在自然生态的系统中，微生物不仅是物质循环的核心参与者，也是调节生态系统功能的重要力量。微生物之间错综复杂的相互作用，尤其是它们如何影响生态系统中的掉落物分解、碳循环等关键生态过程，长期以来都是生态学研究的焦点。近期，发表于Ecology Letters的一项研究提供了新的视角，揭示了微生物互作在环境胁迫条件下如何影响生态系统的功能。该研究由加州大学欧文分校的Brittni L. Bertolet等人主导，采用了创新的模拟方法，揭示了气候变化中的干旱等极端气候事件对微生物生态作用的深远影响。内容简介全球气候变化，尤其是频繁的极端气候事件（如干旱和热浪），正对地球生态系统的微生物群落结构和功能产生深刻影响。不同微生物物种之间通过竞争、合作或互惠等方式相互作用，这些互作直接决定了整个微生物群落的生态功能。然而，气候变化尤其是极端气候，如何改变微生物的生存状态，并进一步影响其互作和生态功能，仍然是悬而未决的科学问题。通过改变环境湿度、温度等因素，气候变化可能加剧微生物之间的负面竞争，或增强它们之间的合作，从而影响生态系统的功能。尤其是在干旱等胁迫条件下，微生物的资源获取能力和逆境耐受能力会发生变化。
图1. DEMENT模型与本研究的实验设计。为了更好地理解微生物互作对生态系统功能的影响，本研究使用了一种名为“DEMENT”（Decomposition Model of ENzymatic Traits）的微生物模拟器。该模拟器可以精确模拟微生物群落中的物种互作，尤其是它们如何通过生产胞外酶分解凋落物等有机物，并将这些资源转化为可供微生物利用的营养物质。DEMENT模拟器的优势在于，它可以通过模拟不同物种的资源获取能力、酶生产水平以及耐干旱等性状，系统地预测微生物群落在不同气候条件下的功能表现。在本研究中，研究人员通过模拟三种不同的气候情景（湿润、常规、干旱），探索了微生物互作对生态系统功能的影响。具体来说，研究人员在每种气候情景下设计了50个不同的微生物群落，并进行了大规模的排除实验，系统地分析了每一个微生物物种在不同气候条件下对生态功能（例如凋落物分解率）的影响。研究结果表明，环境胁迫，尤其是干旱，显著增强了微生物物种之间的交互作用，并对生态系统功能产生了深远影响。在湿润条件下，微生物群落的分解速率为286.7 ± 1.1 mg C/cm³，而在常规气候条件下，这一数值略微下降至270.7 ± 10.9 mg C/cm³。然而，干旱条件下的分解速率显著降低，降至223.2 ± 24.2 mg C/cm³。这一结果表明，干旱胁迫不仅降低了微生物的活动水平，还通过限制资源的可获取性，减缓了整个生态系统的功能。进一步分析表明，干旱胁迫会放大微生物互作的影响，无论是正向还是负向影响，尤其是正向影响更加显著。在干旱条件下，能够产生大量胞外酶的微生物对分解的贡献更大，而一些具有“投机”行为的微生物（即那些利用他人生产的胞外酶但不自己生产的微生物），则对生态系统功能产生了较大的负面影响。相较之下，在湿润和常规气候条件下，这些“投机”微生物的影响则较小，甚至在某些情况下，其他微生物可以弥补它们的缺失。
图2. 预测微生物物种对群落动态与生态系统功能影响的一般性框架。研究的一个关键发现是，微生物的资源获取特征（如胞外酶生产能力）在决定其对生态系统功能的影响中起着至关重要的作用。通过对不同微生物物种的排除实验，本研究发现，即使某些微生物物种之间存在负面互作，它们也可能通过促进整体生态功能的方式间接对生态系统产生积极影响。例如，尽管一些具有较高胞外酶生产能力的微生物在排除其他物种后可能会减少与其他物种的竞争，但它们通过增加提高分解速率，最终对生态系统的碳循环和物质循环起到了促进作用。此外，研究还发现，群落中的功能性缓冲能力，即某一物种对生态系统的影响能否被其他物种的能力所弥补（即功能冗余），也在很大程度上决定了气候变化下生态系统功能的稳定性。在干旱条件下，能够产生胞外酶的微生物对生态系统功能的影响更加显著，而当整体微生物群落的胞外酶生产能力较高时，个别物种的丧失对生态系统功能的影响较小。本研究的成果提供了一个新的框架，用以预测在全球气候变化背景下，微生物互作如何影响生态系统的功能。特别是，在干旱等极端气候条件下，微生物的资源获取能力和逆境耐受能力对生态系统的影响愈加重要。这一发现不仅对理解微生物在生态系统中的角色具有重要意义，还为未来应对气候变化带来的生态系统变化提供了理论支持。参考文献Bertolet, B. L., Rodriguez, L. C., Murúa, J. M., Favela, A., & Allison, S. D. (2024). The impact of microbial interactions on ecosystem function intensifies under stress. Ecology Letters, 27(10), e14528.
