气候变化是指由自然和人类活动引起的气候系统随时间的变化，以气候变暖为主要特征。大气中温室气体（CO₂、CH₄、N₂O 等）浓度的持续增加而导致的全球气候变暖已对水域生态系统的生物结构和生态功能产生了重大影响。我系任丽娟副研究员、韩博平教授与中国科学院南京地理与湖泊研究所吴庆龙研究员、王建军研究员、美国俄克拉荷马大学周集中教授，以及丹麦奥胡斯大学Erik Jeppesen教授合作，借助于奥胡斯大学2003年在丹麦中日德兰半岛建立的水生生态大型模拟实验系统（LMWE: AU Lake Mesocosm Warming Experiment，图1），应用功能基因芯片、生物信息学以及大数据分析平台，深入研究了气候变暖对水域微生物功能特征的影响及其与水体营养盐负荷间的关系。  

图1 丹麦奥胡斯大学建立的仿真气候变暖的增温系统

(LMWE: AU Lake Mesocosm Warming Experiment）（2003-至今）

Clear status: B, C, E and H. Turbid status: A, D, F and G.

Nature temperature: 1/blue, heating A2: 2/yellow, heating A2+: 3/red.

研究结果表明，气候变暖加剧了营养盐富集对微生物代谢潜力的影响，显着提高了微生物自养潜力、碳组分的分解潜力（例如淀粉、半纤维素、纤维素和几丁质的分解）和聚磷酸盐的合成和分解潜力。在水生态系统中，磷酸盐很容易发生沉降，水体中磷酸盐的浓度较低且容易发生波动，这在一定程度上限制了藻类生长。本研究表明微生物在水体磷充足时潜在的“聚磷”（聚磷酸盐的合成：基因ppk）作用和在水体磷匮乏时“释磷”（聚磷酸盐的降解释放：基因ppx）过程是支撑藻类在磷浓度波动环境中持续增殖的潜在微观机制（图2）。同时，本研究还观察到气候变暖增强了营养盐富集对微生物功能基因结构的影响。气候变暖与营养盐富集的联合作用增加了藻类对微生物群落构建的确定性效应（图3），导致在基于相关性的网络中参与碳、氮、磷和硫循环的微生物功能基因具有更高的连接度。本研究首次证实了长期气候变暖和营养盐富集的联合作用显著促进了春季光合微生物的碳供应和异养微生物的碳需求间的耦合强度，改变了水体的碳通量。这一研究结果表明宏观生态学中的“match–mismatch”理论同样适用于微生物生态学，即光合微生物和异养微生物对温度的敏感性不同，这使得光合微生物的自养碳固定效率与异养微生物的碳消耗能力不同步，造成了碳通量的改变（图2）。相关研究成果于2021年4月发表在国际海洋与湖沼期刊（Lijuan Ren, Yuanyuan Liu, Torben L. Lauridsen, Martin Søndergaard, Boping Han, Jianjun Wang, Erik Jeppesen *, Jizhong Zhou, Qinglong L. Wu * (2021). Warming exacerbates the impact of nutrient enrichment on microbial functional potentials important to the nutrient cycling in shallow lake mesocosms. Limnology and Oceanography, 66: 2481-2495.）

图2 气候变暖和营养盐加富对微生物群落介导的水体碳氮磷硫循环的相关功能基因代谢潜力的影响  

图3 微生物群落介导的水体碳氮磷硫循环的相关功能基因与环境因子间的耦合关系

以上研究是欧盟AQUACOSM-plus（Network of Leading Ecosystem Scale Experimental AQUAtic MesoCOSM Facilities Connecting Rivers, Lakes, Estuaries and Oceans in Europe and beyond）项目的组成部分。该项目由全球15个国家（法国、德国、英国、芬兰、丹麦、澳大利亚等）组成，在全球尺度上共同建立了水生生态大型模拟实验系统网络，连接了欧洲及全球其他地区的河流，湖泊，河口和海洋等水域生态系统。同时这项工作得到了国家自然科学基金（91951000、416210002、31870445）、中国科学院前沿科学重点研究计划（QYZDJ-SSW-DQC030）和湖泊与环境国家重点实验室开放基金（2018SKL007）的资助。