重金属污染河流中溶解有机物的化学多样性及其与微生物组成之间的时空变化

《Water Research》：Spatiotemporal changes in dissolved organic matter chemodiversity and its interaction with microbial composition in heavy-metal polluted river

时空异质性及重金属胁迫下流域河流溶解有机物化学多样性-微生物群落互作机制研究。

　　河流中的溶解有机质（DOM）是重要的反应性碳库，对陆地-水体生态系统的生物地球化学循环起着关键作用。然而，目前对于DOM的化学多样性及其在生态脆弱流域中与微生物的相互作用仍缺乏深入理解。本研究通过整合光学光谱分析、超高分辨率质谱（FT-ICR MS）和高通量测序技术，对南方某重金属污染河流在一年水文周期内地表水DOM的化学组成及其与微生物群落的相互作用进行了系统调查。研究结果表明，DOM主要由蛋白质类成分构成，如色氨酸类C2（峰T）和酪氨酸类C3（峰B），其占比高达69.6% ± 8.87%，这表明DOM的来源主要与微生物活动有关。此外，含磷化合物在春季和夏季的浓度较高，而含碳、氢、氧、氮（CHONS）化合物则在秋季和冬季更为丰富，这反映出人类活动对该区域DOM化学多样性的重要影响。

DOM的分子组成（如饱和化合物和木质素）以及微生物群落的结构（包括优势类群及其相对比例）均表现出显著的时空变化。这种变化在靠近采矿区的S2和S3站点尤为明显。DOM的组成和微生物群落结构的季节性变化比空间异质性更为显著。通过冗余分析（RDA）和Mantel检验，研究发现DOM的组成和微生物群落受到多种环境因素的影响，如pH值、温度和重金属等。同时，DOM中的类腐殖质C1和蛋白质类C2/C3成分与微生物群落结构之间存在显著相关性。DOM的各个成分与真菌群落的关联性强于细菌群落，这表明真菌群落在应对DOM组成变化方面表现出更高的结构和功能响应能力。本研究揭示了重金属污染河流中DOM化学多样性与微生物群落之间潜在的相互作用机制，为在人类活动压力下流域碳循环管理提供了重要参考。

DOM作为河流生态系统中不可或缺的一部分，不仅影响着营养元素和污染物的迁移与转化，还深刻地塑造了河流生物多样性和生态过程。河流在连接陆地和海洋碳库方面发挥着重要作用，是全球碳循环的关键节点。研究表明，河流每年向沿海地区输送约250 Tg的DOM，这一过程受到河流走廊内微生物活动的显著影响。微生物通过改变DOM的组成、特性和质量，进而对碳生物地球化学循环和全球气候调节产生深远影响。DOM的化学多样性源于多种来源，包括外源性（如植物残体和土壤有机质）、内源性（如死亡的细菌、浮游生物、动物体和大型植物）以及人为活动（如有机废水和粪便）。同时，DOM的消耗过程涉及微生物对易降解DOM的利用、分解和转化，以及光降解等机制。

在湖泊和海洋生态系统中，DOM的多样性通常受到周围环境的广泛影响，包括气候、地理、水文和人类活动等因素，展现出明显的时空异质性。值得注意的是，DOM的化学多样性不仅调控微生物对碳的利用，还会影响微生物群落的结构和功能。因此，明确DOM化学多样性的变化及其与微生物群落的相互作用，对于全面理解内陆河流系统中输送DOM的命运至关重要。

DOM与微生物群落之间的关系极为复杂，DOM的浓度和组成能够影响异养细菌的酶活性和群落结构，而这些细菌群落的变化又会反过来改变DOM的水解过程。不同微生物对DOM的组成表现出不同的偏好，即使在相同的系统中，具有相似系统发育分类的细菌群落也可能在降解DOM化合物的能力上存在显著差异。此外，河流DOM的分子组成容易受到气候变化、土地利用和人类活动的影响。研究人员指出，季节性的水文变化通过调节温度、降水和溶解氧等环境因素，驱动DOM数量和质量的变化，这种变化主要通过微生物群落的组成和结构变化来实现。因此，DOM的化学多样性与微生物群落之间存在密切联系，DOM和微生物多样性的协同作用对河流生态系统功能具有重要影响。

尽管已有许多研究探讨了DOM与微生物群落之间的相互作用，但这些研究大多集中在山地土壤、湖泊、海洋和城市河流等环境中。对于受采矿活动影响的河流，DOM和微生物群落不仅受到重金属暴露的直接影响，还通过适应机制和相互作用对污染水平作出响应。在重金属胁迫下，微生物对DOM的代谢策略表现出高度的特异性，导致DOM来源和转化路径更加复杂。然而，目前尚缺乏系统研究，特别是在流域尺度上，综合考虑时空变化和人类活动压力下的DOM化学多样性与微生物群落的相互作用。

近年来，光谱分析技术已被广泛应用于研究自然水体中的DOM化学组成。例如，荧光光谱技术能够有效表征DOM的组成、结构和来源，而结合平行因子分析（PARAFAC）的荧光激发-发射矩阵（EEM）光谱技术则被频繁用于识别DOM的来源及其成分。同时，超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）作为一种新兴技术，能够在分子层面分析DOM的动态变化，识别其在自然环境中的各种组分。此外，高通量测序技术在研究河流微生物群落方面具有显著优势，能够分析微生物组成和群落结构的特征。这些技术的整合应用，为深入解析DOM的分子多样性及其与微生物群落的相互作用提供了有力支持。

本研究提出两个假设：（1）河流DOM的数量和质量以及微生物的结构和功能在时空变化中表现出明显的差异，受到环境因素和人类活动的共同调控；（2）在重金属污染河流中，DOM的化学多样性与微生物群落之间存在显著的相互作用。为了验证这些假设，我们对南方某重金属污染河流（Yichang河）进行了为期一年的每月水样采集，覆盖主干道和支流。研究的主要目标包括：（1）利用光谱技术和FT-ICR MS分析河流DOM的数量和质量的时空变化；（2）通过高通量测序技术研究水体中细菌和真菌微生物群落的组成和结构变化；（3）探讨DOM的化学多样性与微生物群落之间的相互作用。本研究将有助于加深对河流DOM生物地球化学循环和命运的理解。

在Yichang河流域，研究区域位于广西东南部，地理坐标为110°43′-111°22′E，22°37′-23°13′N，流域面积为1,862平方公里，总长度为140公里。Yichang河是珠江流域西江水系的二级支流，自东南向西北流，河流坡度为3.95‰。该流域属于亚热带湿润季风气候，年平均气温约为21.3°C。研究期间，我们对不同季节和采样点的水样进行了系统采集，以全面评估DOM和微生物群落的时空变化。

研究发现，DOM的化学特征在不同季节和采样点之间存在显著差异。例如，溶解氧（DO）的浓度在春季和夏季较低，而在秋季和冬季较高。pH值在不同季节波动，夏季的pH值最低。氨氮（NH??）的浓度在冬季显著高于其他季节。这些水化学变量的变化反映了环境条件的动态变化，进一步影响了DOM的组成和微生物群落的结构。DOM的分子组成和微生物群落的结构均表现出明显的时空异质性，特别是在靠近采矿区的采样点，这种变化尤为显著。

研究还表明，DOM的组成和微生物群落的结构受到多种环境因素的影响，包括pH值、温度和重金属等。同时，DOM中的类腐殖质C1和蛋白质类C2/C3成分与微生物群落的结构之间存在显著相关性。DOM的各个成分与真菌群落的关联性强于细菌群落，这表明真菌群落在应对DOM组成变化方面表现出更高的结构和功能响应能力。此外，DOM的化学多样性在一定程度上反映了河流系统的生态状况和污染程度，为流域碳循环管理和生态修复提供了重要的科学依据。

综上所述，本研究通过整合多种先进技术手段，系统分析了重金属污染河流中DOM的化学多样性及其与微生物群落的相互作用。研究结果不仅揭示了DOM和微生物群落之间的复杂关系，还为理解流域碳循环的动态过程提供了新的视角。未来的研究可以进一步探索不同污染类型和环境条件下DOM与微生物群落的相互作用机制，以期为生态管理和环境保护提供更科学的指导。