湖泊溶解有机碳内外源比率的变化对浮游细菌碳代谢过程的影响

Lake is one of the environmental and ecological integrity of its catchment. The metabolic process of organic carbon is one of the key steps in carbon cycling and energy flow in the lake. The relative contribution of terrestrial and algal carbon in the dissolved organic carbon (DOC) pool, which will induce the alternative strategies of resource utilization and allocation of algal versus terrestrially derived carbon (C) by lake bacterioplankton. To test the hypothesis, microcosms will be built up based on the parameters obtained from the field sampling, in which 30 to 40 middle size shallow lakes will be selected from the Middle-downstream region of Yangtze River. We will quantify the consumption of terrestrial and algal dissolved organic carbon, and the subsequent allocation of these pools to bacterial growth and respiration, based on the δ13 C isotopic signatures of bacterial biomass and respiratory carbon dioxide (CO2). Metatranscriptomic analysis of bacterioplankton samples from the microcosms and lakes will give us hints of bacterial linkages and functional genes which actively reacting to the changing ratios of terrestrial and algal carbon. Including the two aspects, we will try to explain the effect magnitude and mechanism of autochthonous and allochthonous DOC on the carbon metabolism of bacterioplankton community. This project will be helpful to predict the impact of organic carbon metabolism to the lake food web as well as the universe ecosystems. And it will be also useful to promote the investigation of material cycling and energy flow at the whole catchment scale.

湖泊作为流域生态环境的综合体，其有机碳的分解代谢过程与区域的碳循环紧密相关。湖泊中溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)内外源比率的变化，可能影响细菌群落在生产和呼吸过程中对不同碳源的利用策略。本研究在对多个浅水湖泊开展野外调查的基础上，定量构建模拟内外源DOC比率变化的试验体系。针对湖泊原位调查和模拟试验样品，运用δ13C稳定同位素技术，分析不同碳源经细菌代谢后在生物体和呼吸产物(CO2)中的相对贡献率；运用宏转录组学手段，分析活性细菌类群和功能基因表达对DOC内外源比率变化的响应模式。通过上述研究揭示湖泊DOC来源的变化对浮游细菌碳代谢过程的影响及其机制。本项目的实施有助于阐明DOC的分解转化对湖泊食物网以及整个生态系统的影响，也有助于推动流域尺度上生态系统碳循环和能量流动的研究。

湖泊浮游细菌利用溶解性有机碳溶解有机碳(dissolved organic carbon, DOC)进行自身生产以及呼吸的过程，是湖泊乃至整个流域碳循环和能量流动的重要环节。湖泊中DOC内外源比率的变化，可能影响细菌群落在生产和呼吸过程中对碳源的利用策略。本研究在对多个浅水湖泊开展野外调查的基础上，定量构建模拟内外源DOC比率变化的试验体系。针对湖泊原位调查和模拟试验样品，运用δ13C稳定同位素技术，分析不同来源DOC经细菌代谢后对生物体和呼吸产物(CO2)的相对贡献；运用转录组学手段，分析活性细菌类群对DOC内外源比率变化的响应模式。.取得的主要进展有：i)野外调查初步探明浮游细菌生产和呼吸过程的碳代谢特征，内源碳主要被分配用于细菌的呼吸过程，外源碳主要被分配用于细菌的生产过程。ii)模拟实验揭示浮游细菌代谢过程对碳源组成变化的响应，特别是外源碳主导的湖泊浮游细菌对内源碳比例升高更为敏感，集中体现在呼吸过程消耗的碳量显著升高，内源碳对生产和呼吸代谢贡献比例均显著增加，而且升温的叠加效应对生产代谢的促进也更为显著。iii)获得对内外碳源比例变化和升温存在响应的指示细菌类群。iv)发现微生物的碳源利用特征与系统发育类型和生存环境有关，分离自不同湖泊但有相似16S rRNA基因序列的菌株（相似度>99.0%）存在碳源利用的差异，可能与菌株在各自生存环境中的长期适应性进化有关。.本研究的科学意义在于：i)丰富了对于湖泊浮游细菌碳代谢策略的认识，不仅在湖泊类型而且在形成机制上拓展了对浮游细菌碳代谢过程的认知；ii) 为构建模型预测湖泊生态系统温室气体源汇特征演化，提供基础的实验数据支撑。本研究模拟湖泊初级生产力增加以及升温这2个对湖泊可能产生重要影响的环境变化，发现细菌呼吸代谢对碳源和温度的敏感性，其动态变化将直接影响湖泊的CO2源汇特征。