惰性溶解有机物（RDOM）具有特定的化学结构，可以抵抗微生物的快速降解，从而在环境中滞留长达数百年或千年，因此对当代碳封存具有重要意义。水体RDOM的产生非常复杂，与微生物活动密切相关。众所周知，基于海洋研究提出的微生物碳泵（MCP）提供了一个描述微生物驱动活性DOM到RDOM转化的框架，但许多具体过程仍不清楚。在内陆水体中，诸如RDOM如何抵抗微生物降解、微生物相互作用和病毒裂解以及原生生物放牧和繁殖如何调节RDOM的产生等，这些潜在的微生物调控RDOM形成的机制更是知之甚少。这极大地限制了对RDOM生物地球化学过程的理解和科学评估内陆水体的自然碳汇潜力。
我院王宝利课题组对全国空间尺度上的内陆水体进行了调查（图1），测定了其水体和沉积物中DOM的光学和质谱特征，确定了其中微生物（细菌、古菌、真核生物和真菌）群落组成，微生物碳、氮、磷和硫循环功能基因以及相关的环境因素，来了解内陆水体RDOM的微生物调控机制；并且结合碳稳定同位素分析和RDOM标志物阐述相关的碳生物地球化学过程。
图1. 内陆水体采样点及其DOM特征
结果发现，RDOM的产生主要受微生物群落的系统发育和群落组装的调节，而不是内陆水域的其他环境因素。生物统计分析和碳同位素证据表明，从活性DOM到RDOM（例如富含羧基的脂环族分子，CRAMs）的微生物连续处理过程在内陆水体广泛存在，主要体现在微生物介导的碳骨架周转和杂原子转化过程。CRAMs与变形菌和放线菌的比例之间存在显著的经验函数关系，突显了内陆水体中细菌的种内相互作用较其他微生物群（即古菌、真核生物和真菌）对RDOM的生产更重要（图2）。真核生物和真菌中一些相对丰度低于1%的微生物门与CRAMs显著相关，可能是与RDOM形成相关的重要“种子库”。
图2. 微生物调控RDOM的产生机制
水体和沉积物具有各自的RDOM代谢特点，并基于DOM-微生物网络相互关联（图3）。在水体中，微生物驱动的快速碳周转可以主导DOM代谢的复杂过程，打破了RDOM的进出平衡。产生的RDOM以及陆源可抵抗微生物降解的DOM被运输到沉积物中并储存，有助于百年或千年尺度上的碳封存。CRAMs、多酚和多环芳烃是沉积物DOM的重要组成部分，含水量的增加会促进它们的储存（图3A）。基于共生网络（图3B），发现沉积物中的特定微生物群落与水中特定的DOM组成有关，这意味着沉积物中的微生物行为也可以通过水文连通性影响水中的碳周转。因此，在估算内陆水体的碳封存潜力时，与RDOM微生物形成作用相关的沉积物-水界面过程不容忽视。
图3. （A）内陆水体CRAMs及其影响因素的相关性桑吉图（B）水体与沉积物之间DOM-微生物共生网络
研究证明了微生物调节在内陆水体RDOM生产中的重要作用，有助于未来对内陆水生生态系统碳封存潜力的评估。实验室培养实验为微生物驱动的RDOM形成提供了直接证据。目前，可培养微生物很少，且微生物存在复杂的相互作用。因此，实地调查必不可少。我们的研究只是对内陆水域复杂的微生物调节RDOM形成的初步了解。未来，只有将广泛的实地调查与实验室培养实验相结合，才能充分了解这些复杂的过程。
目前该成果已在《Water Research》上发表。天津大学地科院李婉珠博士为第一作者，王宝利教授为通讯作者。该成果得到国家自然科学基金（42293264、42293262）和国家资助博士后研究人员计划（GZC20241196）等联合资助。
文章信息：Wanzhu Li, Baoli Wang, Na Liu, Xinjie Shi, Meiling Yang, Cong-Qiang Liu. 2024. Microbial regulation on refractory dissolved organic matter in inland waters. Water Research. 262:122100. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122100
