黑龙江帽儿沟国家级自然保护区水环境人为影响评估：水质与微生物群落的空间分异

《Microbial Ecology》：Assessment of Anthropogenic Impacts on Water Quality and Microbial Communities in the Heilongjiang Maolan Gou National Nature Reserve

本研究针对自然保护区功能区人为活动对水生态系统的影响，通过整合水质指标（COD、BOD、NH4+、HPI、WQI）与微生物群落分析，揭示了核心区、缓冲区和实验区的水质梯度变化及微生物响应机制。研究发现实验区有机污染和重金属（如Cd）浓度显著升高，并富集了假单胞菌属（Pseudomonas）等降解功能菌群，为保护区可持续管理提供了微生物学依据。

　　

在快速城市化和农业集约化的背景下，自然保护区的生态安全正面临严峻挑战。作为生物多样性保护的最后堡垒，保护区通常采用核心区、缓冲区和实验区的功能区划管理模式，以期平衡保护与发展的矛盾。然而，人类活动通过农业径流、旅游废水等途径输入的有机物、营养盐和重金属污染物，正在悄然改变保护区内水生态系统的健康状况。传统的水质监测主要依赖理化指标，往往忽视了微生物这一对环境变化极为敏感的"生态系统哨兵"。微生物群落不仅参与碳、氮、磷等关键元素的生物地球化学循环，还能降解污染物，其结构和功能的变化可以更早地预警生态系统退化。

黑龙江帽儿沟国家级自然保护区位于小兴安岭北麓，拥有帽儿沟、九七、库尔洛斯、西枝和乌云等多条河流，是东北地区重要的生态屏障。尽管实行了严格的功能区划，但日益增加的农业活动和生态旅游是否对保护区内水体造成了潜在影响？这些影响又如何体现在微生物世界的变化中？为了回答这些问题，来自哈尔滨大学的研究团队在《Microbial Ecology》上发表了最新研究成果，通过将传统水质评价与微生物群落分析相结合，揭示了人为活动对自然保护区水生态系统的综合影响。

研究团队采用了系统的技术方法开展此项工作。在2022年5月至10月期间，他们在保护区的核心区、缓冲区和实验区设置了12个采样点进行月度采样，全面覆盖了当地的无冰期。水质分析涵盖了关键理化参数，包括浊度、电导率(EC)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、铵氮(NH₄⁺)、磷酸盐(PO₄^3-)及重金属含量。污染程度通过重金属污染指数(HPI)、重金属评价指数(HEI)、污染程度(C_d)和水质指数(WQI)进行量化评估。微生物群落分析则采用16S rRNA基因V3-V4区高通量测序技术，结合FAPROTAX功能预测，揭示了微生物对污染胁迫的响应机制。多元统计分析（包括主坐标分析PCoA、冗余分析RDA等）用于探索环境因子与微生物群落的关系。

水质参数的空间变异特征显示，核心区保持了优良的水质状况，浊度(0.4-0.5 NTU)、EC(45-130 μS/cm)、COD(8-10 mg/L)和BOD(1.5-2.2 mg/L)均处于较低水平。相比之下，实验区由于农业和旅游活动的影响，表现出明显的污染特征，COD最高达35 mg/L，BOD为6.5 mg/L，NH₄⁺浓度为0.18-0.35 mg/L。重金属Cd在实验区的浓度最高达到0.24 μg/L，对应的HPI指数接近100的临界值，WQI指数显示实验区水质为"中等至差"。

重金属分布与污染评价结果表明，虽然所有重金属浓度均低于国家标准限值，但空间分布呈现明显梯度。核心区金属含量最低，而实验区Na、Ba、Fe和Cu浓度显著升高。污染指数评价显示，HPI在核心区低于25（低污染），实验区最高达96.4（接近重污染）；WQI在核心区为21.4-29.8（优良），实验区为48.9-68.9（中等至差）。聚类分析将采样点分为两组，下游受人为活动影响的站点表现出更高的金属变异性和污染负荷。

微生物群落对功能区的响应分析揭示了有趣的现象。在门水平上，假单胞菌门(Pseudomonadota)、拟杆菌门(Bacteroidota)和放线菌门(Actinomycetota)在三个功能区中均占主导地位。RDA分析表明，环境参数（COD、TN、TP、EC）与实验区微生物群落结构密切相关。虽然PERMANOVA显示功能区对整体群落变异的解释度仅为12.2%，但功能预测发现实验区微生物群落富含与污染物降解相关的功能基因，如芳香烃降解、塑料降解等。实验区还检测到与人类肠道相关的微生物功能，暗示可能存在粪便污染风险。

在属水平上，马西利亚菌属(Massilia)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和假单胞菌属(Pseudomonas)等在实验区显著富集，这些菌属已知具有降解多环芳烃(PAHs)和参与氮循环的功能。特别是假单胞菌属，其在实验区的高丰度表明该菌群可能在污染物降解和养分循环中发挥关键作用。研究还发现，重金属分布与微生物功能存在潜在关联，如中等浓度的Cd和Pb可能促进脲解细菌的生长，这些细菌通过提高局部pH值促进碳酸盐沉淀，从而共沉淀金属离子，降低其生物有效性。

这项研究通过整合水质监测和微生物群落分析，揭示了自然保护区不同功能区水生态系统的健康状况及其微生物响应机制。研究结果表明，尽管保护区的功能区划在一定程度上减轻了人类活动对核心区的影响，但缓冲区和实验区已经出现了明显的水质退化和微生物群落结构改变。实验区富集的污染物降解菌群虽然体现了微生物对环境污染的适应能力，但也反映了该区域生态系统的压力状态。

研究成果为自然保护区的精细化管理提供了科学依据：核心区应继续保持严格保护，而缓冲区和实验区则需要加强农业面源污染控制和旅游活动管理。微生物群落作为环境健康的敏感指标，应纳入保护区的常规监测体系。未来研究应关注微生物功能的时间动态变化，以及气候变化背景下污染物迁移转化与微生物响应的耦合机制，为保护区的生态安全提供早期预警和决策支持。