空氣中的豐富和稀有的古菌類群在城市細顆粒物（PM2.5）中展現出不同的群落組裝模式
《Atmospheric Pollution Research》：Airborne abundant and rare archaeal taxa exhibit distinct patterns of community assembly in urban PM
2.5
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時間：2026年03月02日
來源：Atmospheric Pollution Research 3.5
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古菌群落分析表明南昌PM2.5中豐富類群（AT）占比74.5%，條件稀類群（CRT）和稀類群（RT）分別占36.7%和58.38% ASVs。溫度是主要環境驅動因素，AT組裝以隨機過程為主（MST=0.566），CRT和RT受確定性過程主導（R2=75.41%）。共現網絡和生態位分析顯示豐富類群在維持微生物共現和適應環境變化中起關鍵作用。
潘圓圓|柯欣|左志偉
中國華東理工大學江西省地下水污染生成與修復重點實驗室，南昌 330013
摘要
大氣是微生物擴散的中間介質。與細菌和真菌相比，人們對空氣中的古菌群落了解較少。在這項研究中，我們利用針對古菌的特異性引物進行了高通量測序，研究了空氣中的古菌組成、影響其分布的環境因素及其組裝機制，特別是比較了豐富型（AT）、條件性稀有型（CRT）和稀有型（RT）古菌之間的差異。在南昌市，超過90%的PM2.5中的古菌屬于Nitrososphaeria類（如Candidatus_Nitrocosmicus和Candidatus_Nitrososphaera）、Methanobacteria類（如Methanobrevibacter）和Halobacteria類。豐富型古菌占古菌總數的74.5%，而條件性稀有型和稀有型古菌的多樣性更高，分別占ASVs數量的36.7%和58.38%。稀有型古菌與環境因素的關聯也更強。豐富型古菌的組裝主要受隨機過程支配（MST=0.566），而條件性稀有型和稀有型古菌的組裝則受確定性過程影響較大（R2=75.41%）。溫度是影響空氣中古菌亞群組裝的關鍵因素。此外，共現網絡和生態位寬度分析表明，豐富型古菌在維持微生物共現模式方面起著更重要的作用，并且受環境變化的影響較小。這些結果有助于我們理解空氣中的古菌多樣性和其組裝機制。
引言
大氣是一個開放系統，是微生物從地表傳輸到空氣中的主要途徑（Fr?hlich-Nowoisky等人，2016年）。這些空氣中的微生物的物理化學過程及其對健康的影響引起了廣泛關注。微生物群落的作用通常由其組成、活性和豐度決定。先前的研究表明，空氣中的微生物主要包括細菌、真菌、古菌和雙鏈DNA病毒（Cao等人，2014年；Zhai等人，2018年）。與細菌和真菌相比，人們對空氣中的古菌群落了解較少。古菌存在于多種生境中，如水生和土壤環境（Flemming和Wuertz，2019年），這些是空氣中的主要微生物來源（Zhai等人，2018年）。特別是在生態系統中，古菌在氮循環（如氨的氧化）和碳循環（如甲烷的產生和氧化）中起重要作用（Offre等人，2013年）。值得注意的是，先前的研究還表明，古菌群落組成與人類疾病（如炎癥性腸病和牙周炎）有關（Belmok等人，2020年；Geesink和Ettema，2022年）。人類可能通過吸入空氣中的顆粒物接觸到古菌。因此，揭示空氣中的古菌多樣性和組成有助于我們理解它們的生態功能和健康風險。
越來越多的證據表明，微生物的分布通常不平衡（Delgado-Baquerizo等人，2018年；Li等人，2023年；Wang等人，2023年）。也就是說，在細菌或真菌群落中，少數OTUs/ASVs具有較高的相對豐度（稱為豐富型古菌），而大多數具有較低的相對豐度（稱為稀有型古菌）。此外，多項研究表明，豐富型和稀有型古菌具有不同的組成和生態功能（Wang等人，2020年；Xiong等人，2021年；Wang等人，2024年）。豐富型古菌是生物地球化學循環的主要驅動者，而稀有型古菌則是功能多樣性的儲存庫（Jiao和Lu，2020a）。然而，很少有研究探討空氣中豐富型和稀有型古菌的結構和作用。
目前，群落生態學的一個熱門研究方向是揭示微生物的組裝機制（Zhou和Ning，2017年）。隨機過程包括生物的誕生、死亡、物種形成和遷移，反映了物種的隨機變化。相比之下，確定性過程塑造了微生物群落結構，包括微生物之間的相互作用（競爭或合作）或環境過濾（Stegen等人，2013年；Wang等人，2023年）。中性群落模型（NCM）和標準化隨機性比率（NST）已被開發用于評估和量化微生物群落中的隨機和確定性過程（Burns等人，2016年；Ning等人，2019年）。這些模型已廣泛應用于自然生態系統（Chen等人，2019年；Wang等人，2023年；Wang等人，2024年）。在大氣環境中，這兩種模型也揭示了細菌和真菌群落的組裝機制（Zhou等人，2021年；Li等人，2023年）。也有研究針對空氣中的古菌組裝進行了探討（Niu等人，2021年；Zhou等人，2021年）。因此，這些模型可以有效地用于揭示空氣中豐富型和稀有型古菌亞群的組裝過程。
空氣污染物和氣象條件已被證明會影響空氣中的細菌和真菌群落結構（Zhai等人，2018年；Jiang等人，2022年；Li等人，2023年），這可能進一步驅動它們的組裝。一方面，它們為微生物的生長和繁殖提供了適宜的條件，如營養物質、溫度或相對濕度（Zhai等人，2018年）；另一方面，它們影響微生物的氣溶膠化過程。例如，降雨或人類活動釋放的空氣污染物可能會促進或抑制微生物的氣溶膠化（Jiang等人，2022年）。此外，豐富型和稀有型古菌通常對環境變量有不同的響應（Liu等人，2015年；Liang等人，2020年；Li等人，2022年）。然而，關于影響空氣中古菌亞群及其組裝的環境因素的研究尚不多。
南昌是中國江西省的省會，人口超過600萬。冬季經常發生霧霾天氣。例如，在2023-2024年冬季，空氣質量指數（AQI）在12到196之間波動。這種巨大的AQI變化為研究空氣中的古菌與環境因素的關聯提供了理想的條件。因此，我們的主要問題如下：（i）空氣中豐富型（AT）、條件性稀有型（CRT）和稀有型（RT）古菌的一般分布模式是什么；（ii）這三個亞群之間的環境關聯有何不同；（iii）這三個亞群的組裝有何差異及其驅動因素是什么？為了解決這些問題，我們在2023-2024年冬季在南昌進行了為期一個月的野外調查。使用高通量測序技術對古菌群落進行了分析。我們的目標是擴展對空氣中古菌群落結構及其組裝機制的認識。
部分內容
PM2.5樣本收集和空氣質量參數
在南昌市（北緯28.72°，東經115.82°）一個距離地面約15米的屋頂平臺上，使用配備PM2.5分級入口的高容量采樣器（KC-1000，青島嶗山電氣有限公司）收集了顆粒物（空氣動力學直徑≤2.5 μm）。周圍地區主要為居民區，沒有明顯的污染源。每個樣本連續采集23.5小時，采集了約1480立方米空氣，并將其過濾到石英濾膜上（8英寸×10英寸）。
空氣中古菌的一般特征
在南昌市的PM2.5中檢測并分類出了2561個ASVs。其中99%的ASVs被歸類到8個門中。主要包括Crenarchaeota、Halobacterota、Euryarchaeota和Thermoplasmatota，占古菌總數的97%以上（圖1a）。圖1b顯示了前十個門，包括Nitrososphaeria、Methanobacteria、Halobacteria等。然而，如圖1所示，古菌群落的組成是波動的。
討論
一些先前的研究關注了空氣中的古菌（Fr?hlich-Nowoisky等人，2014年；Wehking等人，2018年；Niu等人，2021年），發現空氣中約有50-600個古菌OTUs，它們被歸類到2到7個門中，包括Euryarchaeota、Thaumarchaeota和Crenarchaeota等。在這項研究中，我們發現了2561個ASVs，它們被歸類到8個以上的古菌門中（圖1）。Crenarchaeota是最主要的門，其次是Halobacterota
結論
我們的研究揭示了南昌市PM2.5中豐富型、條件性稀有型和稀有型古菌不同的環境響應和組裝機制。豐富型和條件性稀有型古菌的環境關聯較弱，而稀有型古菌的組裝主要受隨機過程支配。對于條件性稀有型古菌，隨機和確定性過程都起到了重要作用。
CRediT作者貢獻聲明
潘圓圓：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，方法學研究，資金獲取。柯欣：撰寫 – 審稿與編輯，形式分析。左志偉：撰寫 – 審稿與編輯，實驗研究
未引用參考文獻
Edgar等人，2011年；G?Ker和Oren，2024年；Lynch和Neufeld，2015年；Wilson和Hayek，2015年。
利益沖突聲明
? 作者聲明沒有已知的利益沖突或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（編號：31900106）和江西省自然科學基金（編號：20242BAB20155）的支持。
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