微生物参与着地球上大部分的与碳、氮等化学循环相关的地球化学循环过程，在维持生态系统稳定性和生态服务方面发挥着重要作用。微生物在环境中并非以单一个体的形式存在，而是以群落聚居的方式，与外界环境进行着物质和能量交换，维持着自身及整个 生态 系统的稳定。 复杂的 环境微生物群落 在 森林、草地、大气、海洋、河流、污水处理厂、生物反应器等多个 生态 系统 生存和繁衍 ，与 这些生态系统的 服务及稳定息息相关。探究环境微生物群落的组成机制，可以更好的理解微生物群落结构的形成，为涉及微生物群落的调控方面的研究提供研究基础和线索。 大量 研究表明， 生态随机过程 和确定性过程 在微生物 群落生物多样性
和组建方面 发挥着重要作用 ，确定性过程同随机性过程相比，受到外界环境压力等非生物因素 和物种交互作用关系等生物因素的影响，可以通过生态学模型 和统计分析方法进行解析。
本论文主要围绕着环境微生物群落组成机制中的确定性因素展开研究，针对其确定性因素的三个重要方面，提出 科学 问题 和进行深入探讨 。 1 微生物种间作用关系如何影响微生物群落的组成机制？ 2 微生物与宏观生物的共存会如何影响微生物群落的组成机制？ 3 非生物因素如何影响微生物群落的生物多样性？本论文将对这三个方面进行阐述，主要内容如下：
（1) 为探究微生物种间互作关系对微生物群落组成的影响，我们选取简单、易操作、生物多样性低的微生物电解池中的生物膜群落作为研究对象，按照生物多样性的梯度构建了高、中、低三组生物反应器，使用酸性 pH 的冲击来模拟环境扰动，进而探究微生物群落功能的恢复力与生物多样性间的关系。结果发现，所有的生物膜反应器在酸性 pH 冲击后，可以恢复到稳定的功能水平，均 表现出较好的恢复力。相关性分析发现微生物群落中的地杆菌（ Geobacter ）和其他 产电菌 与 功能的恢复相关，而甲烷短杆菌 Methanobrevibacter 的存在可能会延迟生物膜群落的功能恢复。同时生物多样性高的生物膜反应器在酸性 pH 冲击之后，能更快的恢复，表明生物多样性高的微生物群落对环境扰动具有更好的恢复力。网络分析的结果发现地杆菌和甲烷短杆菌这两种优势属在恢复时间较长的组内，负相互作用关系增强，表明优势菌属的种间底物或空间上的竞争关系可能是影响反应物生物膜微生物群落恢复力的重要原因。本部分研究也为我们进一步了解生物多样性和生态系统功能之间的关系提供了新的见解和思路。
（2) 宏观生态系统中不同生命界物种之间的关系在多个生态系统中已有大量研究，然而自然生态系统地上与地下生态学中仍有大量的问题值得深入探讨，特别是在大区域尺度上植物与微生物之间的相互作用关系。在本研究中，我们提出了一个构建多种植物与不同微生物（细菌和古细菌）之间的跨域生态网络分析流程，并构建了方便使用的分析平台。通过对中国 30 个沿纬度梯度分布的森林
进行分析，结果显示植物微生物互作网络表现出高连接度、嵌套性结构、专一性的不对称性和模块化等拓扑结构特点。植物对特定微生物类群表现出偏好性，与随机网络相比，观测到的网络表现出非随机 性。网络模块化分析指出大多数的微生物在模块内而非模块间与植物有共存趋势，说明植物与微生物之间的专一性。通过构建局部尺度的跨域生态网络并对其特定植物物种进行分析，均能得到一致共存趋势的微生物类群。另外，网络中植物和微生物相比，地理分布特点呈现出局部区域特点。通过对实验设计及数据处理的处理，跨域生态网络分析可以为探究自然生态系统中跨域生物物种之间的共存模式提供新的研究思路。
（3 ）为探究环境非生物因素对环境微生物群落组成机制的影响，我们探究了环境非生物因素与群落生物多样性的关系，这也是 在过去的几十年间生态学中重 点关注的科学问题。先前有研究人员将基于生态位的模型和代谢理论相结合，结果可以预测出环境梯度下生物多样性的分布模式，即较高的温度可以让物种的生态位宽度变大，进而增加 α 多样性并降低 β 多样性。我们采用相同的生态位宽度的计算方法，对中国 30 个沿纬度梯度分布的森林生态系统中植物和微生物的生态调查数据在温度、降水和土壤 pH 三个环境梯度下进行了分析。结果显示随着温度升高、降水增加和 pH 趋于中性，植物和微生物的生态位宽度逐渐增大。然而，沿环境梯度的生物多样性分布特征与先前理论所推测的结果不大相同。随后利用结构方程模型将三种 生态位宽度模型综合考虑来预测生物多样性的分布特征，其结果显示基于 pH 的物种生态位宽度在预测植物和微生物生物多样性分布特征上是最重要的因子，随后基于温度和降水的物种生态位宽度分别是植物和微生物多样性分布的主要因子。最后我们讨论了所使用的生态位宽度模型在预测多样性分布特征方面可能存在的潜在因素并提出了一些模型改进因素，比如物种多度分布的倾斜性、环境梯度样点依赖性、物种扩散过程和生态位的多维度性等。
    本研究的内容为后续有关生态位模型和生物多样性的研究工作提供了新的思路和线索。物种互作关系、跨域物种的共存关系和以非生物因素为主的生态位宽度模型，揭示了种间作用关系在环境微生物群落组成机制中的作用 明确了森林植物与土壤微生物群落间的共存关系 发现 pH 所介导的生态位宽度是影响森林生态系统微生物和植物群落生物多样性的重要因素 。多个分析方法的开发与结合，来解析环境微生物群落组成机制中的确定性因素，可以为理解多种生态系统中复杂微生物群落的生物多样性分布模式，提供新的研究角度和分析思路。