土壤與水體作為地球表層系統(tǒng)的核心載體，孕育了地球上最豐富的微生物資源。每克土壤中棲息著數(shù)十億微生物，每升水體中也存在數(shù)百萬個微生物個體，這些微生物通過復(fù)雜的種間互作形成群落，驅(qū)動著元素循環(huán)、污染物凈化、生態(tài)修復(fù)等關(guān)鍵地球生命活動。近年來，隨著高通量測序、宏基因組學(xué)及微生物建模技術(shù)的突破，解析土壤與水體微生物群落的結(jié)構(gòu)特征、揭示其生態(tài)功能關(guān)聯(lián)，已成為環(huán)境生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。本文將系統(tǒng)梳理兩大生境中微生物群落的研究熱點，剖析結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系，并展望技術(shù)應(yīng)用前景。
微生物群落研究的突破首先依賴于技術(shù)手段的迭代。傳統(tǒng)培養(yǎng)方法僅能捕獲不到 1% 的微生物類群，而現(xiàn)代多組學(xué)技術(shù)與計算模型的結(jié)合，實現(xiàn)了從 "知其然" 到 "知其所以然" 的跨越，構(gòu)建了完整的研究技術(shù)鏈條。
高通量測序技術(shù)：16S/18S rRNA 基因擴增子測序仍是解析群落組成的基礎(chǔ)工具，可快速獲得土壤 / 水體中細菌、古菌及真菌的物種豐度與多樣性信息。例如，通過該技術(shù)發(fā)現(xiàn)鹽堿地土壤中，當鹽堿度從 0.1% 增至 5% 時，細菌群落 α 多樣性顯著下降，而叢枝菌根真菌（AMF）群落 α 多樣性反而提升。宏基因組測序則能進一步揭示群落的功能基因譜，如在污染土壤中可直接檢測到多環(huán)芳烴降解相關(guān)的功能基因簇。
單細胞與可視化技術(shù)：單細胞基因組測序突破了微生物培養(yǎng)限制，可直接從環(huán)境樣本中獲取未培養(yǎng)菌株的基因組信息，明確其系統(tǒng)發(fā)育地位與潛在代謝功能；熒光原位雜交（FISH）技術(shù)則能實現(xiàn)微生物在土壤團聚體或水體顆粒物上的空間定位，揭示群落的微生境分布特征。
穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)：該技術(shù)通過標記污染物或營養(yǎng)物質(zhì)（如 13C 標記的多環(huán)芳烴），追蹤其在微生物體內(nèi)的代謝流向，精準識別參與特定生態(tài)過程的功能微生物類群，解決了 "誰在干活" 的核心問題。
宏轉(zhuǎn)錄組與宏蛋白組：通過分析群落的活性轉(zhuǎn)錄本與表達蛋白，可直接反映微生物功能的動態(tài)變化。例如，在過氧化鈣修復(fù)水體沉積物時，宏轉(zhuǎn)錄組分析顯示氨氧化基因（amoA）與硫氧化基因（sox）的表達量顯著上調(diào)，證實了硝化菌與硫氧化菌的功能激活。
微生物組建模技術(shù)：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)團隊開發(fā)的 SuperCC 建模框架，可模擬不同菌株組合的代謝通量分布，預(yù)測微生物間的互作關(guān)系與群落功能效率，為合成功能微生物組提供了計算工具。基因組規(guī)模代謝模型（GSMM）則能通過單菌株代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，推演群落的物質(zhì)轉(zhuǎn)化路徑。
零模型分析：用于揭示群落構(gòu)建機制，區(qū)分確定性過程（如環(huán)境選擇）與隨機性過程（如生態(tài)漂變）的貢獻。研究發(fā)現(xiàn)，高鹽環(huán)境中 AMF 群落的構(gòu)建以同質(zhì)性選擇為主（占比 79%），而細菌群落則受生態(tài)漂變影響更大，這種差異與微生物的適應(yīng)策略直接相關(guān)。
土壤是典型的異質(zhì)性生境，pH、有機質(zhì)含量、鹽堿度等環(huán)境因子的空間差異塑造了多樣的微生物群落結(jié)構(gòu)，而群落通過驅(qū)動元素循環(huán)、凈化污染等功能維系土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。
環(huán)境因子的篩選作用：土壤鹽堿度是調(diào)控微生物群落的關(guān)鍵因子之一，在烏茲別克斯坦鹽堿區(qū)研究中，隨著鹽堿度升高，細菌群落網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度降低，而 AMF 群落網(wǎng)絡(luò)反而更緊密，這種反向分異源于兩類微生物的適應(yīng)機制差異 —— 細菌依賴快速擴散適應(yīng)環(huán)境，而 AMF 通過菌絲網(wǎng)絡(luò)維持生態(tài)位穩(wěn)定。土壤 pH 則直接影響微生物的存活邊界，酸性土壤中 Acidobacteria 門豐度較高，而中性至堿性土壤中 Proteobacteria 門占主導(dǎo)。
土地利用與人為干擾：農(nóng)田耕作會破壞 AMF 的菌絲網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其生境碎片化，而灌溉則促進細菌的均勻擴散，這種人為干擾顯著改變了 "真菌 - 細菌" 的群落平衡。化肥過量施用則會降低土壤微生物多樣性，抑制固氮菌與菌根真菌等有益類群，打破元素循環(huán)平衡。
空間尺度的分異特征：在局域尺度（米級），土壤團聚體的微環(huán)境差異驅(qū)動微生物的微生境分化；而在區(qū)域尺度（公里級），氣候條件與土壤類型共同決定群落的生物地理格局，如溫帶草原土壤中放線菌豐度顯著高于熱帶雨林。
