探索湖泊与水库细菌群落的全球格局

Haihan Zhang, Yayun Huang, Xiang Liu, Ben Ma, Siying An

湖泊与水库是至关重要的淡水资源，其生态健康与水质安全直接关系到社会经济发展与公众健康。在全球范围内，这些水体正面临日益严峻的营养化与人为污染压力，导致水生态系统失衡。微生物，尤其是细菌，作为水生生态系统的“核心引擎”，驱动着碳、氮、磷等关键元素的生物地球化学循环，其群落结构的变化可作为水环境健康状况的“晴雨表”。然而，以往的研究多局限于特定区域，我们对全球尺度下湖泊与水库中细菌群落的分布规律及其驱动机制仍知之甚少。

为了解答这一问题，秦岭水源地水质陕西省野外科学观测研究站的张海涵科研团队开展了一项宏大的全球性综合分析研究。团队系统整合了来自全球六大洲共379个湖泊与水库的细菌群落数据（包括247个水样与131个沉积物样本），深入揭示了不同生境中细菌多样性的分布模式及其核心环境驱动因子（图1）。

研究在全球尺度上证实，沉积物中的细菌多样性显著高于水体。这源于沉积物提供了更稳定的微环境、更丰富的有机质以及复杂的氧化还原梯度，为多种微生物提供了定殖的“港湾”。模型分析揭示，不同生境的主导环境因子截然不同。在水体中，总磷是限制细菌多样性的关键负向因子；而在沉积物中，总氮则成为调控群落丰富度的核心要素。结构方程模型进一步阐明，纬度梯度与营养盐浓度共同塑造了细菌α多样性的宏观地理格局。在全球各类水体中，变形菌门因其强大的代谢能力而占据绝对主导地位（图2）。同时，蓝藻与放线菌在富营养化水体中显著富集，可作为潜在的富营养化指示生物。随机森林模型明确指出，水温是影响水体细菌群落结构的最重要环境因子，而沉积物中则是硝酸盐氮（图3）。生态网络复杂性：网络分析显示，水体中的细菌群落网络比沉积物中的更复杂、连接更紧密，这表明水柱中的微生物间存在更频繁的相互作用（如竞争、共生），而沉积物中的群落则因生境隔离而更显“模块化”。该研究构建了全球湖泊与水库细菌群落的标准化数据库，揭示了其大尺度分布规律，为发展基于微生物指示的水质评估与生态系统管理新策略提供了坚实的科学基础，对应对全球变化下的水资源挑战具有重要意义。

该成果以“Exploring bacteria communities in lakes and reservoirs: a global perspective”为题发表于《Biocontaminant》。西安建筑科技大学环境学院张海涵教授为通讯作者。该研究由国家自然科学基金（52270168, 52570213, 52500012）、陕西省杰出青年科学基金（2025JC-JCQN-019）及中国博士后科学基金（GZC20250855）共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.48130/biocontam-0025-0003

图1. 379个选定湖泊水库全球分布图

图2. 区域间水体和沉积物中细菌群落的门水平组成

图3. 环境因素对细菌群落结构的影响