预测气候变化对全球冰川河流微生物群的影响

关于气候变化如何影响冰川补给流（gfs）微生物群，人们知之甚少。在这里，作者使用基于全球GFS宏基因组、气候和环境数据的建模框架预测了GFS细菌生物量和多样性的未来增加，但适应极端条件的分支的潜在损失。

　　

气候变化如何重塑全球冰川融水溪流微生物群落？—— 一项前沿研究解读

在全球气候变化的大背景下，冰川融水溪流（GFSs）生态系统正经历着深刻变革。来自瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）河流生态系统实验室等多个机构的研究人员，在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Predicting climate - change impacts on the global glacier - fed stream microbiome” 的论文。该研究通过构建模型框架预测未来 GFSs 微生物群落变化，为理解气候变化对这一独特生态系统的影响提供了关键见解，对生态保护、水资源管理及全球生物地球化学循环研究意义重大。

一、研究背景

预测气候变化对生物多样性的影响已成为生态学研究重点，但气候变化微生物学尚处起步阶段，尤其在预测整个微生物群落对气候变化的响应方面。尽管微生物在生态系统功能中作用关键，且整合了环境信息，可用于预测生态系统变化，但目前针对溪流和河流微生物群落受气候变化影响的研究较少。

GFSs 作为全球重要淡水来源，为众多人口提供水资源，也是全球生物地球化学循环的关键环节。然而，冰川退缩使 GFSs 生态环境改变，威胁到依赖其生存的生态群落。微生物生物膜是 GFSs 生态系统的重要组成部分，支撑着较高营养级的生物多样性，调控着生态系统过程。此前研究虽表明冰川退缩可能影响 GFSs 微生物的有机物分解和能量代谢方式，但缺乏对其微生物群落结构和功能在未来气候变化情景下变化的预测。

二、研究材料与方法

（一）样本采集

“消失的冰川” 项目于 2019 年 1 月至 2022 年 7 月，在全球多个山脉的 164 条 GFSs 采集样本，涵盖欧洲阿尔卑斯山、喜马拉雅山等山脉。每个 GFSs 选取上下游两个采样点，采集沉积物样本，并测量相关环境参数，包括水温、pH 值、电导率等，还测定了底栖叶绿素 a 和细菌丰度。

（二）数据获取

研究使用的气候数据来自 CHELSA 数据库，包括当前和未来不同共享社会经济路径（SSP）情景下的气候数据；冰川学数据通过全球冰川演化模型（GloGEM）获取；对 155 个沉积物样本进行宏基因组测序，经一系列处理得到 2333 个细菌宏基因组组装基因组（MAGs），并进行功能注释和分类学鉴定。

（三）模型构建

构建广义相加模型（GAM）预测环境参数、微生物生物量和多样性指标变化，以气候、冰川学等多方面数据为协变量，通过自动特征选择确定关键变量。构建菌株分布模型预测 2333 个 MAGs 的丰度变化，构建 KO 丰度模型预测微生物群落功能变化，同样使用 GAM 并结合弹性网络回归，减少过拟合。

三、研究结果

（一）气候导致冰川融水溪流环境变化

研究人员利用基于 GloGEM 和 CHELSA 的建模框架，结合实测数据预测未来 GFSs 环境变化。结果显示，到本世纪末，在 SSP3 情景下，所有研究的 GFSs 中，溪流水温中位数预计上升 306.7%，电导率上升 88.2%，而浊度中位数将下降 44.4% 。可溶性活性磷和溶解无机氮的中位数浓度分别下降 14.1% 和 11.5%，pH 值降低 2.8%。这些变化表明，冰川退缩减少了侵蚀和风化作用，进而影响了溪流水的物质组成，对微生物群落产生重要影响。

（二）生物多样性随冰川融水溪流绿化而变化

通过模型预测，到本世纪末，底栖叶绿素 a（藻类生物量指标）预计显著增加 339.7%，细菌丰度增加 88.5% ，表明 GFSs 正变得更加 “绿色”。这主要是因为冰川产生细颗粒沉积物能力下降，减少了对光合作用的光限制。同时，细菌群落的香农多样性指数预计增加 6.2% ，且细菌多样性、细菌丰度与叶绿素 a 呈正相关，说明初级生产的增加维持了更高的微生物多样性。从系统发育结构来看，平均最近分类单元距离和平均系统发育距离预计分别增加 3.5% 和 3.2%，表明未来 GFSs 微生物群落的末端系统发育聚类将减少，系统发育分支将发生更深层次的变化，可能是由于新分类群的建立。

（三）气候变化改变菌株分布

构建的菌株分布模型预测了 2333 个菌株的未来丰度分布。结果显示，64.7% 的菌株丰度预计增加，只有 5.3% 保持不变，Gamma - 和 Alphaproteobacteria 这两类在当前 GFSs 微生物群落中占主导地位的细菌，预计丰度增加最大。一些目前低丰度的菌株，如 Gemmatimonadetes 和 Paceibacteria，相对丰度增加幅度较大。同时，30% 的菌株丰度预计下降，与这些菌株相关的重要预测变量包括年积雪覆盖持续时间、距冰川距离等，且系统发育关系密切的菌株丰度变化更相似，表明适应冰冻圈环境的细菌未来面临丰度下降风险，一些大型进化枝可能消失，微生物群落组成和系统发育结构将发生深刻重组。

（四）与丰度下降相关的基因组特征

对比预测丰度下降和增加（或不变）的菌株，发现丰度下降的菌株基因组通常较小，但编码的 KEGG 直系同源组（KOs）更多，KO 冗余度更低，这可能是对当前 GFSs 环境的适应。通过随机森林分类器和富集分析，确定了与丰度下降菌株相关的 408 个 KOs，这些 KOs 在生物膜形成和冷适应相关功能中尤为突出，且 KEGG 碳水化合物代谢和能量代谢类别显著富集。这表明随着 GFSs “绿化”，碳源转变，依赖化学自养代谢的微生物可能减少，而异养代谢微生物可能增加。

（五）功能潜力的改变

构建 6226 个 KO 丰度模型预测微生物群落功能变化，45.7% 的 KOs 预计丰度增加，38.4% 预计减少。光合作用及相关途径、硒化合物代谢等代谢途径中 KOs 预计增加，可能与未来 GFSs 浊度降低、光照增加有关；而蛋白质加工、鞘脂代谢等途径中 KOs 预计减少。这表明未来 GFSs 微生物群落功能将发生重大重组，可能影响生态系统的分解和养分循环等功能。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

本研究通过构建层次化机器学习模型框架，预测了不同气候变化情景下全球 GFSs 微生物群落结构和功能的变化。研究发现，气候变化导致的冰川退缩将缓解 GFSs 微生物群落的环境限制，但使适应极端环境的微生物进化枝面临风险。同时，微生物群落功能将发生转变，趋向于光获取途径和翻译功能，与 GFSs 的 “绿化” 趋势一致。

（二）讨论

研究虽存在一定局限性，如物种分布模型可能存在变量缺失和过拟合问题，但通过对 GFSs 环境和微生物群落的先验知识、交叉验证和集成建模，使研究结果具有一定可靠性。未来需更多实地考察和长期观测，进一步验证模型预测结果，深入理解气候变化对 GFSs 微生物群落的影响机制。

该研究的重要意义在于，首次在全球尺度上预测了 GFSs 微生物群落对气候变化的响应，为深入了解这一脆弱生态系统在气候变化下的演变提供了依据。研究结果有助于制定针对性的生态保护策略，合理管理冰川融水资源，也为全球生物地球化学循环研究提供了关键数据，推动了气候变化微生物学领域的发展。