典型气候带湖泊微生物群落形成机制及其与碳循环的耦合

Lake sediments are important sources and sinks of global carbon and play an important role in the carbon cycle. The nutrient enrichment caused by human activities changes the primary productivity, which in turn affects the carbon storage capacity of sediments and the carbon cycle mediated by microorganisms. Therefore, it is pivotal to explore the underlying mechanisms of microbial community assembly under nutrient loading and their influence on sediment carbon cycle. Here, we proposed to select the lakes from typical climate zones along China-Europe continental latitudinal gradient, and to conduct field observations and the associated in-situ microcosm experiments with reference to the level of nutrients in Taihu Lake. Combining previous studies and experimental samples, we will examine sediment carbon storage and composition, carbon cycle-related enzyme activity, microbial community diversity, and carbon metabolism diversity, and explore the characteristics of microbial community assembly processes under different nutrient enrichment and climatic conditions, and further reveal the coupling of microbial communities and carbon cycle. The project helps to understand the underlying mechanisms of microbial community assembly across natural climate zones and nutrient loadings, and their coupling with organic carbon compositions, and to reveal the impact of climatic factors and human activities on sediment carbon, and finally to provide scientific theoretical references for the aquatic biogeochemical cycles driven by microorganisms.

湖泊沉积物是全球碳的重要源与汇，在碳循环中起重要作用。人类活动引起的水体营养盐富集已成常态，改变了湖泊初级生产力等，进而对沉积物的碳储存能力和微生物介导的碳循环产生影响。因此，探讨营养盐负荷下微生物群落的形成及其对沉积物碳循环的影响机制极为重要。拟选取中国-欧洲大陆纬度梯度条件下的典型气候带湖泊为研究对象，以太湖营养盐水平为参考，通过现场调查及相应的野外原位实验，结合已有工作基础和实验样品，考察沉积物碳储量和组成、碳循环相关酶活性、微生物群落多样性和碳代谢多样性等，探讨在不同营养盐负荷和气候带条件下的沉积物微生物群落形成特征，揭示微生物群落与碳循环的耦合机制。本项目有助于认识自然气候梯度和营养盐负荷环境中微生物群落构建机制及其与有机碳组成的耦合，揭示气候因素和人类活动的交互作用对沉积物有机碳影响的生物学机制，为水体生物地球化学循环提供科学依据。

作为水体生态系统中的重要组成部分，微生物的多样性空间分布格局及其群落形成机制的研究是必不可少的环节，也是进一步理解微生物介导的生物地球化学循环的基础。本研究选取亚欧非大陆典型气候带梯度下的水体微生物为研究对象，通过现场调查及野外实验，结合已有工作基础和实验样品，先后考察墨脱、横断山、祁连山、乞力马扎罗山、比利牛斯山、北极圈等气候带迥异的地区并开展现场调研和野外实验，发现了微生物beta多样性和功能多样性随海拔梯度具有可预测的分布规律，探讨了营养盐负荷和气候条件下的水体微生物群落形成特征；创新群落构建和微生物介导的碳循环研究方法，建立一种新的群落构建研究方法，开展水体生态系统微生物群落与功能的研究，揭示了微生物多样性与涉及元素循环的生态系统功能之间的偶联特征，揭示微生物多样性的海拔梯度分布格局、驱动要素和维持机制，预测了在未来气候模式下亚欧大陆功能基因多样性的变迁；建立一种基于物种水平的微生物性能对环境变化响应的定量方法Effect Size qSIP，提出了一种分析有机碳-微生物耦合关系研究的分析框架EDTiA，从全新的研究视角，阐明内陆水体微生物与有机碳的时空格局、耦联机制、环境响应、生态效应及碳源汇转换的微生物学机理等前沿科学问题，揭示水体碳循环对全球变化的响应特征及其生物驱动机制。最后，基于文献资料荟萃、数据再分析和挖掘等，完成有关山地生态系统微生物群落与功能的综述邀稿，揭示全球山地水体和陆地生物群落和功能多样性的分布格局和驱动机制。依托本项目，已接受/发表论文23篇，其中SCI论文21篇，包括Global Ecology and Biogeography, ISME Journal, Microbiome, Environmental Microbiology, Environmental Pollution等知名刊物; 在Ecological Indicators杂志组织了有关水体生物多样性与功能的专辑。研究成果被遴选为封面论文，入围“ISME杂志2020年度最佳论文奖”评选，应邀为为“Behind the Paper”专栏撰写文章，参与获得2019年度江苏省科学技术奖一等奖。申请了7项发明专利。培养博士后3名，博士毕业生1名，硕士研究生5名。