不同来源的DOM在芦苇分解及其微生物群落构建过程中的养分释放起始效应

《Limnologica》：Priming effects of different-source DOM on nutrient release during Phragmites australis decomposition and its microbial assembly processes

　　

陈俊豪|沈慧燕|张翔|李伟华|张金|余丽

中国安徽建筑大学环境与能源工程学院，合肥紫云路292号，230601

摘要

水生植物的分解过程受溶解有机质调控，后者作为养分库存在其中。然而，湖泊中不同来源的溶解有机质输入对分解过程中养分释放的启动效应及其背后的微生物机制仍不明确。本研究通过微宇宙培养实验，模拟了藻类、污水和土壤来源的溶解有机质对芦苇分解过程中养分释放、微生物群落结构、关键类群及群落构建过程的影响。结果表明，藻类和污水来源的溶解有机质促进了分解，表现为正的启动效应，使得溶解有机碳、氮和磷的释放量比理论值高出1.51–12.54%。相反，土壤来源的溶解有机质则抑制了分解，呈现负的启动效应，导致这些养分的释放量减少6.87–16.82%。偏最小二乘路径模型显示，溶解有机质通过改变环境因素显著影响微生物群落结构。与氮和磷通量存在显著关联的关键类群如硝化螺旋菌、鞘形杆菌和微杆菌，可能参与了启动效应的调节。群落构建分析表明，藻类来源的溶解有机质主要通过随机扩散限制富集微生物，污水来源的溶解有机质可能通过确定性同质选择引发正的启动效应，而土壤来源的溶解有机质则具有强烈的扩散限制作用，从而筛选出专性类群。总体而言，溶解有机质引发的微生物群落变化与分解过程中的启动效应密切相关，表明它们可能是推动这一过程的潜在因素。这些发现为了解水生生态系统中的枯落物分解过程中启动效应所带来的生态风险提供了重要见解。

引言

溶解有机质在水生生态系统中是重要的养分储存库，同时也是连接碳、氮、磷循环与生物群落的关键纽带。不同来源的溶解有机质的养分组成和生物有效性存在显著差异（Shao等，2024；Xia等，2024）。在水生环境中，溶解有机质可分为本地产生的和外来输入的两种类型。本地产生的溶解有机质主要来自初级生产者的释放和分解，比如藻类来源的溶解有机质，通常富含蛋白质类化合物（Sim等，2025；Stedmon等，2007；Zhang等，2013）。外来输入的溶解有机质则来自各种流域，如污水处理厂排放的污水中的溶解有机质（Chen和Hur，2015；Liu等，2020），以及地表径流携带或洪水淹没的湖岸土壤释放的溶解有机质（Wang等，2023）。无论是本地产生的还是人为输入的溶解有机质，由于其较高的蛋白质含量以及大量易于利用的溶解有机碳、氮和磷，通常都具有较高的生物有效性。相比之下，陆地来源的外来溶解有机质则生物活性较低，含有大量腐殖质，且氮和磷含量较低（Guillemette等，2016）。不同来源的溶解有机质会调控养分的生物有效性以及氮磷比例，进而影响微生物群落结构，最终调节水生生态系统中的物质循环（Tranvik等，2009；Zhou等，2021）。

水生植物枯落物的分解是湖泊生态系统养分循环的重要驱动因素（Klok和Velde，2019；Passerini等，2016）。尤其是大型水生植物，如果不能及时清除，就会发生大规模分解，严重影响湖泊的生态恢复（Luo等，2024；Zhao等，2012）。在分解过程中，来自不同来源的、富含养分或贫养分的溶解有机质可能会引发启动效应，即当向生态系统中添加新的底物后，现有反应的速率或强度发生变化（Cheng等，2024；Fu等，2022）。迄今为止，关于水生植物枯落物分解过程中启动效应的研究大多集中在本地产生的溶解有机质或葡萄糖、氨基酸等简单碳底物上（Chen等，2025；Danger等，2013；Deng等，2023；Guenet等，2010）。这类物质通常化学组成简单，生物有效性高。有研究指出，藻类释放的大量富含氮和磷的养分可被微生物利用，进一步刺激酶的产生，加速枯落物的分解（Deng等，2023）。然而，在实际的湖泊和水库管理中，来自污水处理厂排放物或湖泊岸带间歇性洪水带来的外来溶解有机质会进入衰老的水生植被区域，但其对分解过程中养分释放的影响仍不清楚。

不同来源的溶解有机质在有机碳、氮和磷的生物降解性及化学组成上的差异，成为水生生态系统微生物群落的重要筛选因素（Blagodatskaya等，2007；Blagodatskaya和Kuzyakov，2008；Fu等，2022；Kuzyakov和Bol，2006）。微生物可以通过特定的代谢策略来适应溶解有机质所提供的碳源和养分（Guo等，2024；McDonough等，2022）。这种由溶解有机质介导的选择不仅会促使群落结构和关键物种发生变化，还会通过调节确定性和随机性过程之间的平衡来控制微生物群落的构建（Agler等，2016；Banerjee等，2018；Cai等，2025；Stegen等，2012）。以往关于微生物群落构建的研究主要集中在土壤、污泥系统以及沿海沉积物等环境中（Mao等，2024；Wei等，2024；Zeng等，2023；Zhang等，2025）。然而，水生植物分解过程中微生物群落的构建机制仍不甚清楚。因此，阐明溶解有机质驱动的微生物群落动态、群落构建机制以及分解过程中养分释放的启动效应之间的关联，对于评估生态恢复过程中大规模植物枯落物分解所带来的风险至关重要。

在本研究中，我们选择了常见的大型水生植物芦苇，通过添加不同来源的溶解有机质——藻类来源、污水来源和土壤来源——来模拟不同的微环境。我们利用荧光光谱技术和高通量测序技术，进一步探究了溶解有机质对湖泊中分解过程中养分释放及相关微生物群落的影响。因此，本研究的目标为：（1）量化不同来源溶解有机质引发的启动效应的方向和强度；（2）识别介导这些效应的关键微生物类群；（3）阐明微生物群落的构建机制。

章节节选

样品采集与预处理

2024年11月18日，我们从中国安徽的巢湖（北纬31°41′30″，东经117°26′53″）采集了湖水和植物样本。样品在4℃下运输至实验室后，通过0.22微米的聚碳酸酯滤膜过滤。随后收集到的微生物经过40倍梯度稀释，用于制备微生物接种液（Cui等，2023）。实验材料为芦苇的茎叶部分，先用去离子水冲洗，

分解过程中物质释放的启动效应

在分解过程中，pH值和溶解氧浓度在快速下降后会逐渐回升（图S1a）。具体而言，土壤来源溶解有机质处理组的pH值下降速度最慢，其溶解氧消耗量也低于藻类和污水来源溶解有机质处理组（图S1a、b）。不同来源的溶解有机质对养分释放的启动效应存在差异。在添加污水来源溶解有机质的情况下，TN的启动效应在第2天达到峰值，增幅为23.88±1.57%，而添加藻类和土壤来源溶解有机质时，这一峰值出现在第4天，增幅分别为28.37±0.90%

溶解有机质组成和底物可用性对启动效应的影响

在水生生态系统中，溶解有机质的输入会对微生物活动产生不同影响，进而影响湖泊碳库的循环（Blagodatskaya和Kuzyakov，2013；Guenet等，2012；Keiluweit等，2015）。我们的研究表明，添加藻类或污水来源的溶解有机质会促进分解过程中的养分释放，而添加土壤来源的溶解有机质则通常会减缓养分释放，从而导致负的启动效应（图2）。Laffet等

结论

本研究表明，藻类和污水来源的溶解有机质可通过调节枯落物分解，间接加速湖泊中碳、氮和磷的循环，从而加剧养分负荷和富营养化风险。相反，土壤来源的溶解有机质引发的负启动效应可能会减弱分解过程中释放的养分脉冲，减轻富营养化的压力。与氮和磷功能相关的关键细菌类群

利益冲突

作者需要披露与所提交的论文直接或间接相关的任何财务或非财务利益关系。

未引用参考文献

（da Silva Pereira等，2025）

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（52370021、41601203）、安徽省教育厅创新团队项目（2022AH010019）、安徽省科技创新平台重点科技项目（202305a12020039）、安徽省教育厅高等学校自然科学研究项目（2024AH050249）以及安徽省高校校企联合高层次人才培养项目的支持

CRediT作者贡献声明

沈慧燕：写作——审阅与编辑，指导，资源提供。张翔：指导，软件使用。陈俊豪：写作——审阅与编辑，初稿撰写，方法学，数据整理。余丽：实验研究，资金获取。李伟华：指导，资金获取，统计分析。张金：数据整理，概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。