大气污染与河流生态系统中的微生物群落稳定性和功能多样性有关

《Environmental Pollution》：Atmospheric Pollution Is Associated with Microbial Community Stability and Functional Diversity in River Ecosystems

空气污染通过改变水体碳氮磷 stoichiometry 和微生物群落结构及功能，形成“生态效率陷阱”，并存在污染物浓度阈值效应，如PM2.5阈值约50μg/m3。

　　

贾玉英|胡向刚|曲倩|穆莉

污染过程与环境标准重点实验室（教育部），碳中和跨学科科学中心，南开大学环境科学与工程学院，300350，天津，中国

摘要

空气污染对人类和生态系统健康构成全球性威胁，已被世界各地的政府和研究人员广泛监测。然而，空气污染对河流生态系统，尤其是河流微生物的影响却鲜有关注。在这项研究中，我们首次进行了全国范围的调查（涵盖中国105条河流），探讨了大气污染物空间变化与河流微生物群落结构和代谢功能之间的关联。我们提出了一个空气污染指数（API），作为多种空气污染物的综合指标，并证明了较高的空气污染水平与河水中碳（C）和碳氮（N）化学计量比的改变有关。沿着空气污染梯度，我们观察到微生物α多样性降低、生态策略极化以及共现网络更加破碎，这些现象伴随着碳和氮循环的抑制，我们将其称为“生态效率陷阱”。通过机器学习模型和SHAP-GAM分析，我们确定了污染物浓度阈值，在该阈值以下，污染物与微生物功能的边际关联从正向变为负向（例如，PM_2.5约为50 μg/m³）。基于我们的发现，空气污染可以被视为一种跨介质的压力源，强调了其作为河流微生物风险被忽视的维度的重要性，并支持将空气质量控制纳入保护内陆水域微生物多样性和生物地球化学功能的策略中。

引言

空气污染是一个重大的全球环境问题，它通过酸雨、气候反馈循环等多种机制威胁人类健康、破坏生态系统并加速生物多样性的丧失（Kinose等人，2025年；Pinho-Gomes等人，2023年；Ran等人，2025年）。空气污染物来源于工业、农业和城市来源，可以通过大气沉降进入河流生态系统，从而对水生生态系统和微生物群落的健康构成威胁（Mahowald等人，2018年；Neff等人，2008年）。然而，大量研究集中在空气污染物对大气质量和人类健康的影响上（Tie和Cao，2009年；Wang等人，2024年），但这些污染物对河流生态系统的影响仍知之甚少。

河流生态系统中的微生物群落在维持生态系统稳定性方面发挥着关键作用，通过驱动养分循环、有机物分解和能量流动提供生态系统服务（Cottrell等人，2010年；Kuypers等人，2018年；Stanley等人，2016年）。这些群落对微量环境压力源（包括空气污染物）非常敏感，这些压力源可能会破坏它们的结构和功能（Ma等人，2019年；Ylla等人，2012年）。与自然演替过程不同，环境压力源通常会降低微生物群落的稳定性和恢复力，主要是通过减少微生物生物量（Gu等人，2023年；Hernandez等人，2021年；Ning等人，2024年）。尽管如此，有研究表明，污染物通过一种涉及高复杂性和集中网络的微生物生存策略刺激了细菌α多样性，这也可能导致群落不稳定（Zhang等人，2019a）。大气沉降具有双重作用：它为微生物引入养分，同时也会输送有害物质（Mahowald等人，2018年）。例如，大气中的氮沉降占中国东南部太湖总氮负荷的33.3%，导致富营养化和蓝藻水华（Ti等人，2018年）。多环芳烃（PAHs）和全氟和多氟烷基物质（PFAS）等有毒污染物吸附在气溶胶和尘埃上，然后通过大气沉降进入水体（Odabasi等人，1999年；Wang和Good，2024年）。除了直接影响外，空气污染物还可以通过改变水中的物理化学性质（如pH值和溶解氧（DO）水平）间接影响水生微生物的代谢和群落相互作用模式（Mladenov等人，2011年；Neff等人，2008年）。有益养分供应与大气沉降带来的有害毒性压力之间的平衡尚不清楚。实际上，大气污染物与微生物群落之间的关系可能是非线性的。例如，中间干扰假说认为，在中等环境压力下，生物体表现出最高的多样性（Dial和Roughgarden，1998年）。了解河流中微生物群落对大气污染物的动态响应对于维持河流生态系统服务非常重要。

近年来，中国实施了严格的空气污染和水资源保护政策（Chen等人，2024年；Zhao等人，2025年）。已经取得了显著成就，直径小于2.5微米的颗粒物（PM_2.5）浓度显著下降（Liu等人，2023年）。然而，臭氧（O₃）浓度的近期上升趋势表明，需要采取额外的针对性干预措施来减轻其他污染物的影响（Xiao等人，2022年）。虽然在保护内陆水环境方面取得了进展，但大气和水生生态系统的相互关联性要求进行综合管理（Wu等人，2022年）。忽视大气污染物对河流微生物的连锁效应可能会削弱水资源保护工作。需要对空气污染与河流生态系统服务之间的关系进行定量的、全国范围的评估，以提供协调的空气-水管理策略的证据基础。

在这项研究中，我们探讨了六种空气污染物——二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）、O₃、PM_2.5、黑碳气溶胶（BCA）和尘埃气溶胶（DUA）的空间变化与河水化学成分、微生物群落结构和功能之间的关联。我们构建了一个空气污染指数（API），总结了共存污染物的综合影响，并为不同地点的生态比较提供了统一的暴露梯度。利用共现网络分析，我们描述了这一大气污染梯度上群落相互作用模式和生态策略的变化。最后，我们量化了污染物与功能之间的关联，并确定了污染物浓度范围，在这些范围内，模型预测的微生物功能潜力的边际关系发生了变化（即类似阈值的响应）。总体而言，我们的结果表明，较高的大气污染水平往往伴随着河流中微生物群落稳定性的降低和功能多样性的减少，这突显了综合考虑空气和水资源管理的重要性。

部分摘录

样本采集

2020年6月至8月期间，我们从中国105条河流中采集了地表水样本（图1a）。采样在晴朗天气条件下进行，采样深度为水面下10-20厘米，确保采样前至少两天内没有降雨，以尽量减少近期降水事件的影响。采样前，采样容器用河水彻底冲洗了三次（三次）。在每个采样点，

空气污染与水化学成分之间的关联

基于中国105个样本的数据（图1a），我们构建了一个空气污染指数（API），将多种大气污染物（NO₂、SO₂、O₃、PM_2.5、BCA和DUA）的综合影响总结为一个单一的暴露梯度。API值的空间分布显示，中国北部的污染水平明显高于南部，特别是在华北平原地区浓度尤为升高（图1a）。上述区域差异受到

结论

通过对中国105条河流的全国调查，我们发现大气污染物的空间梯度与河水化学成分和河流微生物群落的变化一致相关。高大气污染压力与水体化学成分中碳含量的增加以及微生物群落的重组相关，包括极端污染条件下α多样性的降低、生态策略的强烈极化以及共现网络的破碎，表明

CRediT作者贡献声明

胡向刚：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。贾玉英：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学研究、调查、数据分析、数据管理、概念构思。穆莉：概念构思。曲倩：数据管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了111项目（项目编号B17025）的财政支持。