多源生态补水方式重塑了水资源匮乏河流中的微生物群落组成及其网络稳定性

《Water Research X》：Multi-source Ecological Water Replenishment Reshapes Microbial Community Assembly and Network Stability in a Water-scarce River

生态水补给对永定河流域微生物群落多样性和网络稳定性的影响研究。通过16S rRNA测序和生态网络分析，发现自然来水维持最高浮游细菌多样性，混合补给使底栖细菌网络最稳定且复杂。不同水源通过改变环境因子（如NH4+、pH）、群落组装过程（随机性主导）和微生物多样性间接调控网络稳定性，其中浮游细菌网络稳定性随补给工程增强而降低，而底栖细菌网络因环境稳定性和功能冗余增强而更稳定。研究揭示了多源补给对微生物生态系统结构和功能的差异化作用，为优化水资源管理提供理论依据。

　　在水生态系统的恢复过程中，生态补水（Ecological Water Replenishment, EWR）作为一种重要的策略，正被广泛应用于缓解水资源短缺和恢复退化河流的生态功能。然而，对于多源补水如何共同塑造微生物群落、组装过程以及网络稳定性等生态后果，目前的研究仍存在诸多空白。本文以中国北方典型的水资源紧缺河流——永定河流域为研究对象，探讨了不同补水来源对微生物群落（包括浮游细菌和底栖细菌）多样性、组装机制及其对生态网络稳定性的影响。研究结果不仅揭示了多源补水对微生物生态的深远影响，也为优化水资源调配、提升水生微生物生态系统的功能恢复以及支持水资源可持续管理提供了科学依据。

永定河作为北京-天津-河北地区的重要水源保护区和生态走廊，其流域面积广阔，生态系统的复杂性为研究提供了丰富的样本。通过综合分析浮游细菌和底栖细菌群落，研究发现，从上游到下游，随着工程补水的增加，α多样性逐渐下降，β多样性显著变化。这种变化表明，不同来源的水输入对微生物群落的结构和功能产生了深远的影响。研究还发现，虽然浮游细菌和底栖细菌的群落组装主要由随机过程主导，但不同补水来源对随机过程的相对重要性存在差异。相较于自然径流，黄河流域补水和混合补水对浮游细菌的“扩散限制”和“均匀选择”作用有所减弱，而“生态漂移”的比例则增加。相比之下，底栖细菌的群落组装过程在不同补水来源下变化不大，扩散限制始终占据主导地位。

研究进一步揭示了EWR对微生物网络稳定性的影响。对于浮游细菌网络，EWR降低了其恢复力，而对底栖细菌网络则起到了增强作用。这一发现表明，EWR对不同生态位的微生物网络稳定性产生了不同的影响，其中底栖细菌网络的复杂性和稳定性更为显著。微生物网络的复杂性与生态系统的稳定性之间存在显著的正相关关系，说明微生物群落的多样性与结构复杂性是维持生态系统功能的重要因素。此外，微生物群落的组装过程不仅直接影响网络稳定性，还通过调节微生物多样性间接影响生态系统的稳定性。

研究还发现，不同补水来源对微生物群落的影响存在显著差异。在自然径流影响下的浮游细菌和混合补水影响下的底栖细菌表现出较高的网络复杂性和稳定性。而黄河流域补水对浮游细菌的影响则相对较小，这可能与其水质特性及补水方式有关。例如，黄河流域补水带来的水质相对较好，且在早期阶段并未显著影响底栖细菌的稳定性。此外，研究还识别了多个关键物种，这些物种在生态网络中起到了核心作用，能够维持网络的复杂性和稳定性。例如，在受黄河流域补水影响的河段中，浮游细菌的关键物种是*Aphanizomenon_NIES81*，这是一种容易在富营养化条件下爆发的固氮蓝藻，可能对水生生物和水质安全构成威胁。而在混合补水影响下的底栖细菌，其关键物种*Hydrogenispora*则可能促进有机质在沉积物中的富集，从而影响底栖生物和水-沉积物界面的生物地球化学过程。

研究还强调了环境因素对微生物网络稳定性的影响。通过随机森林模型分析，发现水体中的总有机碳（TOC）和氨氮（NH??-N）是影响浮游细菌网络稳定性的关键因素，而沉积物中的总氮（TN）和pH值则是影响底栖细菌网络稳定性的主要环境变量。这些环境因素不仅直接作用于生态网络的稳定性，还通过调节微生物多样性以及群落组装过程间接影响生态系统的功能。例如，NH??-N和pH值对微生物群落的随机组装过程具有显著的负相关性，表明它们在调节微生物群落结构和生态功能方面发挥了重要作用。此外，β多样性与生态网络稳定性之间也存在显著的正相关关系，说明微生物群落的多样性是维持生态网络稳定性的关键因素。

研究结果还表明，微生物群落的组装过程在不同补水来源下表现出不同的特征。在自然径流影响下的浮游细菌和混合补水影响下的底栖细菌，其群落组装主要受到随机过程的驱动，而在黄河流域补水影响下的浮游细菌，其群落组装则表现出更多的环境选择作用。这种差异可能与不同补水来源的水质特征、化学成分以及生物特性有关。例如，黄河流域补水中的某些化学物质可能对浮游细菌的群落结构产生了更大的影响，而混合补水则可能更倾向于维持微生物群落的多样性。同时，研究还发现，β多样性与生态网络稳定性之间存在显著的正相关关系，这表明微生物群落的多样性是维持生态系统稳定性的关键因素。

研究还强调了生态补水对微生物群落结构和功能的深远影响。在永定河流域，EWR不仅改变了微生物的多样性，还通过调节群落组装过程和生态网络结构，对生态系统的功能产生了重要影响。例如，浮游细菌网络的稳定性随着补水来源的多样化而下降，而底栖细菌网络则表现出增强的趋势。这可能与浮游细菌对水体环境变化的敏感性有关，而底栖细菌则因其栖息地的相对稳定性，能够建立更为复杂的相互作用关系。此外，研究还发现，微生物群落的多样性与其生态功能之间存在密切的联系，高多样性微生物群落能够提供更多的生态服务，如有机物分解、营养物质转化和为高营养级生物提供基础食物来源。

在讨论部分，研究进一步探讨了EWR对微生物群落的影响机制。例如，EWR可能通过改变水体中的营养物质浓度和化学成分，进而影响微生物群落的组装过程和生态网络的稳定性。研究还发现，某些关键物种在生态网络中起到了重要的调控作用，它们的分布和功能变化可能预示着生态系统的潜在风险。例如，受黄河流域补水影响的浮游细菌关键物种*Aphanizomenon_NIES81*可能在富营养化条件下大量繁殖，释放有毒代谢产物，对水生生物和水质安全构成威胁。而混合补水影响下的浮游细菌关键物种*Cyanobium_PCC-6307*则是一种光合自养微生物，能够通过光合作用将无机碳转化为有机质，并释放氧气，这可能对水体的氧化还原状态产生重要影响。

研究还发现，EWR对微生物网络的稳定性产生了不同的影响。在自然径流影响下的浮游细菌网络表现出较高的复杂性和稳定性，而在混合补水影响下的底栖细菌网络则显示出更强的恢复力。这可能与浮游细菌和底栖细菌的生态位特征有关，浮游细菌更依赖于水体的动态变化，而底栖细菌则更多地依赖于沉积物的稳定性。此外，研究还发现，EWR可能通过改变微生物群落的组成和功能，对生态系统的整体稳定性产生影响。例如，在混合补水影响下，底栖细菌的多样性较高，且其生态网络的复杂性与稳定性之间存在显著的正相关关系，这表明微生物群落的多样性是维持生态系统功能的重要因素。

研究还指出了未来在EWR研究中的关键方向。目前，EWR的研究主要集中在短期效应，缺乏长期监测数据。此外，不同水生生物群落（如浮游生物、底栖生物和微生物）在不同补水来源下的营养循环和网络结构变化尚未得到系统研究。因此，未来的研究需要进一步关注EWR对生态系统长期变化的影响，并结合多学科方法，如生态学、微生物学和环境科学，进行更全面的评估。同时，生态补水对水体物理、化学和生物过程的影响也需要更深入的生态风险评估，以确保水资源的可持续利用和生态系统的健康稳定。

综上所述，本研究通过综合分析永定河流域的微生物群落，揭示了EWR对水生生态系统的重要影响。研究结果表明，不同补水来源对微生物群落的多样性、组装过程和网络稳定性具有不同的作用机制。这不仅有助于理解EWR对水生生态系统的生态影响，也为优化水资源调配策略、提升水生微生物生态系统的功能恢复以及实现水资源的可持续管理提供了科学依据。未来的研究应进一步探索EWR对生态系统长期变化的影响，并结合多学科方法，为水资源管理提供更加全面的科学支持。