全球河流微生物群落对人类活动的响应机制：土地利用与废水排放的整合分析

《Journal of Environmental Management》：Global meta-analysis of river bacterial communities and responses to human activities

本研究针对人类活动对河流生态系统影响机制不明确的问题，通过全球尺度的meta分析，揭示了土地利用强度（LUI）与废水排放对河流沉积物微生物群落的调控规律。研究发现农业用地导致微生物α多样性下降16.03%，而城市用地和自然用地呈正相关；热带地区高LUI使微生物网络复杂性显著降低；源解析证实污水处理厂（WWTPs）对河流微生物贡献率达16.03%。该研究为全球变化背景下河流生态管理提供了重要科学依据。

　　

当我们凝视一条河流时，看到的可能是潺潺流水或波光粼粼，但在这水面之下，存在着一个肉眼看不见的微观世界——数以亿计的微生物正在默默维系着整个河流生态系统的运转。这些微小的生命体虽然不起眼，却是河流生物地球化学循环的“引擎”，承担着污染物降解、养分循环等关键生态功能。然而，在人类世（Anthropocene）的背景下，河流生态系统正面临着前所未有的压力。

随着全球城市化进程加速，自1970年代以来，全球城市和农业用地分别扩张了3000万和1.9亿公顷。城市化带来的不透水表面扩张加剧了通过城市径流造成的面源污染，而农田扩张使氮肥使用量自1960年代以来增加了两倍，达到每年161太克（Tg yr^-1），其中超过一半的氮未被作物吸收就通过淋溶进入河流。同时，全球每年产生约2675.5亿立方米生活废水，相当于河流总水量的七分之一。这些人类活动通过改变环境条件或直接引入人类相关微生物，深刻影响着河流微生物群落的组成和功能。

尽管已有研究开始关注土地利用和废水排放对水生微生物的影响，但现有研究存在地理范围、方法学和关注点的碎片化问题，导致结论不一致，难以形成统一的全球认知。在人类活动日益加剧的背景下，理解全球河流微生物如何响应人为影响，对于预测和缓解人类活动对河流生态功能的改变至关重要。

为解决这一科学问题，北京师范大学水科学学院的谭秋阳、王雪等研究者在《Journal of Environmental Management》上发表了题为“Global meta-analysis of river bacterial communities and responses to human activities”的研究论文。该研究通过整合全球河流沉积物微生物数据、土地利用数据和潜在微生物源数据，系统分析了土地利用对河流微生物组成和多样性的影响，考察了沿土地利用强度梯度河流微生物共现生态网络的变化，并量化了废水排放对河流微生物的贡献。

研究人员为开展这项研究采用了几个关键技术方法：通过多研究整合策略收集全球河流沉积物样本，从Web of Science和Google Scholar数据库检索2024年5月前发表的河流微生物研究论文；使用16S rRNA基因测序技术对1394个河流沉积物样本进行分析，获得65,418,411条高质量序列；采用Naive Bayes分类器进行微生物分类学分析；通过共现网络分析评估微生物群落结构；利用源解析方法量化不同来源对河流微生物群落的贡献。

全球河流微生物组成和多样性

研究分析了1394个河流沉积物样本与全球土地利用模式的关联。结果表明，河流沉积物细菌群落中最丰富的五个门是变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和放线菌门（Actinobacteria）。这些微生物群体在淡水生态系统中具有重要的生态功能，如变形菌门因其代谢多样性，能够同化各种底物，在好氧和低氧河流区域广泛分布。

关于土地利用与微生物多样性的关系，研究发现城市土地利用与河流α多样性呈正相关，自然土地利用（如森林、草地、灌木）也显示出类似的正相关。相比之下，农业土地利用与α多样性呈负相关。高土地利用强度河流中微生物多样性的减少主要归因于河流周围农业用地的增加。

河流沉积物中独特的微生物组成

研究表明，变形菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门和厚壁菌门是河流沉积物中的优势菌群，占总细菌丰度的77.48%。这些微生物群体在河流生态系统中发挥着不可替代的作用。例如，拟杆菌门能够降解复杂有机物，在碳循环中起关键作用；酸杆菌门参与铁循环并在酸性条件下旺盛生长；绿弯菌门作为光合异养菌，在碳固定中发挥作用；放线菌门产生抗生素并降解顽固性有机物；厚壁菌门包含多种发酵细菌，参与有机物厌氧降解。

研究还发现，高土地利用强度河流中的微生物比低土地利用强度河流中的微生物更为碎片化，特别是在热带地区，土地利用显著降低了微生物网络的复杂性。这表明人类活动不仅影响微生物的多样性，还改变了微生物群落的结构和相互作用模式。

源解析结果

通过源解析方法，研究人员量化了不同来源对河流微生物群落的贡献。结果显示，污水处理厂直接贡献了河流微生物群落的16.03%。这一发现证实了废水排放是河流微生物的重要来源，揭示了人类废水处理系统与自然河流生态系统之间的密切联系。

结论

该研究通过全球尺度的meta分析，系统揭示了人类活动对河流微生物群落的影响机制。主要结论包括：城市和自然土地利用与河流微生物α多样性正相关，而农业土地利用则呈负相关；高土地利用强度导致微生物群落更为碎片化，尤其在热带地区表现显著；污水处理厂对河流微生物群落的直接贡献达到16.03%。

这些发现对于理解和预测全球变化背景下河流生态系统的响应具有重要意义。研究结果指出，农业扩张可能对河流微生物多样性产生负面影响，而合理的城市规划和自然用地保护则有助于维持河流微生物多样性。同时，废水处理过程中的微生物排放是连接人类活动与自然生态系统的重要途径，这为河流生态系统管理提供了科学依据。

该研究不仅增进了我们对人类活动影响河流微生物群落的理解，而且为未来全球变化情景下河流生态系统的管理和战略规划提供了重要参考。通过整合全球数据并建立统一的分析框架，研究为宏观尺度河流微生物生态学研究提供了方法论范例，有助于推动该领域从零散案例研究向系统整合研究转变。