《Environmental Research》：Environmental Stress Drives Microbial Regime Shifts and Functional Reorganization in a Large Deep Reservoir
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微生物群落多稳态及其环境调控机制研究：基于丹江口水库一年的高分辨率测序，揭示两种稳定状态（A:蓝菌/放线菌主导的光能型；B:拟杆菌/蛋白菌主导的氮循环型），环境胁迫（溶解氧、温度、氨氮）通过非线性阈值和滞后效应驱动状态转换，功能预测显示代谢途径重组与微生物多样性及网络稳定性相关。
刘旭聪|董静|高晓飞|张敬晓|朱鹏辉|陈海燕|袁华涛|高云妮|李学军|林森杰
河南师范大学渔业学院，中国河南省新乡市，453007
摘要
大型水库是人工管理的生态系统，在其中微生物群落在养分循环和生态稳定性中起着关键作用。然而，微生物多重稳定性和压力诱导的功能转变背后的机制仍不完全清楚。在这里，我们利用来自中国丹江口水库的一年高分辨率时间序列16S rRNA基因扩增子高通量测序数据集来表征微生物群落的替代稳定状态（ASS）。发现了两种不同的ASS：状态A以蓝细菌和放线菌为主，其特征是较高的α多样性、强烈的局部连通性和光养驱动的能量获取。相比之下，状态B以拟杆菌门和变形菌门为主，表现出增强的网络模块性和功能韧性，并由稳健的氮和碳循环支持。溶解氧、温度和氨氮被确定为调节状态转换的关键环境压力因素，通过稳定性景观分析阐明了它们不同的阈值和滞后现象。功能预测和结构方程建模进一步证实，环境压力使微生物代谢途径从依赖光的过程转变为以氮循环为主的过程，这通过微生物多样性和网络稳定性的变化来实现。总体而言，这些发现为大型水库中微生物的多重稳定性和压力驱动的制度转变提供了关键的实证证据。这项工作为大型饮用水水库的适应性水质管理策略提供了信息，这对于减轻营养污染、保障水资源安全和促进可持续的淡水生态系统管理至关重要。
引言
大型水库的建设和运营代表了水生生态系统中的主要人为干预，改变了水文、养分制度和景观尺度上的生物地球化学过程（Li等人，2023；Lian等人，2022）。作为支持饮用水供应、防洪、能源生产和生物多样性保护的多功能系统，水库受到上游农业、城市排放物、流域扰动和水位调节等复杂环境压力的影响（Dang等人，2022；Liang等人，2023）。这些压力因素调节着从养分动态和氧化还原条件到分层模式等基本物理化学指标。这些波动从根本上决定了生态系统的健康状况和水质（Lv等人，2024）。由于微生物群落介导元素循环并支撑生态稳定性，理解它们对环境压力的响应对于预测水库的韧性并指导适应性管理至关重要（Shilei等人，2020；Wang等人，2022；Wei等人，2024）。
微生物群落是水生系统中碳、氮和磷转化的核心调节者（Mooshammer等人，2017）。它们的活动控制着硝化、反硝化、有机物矿化、光合作用和呼吸作用等过程，这些过程直接影响水质、氧气动态和生态系统服务（Shilei等人，2020；Zhou等人，2019）。由于微生物的世代时间短且对环境波动高度敏感，它们作为生态变化和压力响应的早期指标（Wang等人，2022；Wei等人，2024）。然而，尽管在湖泊和河流中对微生物多样性和群落组成进行了大量研究，但将环境压力与大型人工调节水库中的长期微生物群落组织和功能重组联系起来的机制仍不够清楚。
替代稳定状态理论为解释对干扰的非线性生态响应提供了一个有用的框架（Beisner等人，2003；Scheffer等人，2001）。该框架认为，在相同的环境条件下，生态系统可以存在于多种稳定配置中，当压力超过临界阈值时可能会发生突然的制度转变，通常伴随着滞后或韧性降低（Ardichvili等人，2023；Wang等人，2014）。尽管在以大型植物为主的湖泊、沉积物系统和浅水环境中进行了广泛研究（Zhang等人，2022），但在大型深水水库中替代微生物状态的表现仍然记录不足。微生物群落可以通过生态位分化、环境过滤或内部反馈表现出稳定的重复配置，表明微生物系统中可能存在多重稳定性（Fukami和Nakajima，2011）。最近在海洋和河流环境中的研究表明，氧化还原电位、盐度和养分负荷的梯度可以将微生物组合重构为不同的功能和组成状态（He等人，2025；Ning等人，2024）。尽管它们很重要，但对水库中微生物制度转变的普遍性、稳定性和生态影响的全面理解仍然难以捉摸，特别是考虑到水动力学和人为压力之间的复杂相互作用（Ma等人，2024）。丹江口水库是一个研究这些动态的代表性系统，其特征是明显的季节性水位波动和周期性的水文节奏。这些反复的环境变化为触发微生物群落的非线性响应和替代稳定状态的潜在出现提供了必要的生态背景。
环境压力因素，如营养物质升高、温度变化和氧气耗尽，在塑造水库中的微生物动态方面特别有影响力（Hernandez等人，2021）。这些压力因素通常在变暖事件、富营养化或水文调节期间同时发生，导致从光养代谢向异养代谢的转变、生物地球化学循环的变化以及群落稳定性的变化（Ning等人，2024）。虽然短期研究和实验室实验已经证明了压力引起的微生物活动变化，但关于长期压力梯度如何塑造深水人工调节水库中稳定状态的出现、阈值响应或功能重组知之甚少。
丹江口水库是中国南水北调中线工程的主要水源，这是世界上最大的跨流域调水项目之一（Li等人，2025）。其强烈的季节性水文特征、明显的垂直混合模式以及温度、溶解氧和养分水平的反复波动创造了可能发生压力驱动的微生物制度转变的条件。然而，这些转变的稳定性、驱动因素和功能后果尚未得到系统评估。为了填补这些空白，本研究调查了水库中原核微生物群落的多种稳定状态、环境驱动因素和生态响应。我们假设：（1）微生物群落表现出具有不同分类组成、多样性模式和生态网络结构的替代稳定状态；（2）综合环境压力因素沿着非线性梯度调节这些状态之间的转换，可能产生阈值响应或滞后动态；（3）制度转变导致微生物功能潜力的显著重组，特别是在与能量获取和氮循环相关的代谢途径中。通过阐明环境压力与微生物多重稳定性和功能重组之间的机制，本研究为水库生态系统的韧性提供了新的见解。这些结果还为在不断增加的人为和气候压力下制定早期预警指标和适应性管理策略提供了机制基础。环境压力梯度的变化、关键物理化学条件和群落稳定性指标的变化可能预示着即将发生的制度转变，从而允许更早地进行干预以保护水质。
研究区域、采样设计和环境测量
丹江口水库位于中国中部湖北省和河南省的边界，是亚洲最大的人工淡水水库之一，也是南水北调中线工程的主要水源。该水库跨越汉江的中上游（32°36′-33°48′N，110°59′-111°49′E），总储水量约为290.5亿立方米，表面积约为1050平方公里，流域面积为
存在多种稳定状态的证据
聚类分析显示，丹江口水库中的原核微生物群落形成了两个不同的组。基于Medoids的聚类（PAM）结合轮廓指数值识别出两个稳定的群落状态，分别命名为状态A和状态B。这种分类进一步得到了非度量多维缩放（NMDS）的支持，NMDS1轴上清晰地分离了这两个状态（图1b）。因此，NMDS1轴被用作
多种稳定状态和微生物群落双稳态的机制
本研究提供了明确的证据，表明丹江口水库中的原核微生物群落占据两种不同且持续的稳定状态，每种状态都具有独特的分类组成、多样性模式和生态策略（图1；图2）。NMDS1值的明显双峰分布（图1c）、两状态模型的更好拟合（表S2）以及状态A和状态B的时间持续性（图S2）共同证明了水库的
结论
在这项研究中，我们发现丹江口水库中的微生物群落表现出两种不同且持续的稳定状态，每种状态都由特征性的分类谱型、生态策略和代谢潜力定义。两种状态之间的转换主要由溶解氧、温度和氨氮的变化所控制，稳定性景观分析揭示了阈值行为和滞后现象，表明了非线性生态动态。
CRediT作者贡献声明
高晓飞：可视化、调查、正式分析。张敬晓：可视化、调查、正式分析。朱鹏辉：可视化、调查、正式分析。林森杰：撰写——审稿与编辑。刘旭聪：撰写——初稿、方法学、调查、数据管理、概念化。董静：可视化、调查、正式分析。陈海燕：验证、资源获取、调查。袁华涛：撰写——审稿与编辑、监督，
数据可用性
本研究的所有原始数据已存放在国家生物技术信息中心（NCBI）序列读取档案（SRA）中，BioProject ID为PRJNA1345013。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了河南省自然科学基金（项目编号：242300420496、242300421578、252300420200）、河南省关键水域的水生生物多样性和环境条件调查项目、中国水利部黄河渔业资源与环境调查项目、国家自然科学基金（32571897）以及河南省国际科技合作项目（252102521016）的支持。
