分，为微生物提供了独特的栖息地，并促进了复杂的生物地球化学过程。全球超过三分之二的饮用水来自地下水，在中国，超过60%的城市地区使用地下水（John & Rose, 2005）。这些环境中的低温、缺氧和黑暗条件孕育了惊人的微生物多样性，微生物在碳、氮和硫等元素的生物地球化学循环中起着关键作用（Kutvonen et al., 2015; Xu et al., 2014）。这些循环高度相互依赖，通过复杂且高度互联的微生物网络以“流水线”方式协同运作（Anantharaman et al., 2016; Morris et al., 2013）。例如，厌氧甲烷氧化与硝酸盐还原相结合，而铵氧化可以与铁还原（Feammox）相结合，展示了这些群落的复杂代谢适应性（Ding et al., 2017; Haroon et al., 2013）。

然而，随着人类活动的增加，地下水污染加剧，对其可持续和安全供应构成了前所未有的挑战。氮污染主要来源于农业、工业和家庭来源（Deng et al., 2024; Usman et al., 2022）。虽然微生物氮循环过程（如硝化、反硝化）及相关功能基因的变化（例如在高氨条件下从AOA转变为AOB）已被广泛研究（Gao et al., 2018; P. Li et al., 2017; S. Wang et al., 2020; Lee et al., 2018），但大多数研究集中在追踪浓度、过程速率或特定类群上。过量氮会导致渗透压和离子应力，限制生物多样性并富集某些类群，如反硝化菌（Zhang et al., 2023; H. Wang et al., 2021）。来自工业和垃圾填埋场的共存压力源，如重金属和溶解有机物，进一步通过选择耐压类群和破坏微生物网络来重塑群落（Li et al., 2024; Sha et al., 2023）。尽管有这些认识，但仍然存在一个关键空白：长期高强度污染如何从根本上重塑生态相互作用和功能网络拓扑，以及压力如何传播以解耦元素循环并侵蚀生态系统韧性。

为了解决这个问题，我们采用了强大的终点对比设计，将上海（受高度人为压力影响）的城市地下水与加州卡利斯托加的近乎原始状态的山区地下水进行了对比（He et al., 2021）。这种明显的污染梯度（城市NH₄⁺约为山区的28倍）有力地区分了人类影响和自然变异性，避免了中等梯度带来的模糊性（Dang et al., 2022）。我们假设：（H1）高强度氮污染会从根本上重构微生物群落，降低多样性并将生态策略从互惠转变为耐压；（H2）这种分类转变会触发系统性的功能重编程，将代谢从高产转向低能耗生存途径，与“污染诱导的代谢解耦”一致；（H3）这种功能变化会反映在共现网络拓扑中，导致结构崩溃，表现为复杂性、稳定性和韧性的降低。

为了验证这些假设，我们整合了宏基因组测序、差异基因表达分析、多变量统计和共现网络建模。这种方法超越了单纯记录分类变化，定量地将压力源（NH₄⁺）与功能基因抑制联系起来，最终导致微生物生态网络的解体。因此，我们的研究为理解生态系统对污染的响应提供了一个新的拓扑框架，并提出了专注于恢复微生物功能网络的管理策略，而不仅仅是降低污染物浓度。

样本收集

样本收集

2020年10月，从中国上海三个相邻的废弃工厂下方采集了地下水样本：一家造纸厂（地点611：31°28′43"N, 121°36′63"E）、一家粉末喷涂厂（地点621：31°28′80"N, 121°36′68"E）和一家洗涤剂厂（地点622：31°28′56"N, 121°36′10"E）（图S1）。该地区的地下水明显受到污染，存在多种污染源。在每个采样点安装了S形井（深度约4米）。

城市和山区地下水微生物组之间的显著结构差异

城市和山区地下水系统拥有不同的微生物群落。值得注意的是，PCoA排序显示三个城市站点（611、621、622）之间的细菌群落结构存在明显差异，每个站点形成了一个可识别的子群（图1a-c）。尽管存在这种组内差异，所有城市样本在主要变异轴上明显与山区群落（Pr）分开。这种城市与原始系统之间的结构差异在统计学上是显著的

经过验证的污染梯度驱动了根本的微生物重构

微生物是地下水系统中氮循环的唯一媒介，各种功能群和相关过程调节氮的迁移（Kutvonen et al., 2015）。本研究通过比较高度城市化的上海和加州卡利斯托加受保护的山区含水层的地下水微生物群落，建立了一个高污染梯度模型，其中城市站点的NH₄⁺和NO₃⁻浓度分别约为28倍和10倍

结论

通过对比高度城市化和偏远保护区的地下水生态系统，本研究揭示了人为氮污染对含水层微生物组的严重后果。我们证明了氮物种（尤其是NH₄⁺）的显著升高引发了多层面的生态侵蚀：细菌多样性显著丧失，从互惠的放线菌门转变为耐压的假单胞菌门

数据可用性

图6的高分辨率版本已存放在Figshare上，访问代码为10.6084/m9.figshare.30355072，可在https://figshare.com/s/7a255a65f903455e9a20公开获取

未引用的参考文献

Powlowski和Shingler, 1994, Dong et al., 2024, Haoqun et al., 2023

CRediT作者贡献声明

陈正兴：撰写——初稿、方法论、正式分析、数据管理。唐秀峰：资源、方法论。苏一瑞：调查、数据管理。刘涛：撰写——审稿与编辑。乌利·克吕姆珀：撰写——审稿与编辑、调查。鞠峰：撰写——审稿与编辑。刘敏：监督、资源管理。韩平：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点技术研发计划（2024YFF0808804和2023YFC3208404）、国家自然科学基金（NSFC）（编号42573078和42371064）以及中央高校基本科研业务费的支持。