河流和小溪是跨越广阔地理景观的重要纽带，从隐蔽的源头涓涓细流，蜿蜒数千英里，流向海洋和深海。这些水道直接影响着人类和环境健康、农业和能源生产，并为美国提供了三分之二的饮用水。然而，与其他较大的水体相比，河流的微生物学研究相对不足。
一个由科罗拉多州立大学领导的科学家团队为改变这一现状做出了贡献——首次详细介绍了覆盖美国大陆90%流域的河流中微生物的存在和功能的广泛而具体的信息。对这些河流的微生物组进行分类是本周发表在《自然》杂志上的一项长达数年的参与性科学努力的结果。
这项新的研究表明，微生物在塑造河流的整体健康方面发挥着重要作用。这篇论文的作者将河流微生物描述为“营养和能量流动的主要策划者，它们可能会在当前和未来的水情景下决定水质。”更重要的是，作者发现这些微生物与水中发现的污染物相互作用，为现有证据提供了新的细节，表明河流受到抗生素、消毒产品、氟化化合物、肥料和微塑料等人工投入的影响。值得注意的是，河流微生物有能力将微塑料降解成更小的碳化合物，在污水处理厂附近发现的微生物表达了高水平的抗生素抗性基因。
该研究还发现，河流微生物的行为支持了一个几十年前的观点，即河流连续概念——一个将河流视为一个连续集成系统的宏观生态学理论。例如，一种特定类型的鱼在河流的特定地点茁壮成长，与上游发生的事情有着千丝万缕的联系。事实证明，河流微生物也是如此。
“人们过去认为河流几乎就像管道，是一种将水从一个地方输送到另一个地方的方式，”科罗拉多州立大学研究教授米凯拉·博尔顿（Mikayla Borton）说，他是《自然》论文的第一作者。“但河流远不止于此——它们在进行各种各样的活动。这是有规律的；这些活动是可以预测的。现在，我们知道微生物正在进行其中一些活动。”
这项研究包括对来自北美约100条河流的2000多个微生物基因组进行分类，其中大部分来自当地社区成员通过太平洋西北国家实验室（PNNL）开展的采样项目收集的水样。PNNL是位于华盛顿州的一个环境和物理科学研究实验室，由代表美国能源部的私人非营利组织巴特尔（Battelle）运营。
“当我们观察河流周围的土地是如何管理的时候，我们可以看到某些人为污染物或化学物质是通过DNA中的微生物处理的，”科罗拉多州立大学农业科学学院教授、论文的合著者凯利·赖特顿（Kelly Wrighton）说。“这之间有很强的关系——这表明微生物群中有一个信号，表明我们如何在土地上生活和管理，这些土地一直进入河流系统，然后流入下游。”
微生物组学是一个新兴的科学领域。这个研究领域的一个关键承诺是，微生物可以像煤矿里的金丝雀一样，对人类和关键生态系统——土壤、海洋，或者说是河流的整体健康——的健康起作用。“我们的希望是，”科罗拉多州立大学跨学科研究小组微生物组网络的负责人之一赖特顿说，“这些信息最终可以用于开发新的诊断方法，作为健康河流与不健康河流的指标。”
大规模的参与科学
Wrighton说，除了揭开对河流微生物的新见解之外，本周发表的研究还展示了如何成功地大规模实施参与式科学。
Wrighton于2018年首次考虑该项目，当时他参加了在华盛顿特区举行的国家能源部研究会议。在会议上，Wrighton遇到了PNNL的地球科学家James Stegen，并了解到Stegen和他的同事Amy Goldman已经在监督一项大规模的全球河流采样工作，即全球动态河流系统水文地球化学观测网络（WHONDRS）。该项目招募了科学家和非科学家在当地收集河流样本，并将样本送到PNNL进行分析。赖特顿意识到，同样的样本也可以用来分析微生物数据。
赖特顿说：“人们对绘制微生物组很感兴趣，而微生物河数据却严重缺乏。”“但我也在想，‘我们能大规模开展这项科学研究吗？’”因为如果我们能像这样做科学，如果我们能证明它是有效的，我们就能解决世界上的重大问题，比如气候变化。我们可以把它应用到任何地方。我们已经在对湿地采取类似的方法。”
Stegen对这些结果和这项工作产生新研究的可能性感到兴奋。“这是一种新前沿的东西；我们真的打开了通往地球上一个深度未知部分的大门，”斯特根说。“能够创造出一些能够让我们团队之外的许多人受益的东西，这是非常令人欣慰的。”
波顿说，向更广泛的受众开放这项工作的关键之一是使信息可以在一个用户友好的数据库中访问。为了实现这一目标，博尔顿求助于科罗拉多州立大学副教授马特·罗斯，他是一位从事数据分析工作的生态系统科学家。罗斯的实验室帮助将河流微生物组数据构建成一个可搜索的网络友好平台。
“我真的为这个项目的数据可访问性部分感到自豪，”博尔顿说。
罗斯是这篇论文的合著者之一，他也帮助博尔顿为论文的最终分析提供了数据背景。颗粒微生物数据与长期存在的大河生态系统理论如此紧密地联系在一起，这让他有些惊讶。罗斯说：“论文的一个关键观点是，这与河流理论有关——河流是如何从小溪变成真正的大河的。”“这项工作与这些旧理论非常吻合。”
除了受到土地利用的影响外，河流微生物还受到其他变量的影响，如河流的大小、照射在水面上的光线的多少、空气温度和河流中水流的速度。同样的因素也会影响较大的河流物种。更重要的是，这些因素可以预测研究人员发现的微生物，而不管这条河位于美国的哪个地方。事实上，研究小组在他们研究的大约100条河流中发现了六种特别活跃的微生物。这六种核心微生物都以光作为能量来源。
“微生物在这些系统中以一种可以预测的方式活跃在整个美国大陆，”博尔顿说。“我认为我们会在这些不同的河流系统中发现类似的生物，但我不认为微生物会遵循这些古老的河流概念的原则。这非常酷，我认为这在很大程度上说明了在我们工作之前所做的科学的稳健性。”
Borton希望非微生物组科学家将开始使用他们围绕河流微生物组建立的数据基础设施，包括将微生物过程纳入到更好地大规模模拟生态系统的努力中。“我们需要更好地研究不同的景观，”博尔顿说，“更好地了解河流可以帮助我们做到这一点。”
