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研究結(jié)果表明微生物群落對(duì)城市化引起的環(huán)境變化的抵抗力低于開墾引起的環(huán)境變化，這在氮和/或碳相關(guān)模式中得到了顯著的反映。然而，經(jīng)過(guò)40天的培養(yǎng)，大多數(shù)微生物性狀幾乎可以恢復(fù)到原來(lái)的水平，微觀上沒(méi)有顯著差異。硝化菌與其他微生物群落的共生作用發(fā)生了顯著變化，無(wú)法完全恢復(fù)，但這種變化并不影響硝化菌在恢復(fù)期將土壤中銨平衡到原來(lái)水平的硝化活性，這表明微生物群落之間的相互作用對(duì)其活動(dòng)的影響可能比以前認(rèn)為的要小。本文通過(guò)定量研究的方式表明：即使在人類活動(dòng)強(qiáng)度高于全球沿海生態(tài)系統(tǒng)平均水平的情況下，在大尺度生態(tài)系統(tǒng)解除脅迫因子后，微生物群落整體也能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到與原始狀態(tài)相似的狀態(tài)，這意味著即使在強(qiáng)烈的人為干擾下，土壤微生物群落也具有很強(qiáng)的恢復(fù)能力。這項(xiàng)研究提醒人們關(guān)注微生物群落的組成和豐度，以及微生物之間的直接相互作用，而不是微生物的多樣性或共存性。近幾個(gè)世紀(jì)來(lái)，人類活動(dòng)極大地改變了全球環(huán)境；這些變化通過(guò)改變生態(tài)過(guò)程和恢復(fù)力改變了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。生活在地球上的微生物被認(rèn)為是所有生態(tài)系統(tǒng)的核心，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中通過(guò)驅(qū)動(dòng)不同生態(tài)過(guò)程而扮演著最重要的角色，這些微生物在與生態(tài)系統(tǒng)受擾動(dòng)有關(guān)的研究中受到了極大的關(guān)注。以往的研究表明，微生物對(duì)環(huán)境變化或生態(tài)系統(tǒng)干擾的反應(yīng)（抗性和恢復(fù)力）是由微生物調(diào)節(jié)和環(huán)境理化對(duì)其組成和生理的綜合作用所調(diào)節(jié)的。有學(xué)者研究了農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染下微生物多樣性（Shannon多樣性）和微生物功能（土壤呼吸）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)汞污染只影響微生物呼吸，不影響多樣性。結(jié)果表明，生態(tài)系統(tǒng)功能可能更多地依賴于特定的功能群，而不是整個(gè)群落的多樣性。也有文章認(rèn)為大多數(shù)微生物群都是敏感的，不能立即抵御外界干擾，微生物組成的變化往往受到生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程速率的影響。對(duì)于恢復(fù)力的研究，Shade等人結(jié)果表明，與Allison和Martiny的結(jié)果相比，湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的微生物群落在混水后的很短時(shí)間內(nèi)具有恢復(fù)能力，但在他們沒(méi)有開展與混水事件前后微生物功能的抵抗力和恢復(fù)力的相關(guān)研究。同時(shí)，上述研究仍存在許多分歧，包括對(duì)微生物組成、多樣性和相互作用在生態(tài)系統(tǒng)微生物功能抗性和恢復(fù)力中的作用的分歧。造成這些分歧的最重要原因可能是微生物群落的生態(tài)特征與其生態(tài)系統(tǒng)功能之間的復(fù)雜聯(lián)系，以及不同環(huán)境條件下微生物性能的異質(zhì)性，它們受到土壤理化特性（通過(guò)影響微生物組成和生理活動(dòng)）的驅(qū)動(dòng)。因此，有必要結(jié)合不同的微生物特性，包括微生物組成、多樣性、功能基因、活性以及微生物之間的整體相互作用，對(duì)這三個(gè)論點(diǎn)在大尺度范圍對(duì)不同的生態(tài)系統(tǒng)干擾條件下進(jìn)行全面的研究。因此，在中國(guó)第二大海岸生態(tài)系統(tǒng)—珠江三角洲中開展了一項(xiàng)關(guān)于微生物對(duì)不同強(qiáng)度人類活動(dòng)的抵抗力和恢復(fù)力的研究，其中，城市化和農(nóng)業(yè)化（如開墾，和水產(chǎn)養(yǎng)殖）被認(rèn)為是引起人口向海岸快速遷移的兩大主要人為干擾因素。本研究的主要目的是（a）在野外不同人為干擾下，鑒定微生物群落在1年內(nèi)的變化，并在無(wú)人為干擾的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中鑒定這些群落的活性變化和微生物群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)能力；（b） 評(píng)估推動(dòng)微生物群落變化的潛在環(huán)境因素；（c）評(píng)估微生物豐度、多樣性和相互作用對(duì)微生物功能抗性和恢復(fù)力的重要性。為了描述人類干擾1年后的環(huán)境變化特征，測(cè)量了土壤水分、pH 值、氮相關(guān)特性（全氮、無(wú)機(jī)氮。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮）以及碳相關(guān)特性（總碳、土壤有機(jī)質(zhì)）。結(jié)果表明，2014年至2015年采集的上游土壤樣本中土壤濕度增加，而下游土壤樣本中土壤濕度顯著下降（表1）。從 2014 年到 2015 年，所有樣本的土壤 pH 值都明顯增加。所有樣本的銨態(tài)氮濃度都有所增加，尤其是上游土壤樣本的銨態(tài)氮濃度在2014年至2015年期間有顯著增加。相比之下，在此期間，所有樣本的硝態(tài)氮濃度均顯著下降。從2014年到2015年，全氮、總碳、土壤有機(jī)質(zhì)的濃度呈現(xiàn)出非常相似的趨勢(shì)。 
圖2. 2014 年至 2015 年土壤中前 20 個(gè)植物區(qū)系相對(duì)豐度的變化。從（a）上游和（c）下游采集的實(shí)地土壤。從（b）上游和（d）下游采集的微觀世界土壤。2014年采集的野外土壤群落結(jié)構(gòu)與 2015 年采集的不同。從 2014 年到 2015 年，整個(gè)研究區(qū)域前 20 個(gè)主要門類中，有 15 個(gè)門類的相對(duì)豐度有所下降（圖 2a,c），只有Bacteroidetes, Firmicutes, Verrucomicrobia, Euryarchaeota和Cyanobacteria除外。上游土壤中前 20 個(gè)主要門類中，有 10 個(gè)門類的相對(duì)豐度在 2014 年和 2015 年之間發(fā)生了顯著變化，這些門類包括Bacteroidetes, Acidobacter, Chloroflexi, Patescibacteria, Gemmatimonadetes, Firmicutes,Chlamydiae, Nitrospirae, Planctomycetes和Thaumarchaeota（圖2a）。相比之下，我們檢測(cè)到下游土壤中前 20 個(gè)主要門類中的 5 個(gè)門類的相對(duì)豐度在 2014 年和 2015 年之間發(fā)生了顯著變化，其中包括Bacteroidetes, Firmicutes, Chlamydiae, Planctomycetes和Cyanobacteria（圖2c）。與實(shí)地采集的相同土壤相比，2014 年和 2015 年采集的土壤在經(jīng)過(guò) 40 天培養(yǎng)后，實(shí)驗(yàn)室微生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落的相對(duì)豐度幾乎沒(méi)有差別（圖 2b、d）。大部分上游土壤在培養(yǎng) 40 天后，2014 年和 2015 年的土壤樣本之間顯示出不顯著的差異（圖 2a,b）。2014 年，上下游田間土壤的所有阿爾法多樣性幾乎相似，而在 1 年后，由于人為干擾，這些數(shù)值有所下降，尤其是在上游土壤中（圖 3a）。相反，在沒(méi)有人為干擾的實(shí)驗(yàn)室微生態(tài)環(huán)境中，相同的土壤樣本經(jīng)過(guò) 40 天的培養(yǎng)后，在微生態(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，所有樣本之間的 alpha 多樣性差異都有所減?。▓D3b）。Beta多樣性在 2014 年和 2015 年的上游土壤中介于0.31-0.71之間，而在下游土壤中介于 0.15-0.56 之間（圖 4a）。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)40天后，我們觀察到上游土壤微生物群落的系統(tǒng)發(fā)生距離值減小到0.23-0.51之間，而下游土壤的系統(tǒng)發(fā)生距離值則顯著縮??；然而，下游土壤的系統(tǒng)發(fā)生距離值略有增加，范圍為 0.17-0.60（圖4b），這并沒(méi)有顯著改變 2014 年和 2015 年下游田間土壤樣本之間的系統(tǒng)發(fā)生異質(zhì)性（圖 4c）。
圖3. 2014 年至 2015 年土壤中微生物阿爾法多樣性（Observed_otus; Chao1; PD_Whole_tree）的變化。(a）野外；（b）微生態(tài)系統(tǒng)。USF_2014 和 USF_2015 分別代表 2014 年和 2015 年上游的野外土壤（每年 n = 6）；DSF_2014 和 DSF_2015 分別代表 2014 年和 2015 年下游的野外土壤（每年 n = 8）；USM_2014 和 USM_2015 分別代表上游 2014 年和 2015 年的微觀世界土壤（每年 n = 6）；DSM_2014 和 DSM_2015 分別代表下游 2014 年和 2015 年的微觀世界土壤（每年 n = 8）。
圖4. 2014 年至 2015 年土壤中微生物系統(tǒng)進(jìn)化距離（加權(quán) UniFrac 距離）的變化。(a) 田間；(b) 微型培養(yǎng)箱；(c) 2014 年至 2015 年間田間和微型培養(yǎng)箱中土壤微生物群落的加權(quán) UniFrac 距離變化。為量化氮濃度的顯著變化對(duì)參與硝化過(guò)程的兩個(gè)最常見(jiàn)種群--氨氧化古細(xì)菌和細(xì)菌（AOA 和 AOB）的影響，進(jìn)行了 qPCR 分析。從2014年到2015年，上游和下游田間土壤的古生菌 amoA 的拷貝數(shù)都略有下降趨勢(shì)。然而，土壤樣品中細(xì)菌 amoA 的拷貝數(shù)比古生菌 amoA 低約 3-90 倍，2014 年至 2015 年，上下游田間土壤中的拷貝數(shù)值都非常穩(wěn)定（圖 5a）。在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng) 40 天后，2015年土壤微生態(tài)環(huán)境中的古菌amoA的拷貝數(shù)有所增加（不顯著），但所有土壤樣品中的細(xì)菌amoA拷貝數(shù)均未出現(xiàn)明顯變化（圖5a）。在微觀世界實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度，以確定硝化活性。2015 年，上游土壤中的銨態(tài)氮水平在培養(yǎng)期間急劇下降，而下游土壤中的銨態(tài)氮水平則略有下降。然而，2014 年所有上游和下游土壤的銨態(tài)氮水平都保持穩(wěn)定。相應(yīng)地，2015 年上游土壤的硝態(tài)氮含量在孵育期間急劇上升，下游土壤的硝態(tài)氮含量略有上升，而 2014 年所有土壤的硝態(tài)氮含量均未出現(xiàn)較大變化（圖 5b）。
圖5. (a) 田間和微生態(tài)系統(tǒng)中微生物功能基因的變化。(b) 微生態(tài)系統(tǒng)中與硝化過(guò)程相關(guān)的活動(dòng)（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度）的變化。2014F、2015F、2014M 和 2015M 分別為 2014 年和 2015 年從田間和土壤微生態(tài)系統(tǒng)中采集的土壤樣本硝化細(xì)菌與其他微生物群落之間的微生物相互作用發(fā)生變化為了確定人類活動(dòng)對(duì)硝化細(xì)菌與其他微生物群落之間相互作用的影響，我們使用了基于 Spearman 相關(guān)性分析的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。為了獲得更高質(zhì)量的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，我們只選擇了所有土壤樣本中出現(xiàn)的 OTU 進(jìn)行分析。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果如圖 6 所示，我們?cè)诜治鲋袑⒚總€(gè)完整的連接定義為一個(gè)模塊。就上游土壤而言，2014 年至 2015 年，與硝化細(xì)菌有關(guān)的 OTU 的相對(duì)豐度平均從 0.86% 降至 0.11%（圖 6a）。然而，在微生態(tài)系統(tǒng)中培養(yǎng) 40 天后，這些硝化細(xì)菌平均恢復(fù)到1.3%（圖6a）。同時(shí)，連接模塊的數(shù)量從13個(gè)急劇下降到1個(gè)，模塊中的硝化細(xì)菌類型也從2014年的1種減少到2015年的1種。在微生態(tài)系統(tǒng)中培養(yǎng)40天后，連接恢復(fù)到 6 個(gè)含有所有類型硝化細(xì)菌的模塊，僅為 2014 年模塊的約 50%。就下游土壤而言，2014 年至 2015 年，與硝化細(xì)菌相關(guān)的 OTU 的相對(duì)豐度平均從 0.71% 降至 0.27%（圖 6b）。不過(guò)，在微生態(tài)系統(tǒng)中培養(yǎng) 40 天后，這些數(shù)值平均恢復(fù)到 0.78%（圖 6b）。2014 年和 2015 年的連接模塊數(shù)量相同。在 2015 年采集的土壤樣本中，含有兩種細(xì)菌型硝化細(xì)菌（OTU2015 和 OTU2021）的模塊顯示出更多的連接；然而，與2014年相比，含有古細(xì)菌型硝化細(xì)菌的模塊顯示出更少的連接。在小宇宙中培養(yǎng) 40 天后，連接恢復(fù)到七個(gè)模塊，比2014年和 2015年都多出兩個(gè)模塊。然而，與2014年和2015年的野外土壤樣本相比，除 OTU73 外，幾乎所有硝化細(xì)菌 OTU 恢復(fù)后參與模塊連接的數(shù)量都減少了（圖 6b）。從 2014 年到 2015 年，下游土壤中硝化細(xì)菌 OTU 的類型和模塊中涉及的連接數(shù)（網(wǎng)絡(luò)度）比上游土壤穩(wěn)定得多。
圖6. 硝化細(xì)菌與不同微生物群之間的相互作用以及硝化細(xì)菌在實(shí)地和微生態(tài)系統(tǒng)中的相對(duì)豐度。(a) 上游；(b) 下游。為了確定驅(qū)動(dòng)這些門類分布及其相關(guān)活動(dòng)的環(huán)境因素，應(yīng)用冗余判別分析（RDA）來(lái)解釋圖 7 所示不同系統(tǒng)發(fā)育水平（門和屬）的所有野外土壤的模式。在圖 7a 中，第一軸和第二軸分別解釋了 38.4%和 14.38%的累積方差關(guān)系（圖 7a），這表明第一軸顯著分離了所有環(huán)境變量和土壤樣本。2014 年和 2015 年采集的土壤樣本在軸 1 上的分離主要由銨態(tài)氮濃度（50%）驅(qū)動(dòng)，而在軸 2 上的分離主要由土壤 pH 值（54%）驅(qū)動(dòng)。然而，在我們的 RDA 分析中，2015 年采集的兩個(gè)樣本無(wú)法與 2014 年的樣本區(qū)分開來(lái)。硝態(tài)氮和全氮對(duì)整個(gè)排序模式的貢獻(xiàn)很大，將前 20 個(gè)微生物群落和土壤樣本區(qū)分開來(lái)。這些因子分別解釋了 41% 和 21% 的變異。在RDA分析中，20個(gè)頂級(jí)門類中有16個(gè)門類在2014年采集的土壤樣本中相對(duì)豐度較高，而在2015年采集的土壤樣本中只有 3 個(gè)門類相對(duì)豐度較高，這與之前的結(jié)果一致。如圖 7b 所示，RDA 的第一軸和第二軸分別解釋了82.1%和0.9%的累積方差關(guān)系，這表明第一軸顯著分離了所有環(huán)境變量和基于硝化微生物群落的土壤樣本。在我們的研究中，環(huán)境變量可以解釋（82.1%）與硝化過(guò)程相關(guān)的菌屬分布。但在我們的 RDA 分析中，2015 年采集的兩個(gè)樣本無(wú)法與 2014 年的樣本區(qū)分開來(lái)。土壤濕度銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和pH對(duì)整個(gè)序化模式有顯著貢獻(xiàn)，可將硝化微生物群落和土壤樣品分開。在 RDA 分析中，與 2014 年采集的土壤樣本相比，2015 年采集的土壤樣本中 13 個(gè)菌屬中有 10 個(gè)菌屬的相對(duì)豐度有所下降；2015 年采集的土壤樣本中只有 3 個(gè)菌屬的相對(duì)豐度較高。
圖7.通過(guò) RDA 分析對(duì)珠江口沿岸微生物群落變化的環(huán)境解釋。(a) 前20 個(gè)門類變化的環(huán)境解釋；(b) 與硝化過(guò)程有關(guān)屬變化的環(huán)境解釋。一些研究報(bào)告稱，微生物組成與微生物功能預(yù)測(cè)無(wú)關(guān)，因此組成不能估算微生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)干擾的抵抗力和恢復(fù)力，這與生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)方面有關(guān)。然而，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，微生物組成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程非常重要，尤其是對(duì)過(guò)程速率而言。有趣的是，deVries等人證明，在干旱條件下，細(xì)菌群落與生態(tài)系統(tǒng)呼吸無(wú)關(guān)，但在復(fù)濕 1 周后，細(xì)菌群落與生態(tài)系統(tǒng)呼吸直接相關(guān)。在我們的研究中，氨氧化劑相對(duì)豐度較低和amoA基因拷貝數(shù)較低與田間土壤中銨態(tài)氮濃度顯著升高和硝態(tài)氮濃度顯著降低同步顯示（表1；圖5和6）?？傊?，這些結(jié)果表明2015 年的微生物消耗量低于2014年。在微生態(tài)系統(tǒng)中，銨態(tài)氮濃度的降低和硝態(tài)氮濃度的增加。與2015年土壤微生態(tài)系統(tǒng)中 AOAamoA的拷貝數(shù)增加相吻合（圖 5）。同樣，在 2014 年的土壤微生態(tài)系統(tǒng)中，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度或AOAamoA的拷貝數(shù)都沒(méi)有發(fā)生變化（圖 5）。這些結(jié)果意味著，與 2014 年的土壤微生態(tài)系統(tǒng)相比，2015年土壤微生態(tài)系統(tǒng)中的微生物消耗量更高。雖然amoA基因的豐度與氨氧化活動(dòng)沒(méi)有必然聯(lián)系，但它至少代表了氨氧化活動(dòng)的潛在能力，是土壤中過(guò)程活性和潛在速率的重要指標(biāo)。一些學(xué)者進(jìn)行了微宇宙實(shí)驗(yàn)，使用抑制劑和農(nóng)用土壤添加劑測(cè)試 AOA 和 AOB 的活性。這些作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)AOA活性優(yōu)于 AOB時(shí)，氨氧化率完全不同。Aalto等人還表明，隨著湖泊生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的增加，AOB群落的增加會(huì)促進(jìn)硝化作用。因此，微生物組成及其豐度對(duì)其功能抵抗力和恢復(fù)力非常重要，它們的變化將通過(guò)改變過(guò)程速率來(lái)改變生態(tài)系統(tǒng)的功能。一些學(xué)者還指出，在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微生物過(guò)程對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)時(shí)，考慮群落組成和/或微生物群落對(duì)過(guò)去環(huán)境條件的適應(yīng)性非常重要。這項(xiàng)研究首次展示了微生物對(duì)沿岸生態(tài)系統(tǒng)中不同類型人類干擾引起的環(huán)境變化的抵抗力和恢復(fù)力。研究結(jié)果很好地揭示了生態(tài)特征與功能抵抗力和恢復(fù)力之間的關(guān)系。我們的研究與之前的大多數(shù)研究結(jié)果非常一致，表明微生物群落及其相互作用對(duì)人類活動(dòng)沒(méi)有抵抗力。一些微生物群落以及它們之間的相互作用表現(xiàn)出顯著差異，無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的水平。然而，微生物多樣性在受到人類干擾后并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，在微生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò) 40 天的培養(yǎng)后，幾乎可以恢復(fù)到原來(lái)的水平。微生物群落的組成和豐度對(duì)其功能抵抗力和恢復(fù)力的影響比微生物多樣性和相互作用的影響要明顯得多。這項(xiàng)研究提醒人們關(guān)注微生物群落的組成和豐度以及微生物的直接相互作用，而不是微生物的多樣性或共存性，以提高對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的認(rèn)識(shí)。根際互作生物學(xué)研究室 簡(jiǎn)介
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