不同喀斯特水文系统中的微生物氮循环存在差异：喀斯特通道中的硝酸盐还原潜力增强

《CATENA》：Discrepancies in microbial nitrogen cycling among diverse karst hydrological systems: enhanced nitrate reduction potential in karst conduits

硝酸盐污染是喀斯特地下水可持续管理的关键挑战，本研究通过水化学、同位素与微生物组测序，揭示 conduit 系统与 matrix aquifer 中硝酸盐转化的差异机制。发现 conduit 系统硝酸盐浓度较低，其微生物群落通过共组装与聚合增强硝酸盐还原功能（DNRA/ANRA/反硝化），且流速、ORP、DIC 和浊度是主要驱动因素，揭示了水文动力与微生物协同作用对氮循环的调控规律。

　　

朱丹妮|李毅|牛丽华|周长松|范连杰|卢海平|林莉

中国河海大学水文学与水资源学院水循环与水安全国家重点实验室，南京210098

摘要

作为全球重要的饮用水来源，喀斯特地下水由于快速的水力连通性和氧化还原波动，对硝酸盐（NO₃^?）污染的敏感性较高。受水文条件影响的微生物氮（N）循环对于准确识别喀斯特含水层中硝酸盐的归趋至关重要。然而，喀斯特水文条件如何影响微生物氮循环及硝酸盐的转化机制仍不清楚。本研究通过结合水化学、稳定同位素和微生物测序技术，研究了两个喀斯特通道系统（流速：54和37米/小时）和一个基质含水层（流速：0.8米/小时）中的硝酸盐来源、转化过程及相关的微生物机制。水化学和稳定同位素分析表明，通道系统中的硝酸盐来源更为广泛，但硝酸盐浓度较低，这表明硝酸盐在通道系统中得到了有效的衰减。氮循环相关的微生物及其功能基因分析显示，通道系统中的硝酸盐还原能力（包括异化硝酸盐还原、同化硝酸盐还原和反硝化作用）显著增强。此外，通道系统的微生物群落凝聚力更强，确定性过程的比例也更高。广义线性模型进一步证实，群落凝聚和组装协同作用促进了通道系统中硝酸盐还原菌类的富集。这些结果将喀斯特水动力学与通过微生物介导的生态机制下的硝酸盐衰减过程联系起来，为喀斯特含水层中的硝酸盐污染控制提供了启示。

引言

全球超过25%的人口生活在喀斯特地区，并依赖喀斯特含水层提供的水源。然而，喀斯特地下水对硝酸盐（NO₃^?）污染的高度敏感性引发了日益严重的环境问题。许多喀斯特地区的地下水硝酸盐浓度已超过饮用水质量标准允许的限值（Liu等人，2024；Ren等人，2022；Li等人，2023）。喀斯特含水层独特的双重孔隙结构（由裂隙主导的基质和发育良好的通道组成）促进了水体的快速流动以及地表水与地下水之间的强烈相互作用（Lorette等人，2022；Yang等人，2023）。特别是下沉溪流、天坑和喀斯特池塘等独特的喀斯特地貌为地表水与地下通道提供了优先的流动路径（Koit等人，2022）。这种快速流动和地表水-地下水相互作用为富含硝酸盐的径流提供了低阻力的传输途径（Husic等人，2020），可能加剧氮（N）循环和一氧化二氮（N₂O）的排放（Flint等人，2021），从而威胁到饮用水安全和水文调节功能。因此，了解复杂喀斯特水文系统中氮的来源和转化过程，以及硝酸盐的转化机制，对于可持续的地下水管理至关重要。

通过整合水化学指标和双同位素（δ¹⁵N–NO₃^?和δ¹⁸O–NO₃^?）方法，已有大量研究报道了喀斯特地下水中的氮来源和转化过程（Ren等人，2022；Bao等人，2023）。这些研究表明，生活污水和粪便（DSM）、合成肥料以及土壤有机氮（SON）是主要的硝酸盐来源（Biddau等人，2023）。氮的传输受到不同多孔介质（如通道和基质裂隙）之间水文结构的强烈调控（Zhang等人，2021）。然而，关于不同水文区域中氮转化途径的主导机制存在争议。例如，Bao等人（2023）指出通道系统处于微好氧至氧化还原条件，以硝化作用为主，而基质含水层则主要处于短暂缺氧或亚缺氧状态，有利于反硝化作用。相比之下，Yang等人（2023）观察到通道系统中的反硝化速率更高。这些矛盾表明喀斯特地区异质流动条件下的氮循环过程非常复杂（Zhang等人，2021）。因此，需要进一步阐明驱动氮转化的深层微生物过程。

微生物氮循环在调控硝酸盐归趋的过程中起着关键作用，包括氮固定、硝化、反硝化、厌氧铵氧化（anammox）、异化硝酸盐还原为氨（DNRA）以及同化硝酸盐还原为氨（ANRA）（Mosley等人，2022）。这些过程通常在水生环境中共同存在，以维持高效的氮循环。微生物通过其代谢活动驱动氮循环，而这些活动受到水文条件的调节。具体而言，水文条件通过控制生物扩散、氧化还原波动（氧气变化）和电子供体/受体的可用性来影响微生物氮循环（Flint等人，2021；Bao等人，2023）。此外，物种组成和分布也受到不同生态过程（如群落凝聚和组装）的直接影响（Stegen等人，2013；Mansour等人，2018）。

微生物群落之间的相互入侵现象称为群落凝聚，指的是微生物群落之间的整体交换（Mansour等人，2018）。群落成员之间的连通性导致凝聚过程中的共同归趋结果，凝聚后的群落是由共存物种的相互招募形成的（Diaz-Colunga等人，2022）。因此，凝聚力指数被用来量化微生物群落的连通性，以表征群落凝聚的程度（Herren和McMahon，2017）。群落凝聚框架强调了环境混合作为微生物群落组装的关键驱动因素，特别是在频繁混合的生境中（Mansour等人，2018）。群落组装描述了各种生态过程（如变量选择、均匀选择、扩散限制、均质扩散和生态漂变）如何影响微生物群落的组成和结构（Stegen等人，2013）。Gao等人（2021）发现三峡水库中的微生物群落凝聚促进了均匀选择。Wang等人（2023）指出，水动力学驱动的群落凝聚决定了河流弯道中的生态组装过程。Stegen等人（2016）表明，地下水流带中的地表水-地下水混合使生态过程从随机变为确定性。然而，混合流动喀斯特含水层中群落凝聚和组装对微生物氮循环的影响仍需进一步研究。具体而言，水文驱动的凝聚和组装如何影响通道含水层与基质含水层中氮循环过程的物种选择和分布仍不清楚。

为填补上述研究空白，本研究选择了中国西南部的两个通道系统和一个基质裂隙含水层作为研究对象。研究假设喀斯特水文可以通过促进群落凝聚和组装来影响微生物氮循环。为此，进行了以下分析：（1）阐明喀斯特水文系统的特征和硝酸盐来源；（2）揭示不同水文系统中的细菌群落特征和氮循环过程；（3）识别不同水文条件下的微生物介导的氮转化机制。本研究通过结合水化学、稳定同位素和微生物测序技术，全面揭示了喀斯特水文系统中的氮转化过程和机制，从而加深了对喀斯特水生环境中微生物介导的氮循环的理解。

研究区域的水文地质特征

本研究聚焦中国西南部的三个喀斯特流域：向水东地下河系统（XUR）、石子岩地下河系统（SUR）和桂林喀斯特系统（GKS）（图1a）。XUR和SUR是典型的通道系统，具有显著的地表水-地下水相互作用，而GKS则是一个以喀斯特裂隙为主的基质含水层。XUR位于贵州省开阳县，面积约为59.1平方公里，其基岩为寒武纪石灰岩。

喀斯特水文系统的结构差异

基于以往的水文地质调查、测量和计算结果，比较了三个喀斯特水文系统的结构特征（表1）。在XUR中，示踪剂渗透曲线的单峰/双峰特征表明含水层结构以通道为主（图S1），地下水主要表现为湍流（Koit等人，2022）。地下河的流速（54米/小时）是根据示踪剂数据计算得出的。

喀斯特水文系统中氮来源的多样性

氮来源的多样性受到土地利用和喀斯特水文结构的共同影响（Bao等人，2023；Xiong等人，2023）。结合土地利用分析，调查发现下沉溪流入口（X09和X11）处的生活废物堆积和污水处理厂尾水排放，以及采样点X05-X08所在山谷中的农田，是XUR中主要的人为氮来源（生活污水和农业污染）。SUR

结论

本研究旨在阐明不同喀斯特水文系统中的氮来源和转化过程。在通道系统中观察到多种氮来源（生活污水、土壤有机氮和合成肥料），表明通道系统比基质含水层更容易受到硝酸盐污染。对氮转化相关微生物和基因的全面分析表明，异化硝酸盐还原、同化硝酸盐还原和反硝化是主要的氮转化途径。

作者贡献声明

朱丹妮：撰写——初稿、可视化、方法学设计、数据整理、概念构建。李毅：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、方法学设计、概念构建。牛丽华：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法学设计、调查。周长松：软件应用、方法学设计、调查、资金获取。范连杰：软件应用、资源协调、方法学设计、调查。卢海平：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：国家重点研发计划（2024YFC3214400）、中国地质科学院基础研究基金（JKYQN202420）、国家自然科学基金（52170158）、中国地质调查局项目（DD20230081）、中国地质调查局项目（DD20250501408）、水循环与水安全国家重点实验室（SKL2025TDGGO1）、中央高校基本科研业务费（B230204007）以及国家级其他资助。