《Environmental Research》：Deriving Predicted No-Effect Concentrations for PFASs to Protect Threatened and Endangered Fish: A Comparison of Water- and Tissue-Residue-Based Toxicity Data
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本研究以桐乡为对象，分析城市、农业及两个开发区沉积微生物群落结构、网络特征及驱动机制，揭示功能区规划通过环境异质性驱动和关键物种迁移影响微生物网络复杂度及生态系统稳定性，为平衡城市发展与生态保护提供依据。
黄俊浩|边浩浩|邱晨|刘文博|齐家敏|周浩|吴冕|沈成|黄明洪|王敏燕|张进
浙江省废弃生物质回收与生态处理重点实验室，浙江科技学院环境与自然资源学院，中国浙江省杭州市西湖区刘河路318号，邮编310023
摘要
功能分区重塑了沉积物微生物群落和生态系统功能，但环境驱动因素和关键物种的跨区域迁移如何共同影响发达地区和发展中地区及其相互作用仍不清楚。为填补这一空白，我们在桐乡（一个过渡性城市）对城市化区域（UA）、农业区域（AA）、发展区域1（DA1）和发展区域2（DA2）进行了环境调查，并结合16S rRNA扩增子测序技术，以量化细菌群落、共现网络、组装过程和跨区域生态联系。尽管各区域的环境条件存在空间同质化现象，但由区域特定发展导致的重金属积累和养分富集的差异显著影响了微生物群落结构。城市化简化了微生物网络，边缘和节点数量减少，模块性降低，关键物种数量减少到2种，从而削弱了生态系统的韧性；而农业发展则增强了多样性，并显示出这些网络指标和18种关键物种的最高值，表明网络稳定性更强。在城市化区域，确定性过程主导了微生物组装（NST > 0.5），而在受农业影响的区域，随机过程占主导（NST < 0.5）。基于SourceTracker的关键物种追踪表明，生态转变可能存在方向性趋势，DA1倾向于城市化，而DA2倾向于农业化。重金属是调节关键物种向DA1迁移的关键因素，而养分富集与重金属积累共同促进了关键物种向DA2的扩散。DA1中的城市化相关生态压力降低了β多样性及网络复杂性（如相对模块性），而DA2中的农业影响则增强了β多样性，并具有更高的网络稳定性和较低的脆弱性。这些发现揭示了发达地区和发展中地区的功能发展共同从根本上重塑了微生物群落动态，改变了群落组装过程，驱动了关键物种的迁移，并调节了生态系统的稳定性和适应性，为理解和管理城市生态系统演变提供了新的见解。
引言
城市化、农业和基础设施扩张推动了人类世的环境变化（Elmqvist等人，2021年）。城市规划过程，包括土地转换和资源开发，会破坏生态系统并减少重要的生态服务（Tobias，2013年；Wang等人，2021年）。这些复杂的变化导致栖息地丧失、污染和营养循环紊乱，损害了生态系统功能（A. k等人，2023年）。高度城市化或农业化的地区对邻近的发展中地区有显著影响。资源共享和基础设施扩张逐渐将邻近地区转变为功能性区域（Zhou等人，2022年）。城市发展带来了经济效益，但同时对生物多样性和生物地球化学循环造成了压力（Grimm等人，2008年）。理解这些影响对于维持生态系统和人类健康至关重要。然而，关于城市发展引起的生态变化的研究，尤其是其机制方面的研究仍然有限。
发达的城市聚集区，如长江三角洲（YRDUA）、珠江三角洲（PRDUA）、波士顿-华盛顿走廊（BosWash）、五大湖地区（GLUA）、东北地区（NEUA）和加利福尼亚州（CUA），通常具有密集的水文网络（Haas和Ban，2014年；He等人，2019年；Shen等人，2023年；Wright等人，2022年）。这些地区的水生生态系统是累积城市影响的敏感指标（Glińska-Lewczuk等人，2016年）。城市、农业和居民活动释放污染物，包括重金属和养分，这些污染物通过排水和运河网络进一步扩散（Hama Aziz等人，2023年；Toor等人，2017年；Wu等人，2023年）。这些污染物会降低水质，对水生生物构成长期威胁，并根据土地利用和管理方式导致富营养化。尽管连通性促进了物质的扩散和微生物迁移，但也使环境条件趋于同质化（Fletcher等人，2024年；Graco-Roza等人，2020年）。这种同质化在更广泛的分类学尺度上增加了微生物群落的相似性。这种同质化可能会掩盖由不同城市策略引起的微妙生态差异（Chen等人，2024年）。理解这些微妙的生态差异对于评估城市环境影响至关重要。
河床沉积物是储存污染物和养分的关键界面，它们介导沉积物与水之间的交换，并驱动养分循环和有机物分解等关键过程，从而支持城市河流生态系统的稳定性（Yang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。尽管城市水网络减少了环境异质性，沉积物微生物群落仍能快速响应微妙的环境压力（Bao等人，2023年）。因此，它们可以作为生态系统健康的有效指标。尽管门或属水平的多样性可能相似，但核心微生物相互作用和功能群在不同地区往往存在差异（Xun等人，2021年）。这些差异反映了区域环境压力，并突显了城市发展对河流生态健康的影响。微生物相互作用的变化揭示了对城市压力的生态响应和适应，这对生态系统健康具有重要意义（Pan等人，2022年；Wang等人，2023年）。了解微生物相互作用是检测城市化和人类活动驱动的生态系统变化的关键（Pan等人，2022年；Wang等人，2023年）。Du等人指出，传统污染物（如重金属和养分）对微生物群落结构的影响比新兴污染物更为显著（Du等人，2022年）。因此，分析沉积物化学成分和微生物组成有助于发现传统评估方法所忽视的生态变化。功能区域（如城市或农业区）可能调节微生物的扩张或衰退，从而塑造生态功能。微生物相互作用和水文传输也会影响邻近生态动态。这些相互作用可能会在发展中地区塑造新的生态特征。微生物指标提供了关于典型环境驱动因素如何塑造河流生态系统的见解，支持有针对性的恢复策略（Danko等人，2021年；Roguet等人，2022年）。然而，大多数现有研究要么关注整体水质，要么关注大规模多样性模式，很少有研究明确将功能分区和城市河流网络中的沉积物微生物相互作用联系起来。特别是，功能区域如何影响发展区域中的微生物组装过程、共现网络和关键物种的机制仍不甚明了。解决这些知识空白对于阐明城市规划决策如何通过河流生态系统传播以及设计有针对性的、基于过程的管理策略至关重要（Foulquier等人，2024年；Premke等人，2022年）。
桐乡位于长江三角洲的核心地带，是一个具有密集河流网络和强水文连通性的中等规模过渡性城市，农业、工业和服务业在这里共同发展（Guo等人，2024年；Wang等人，2021年；Zhang等人，2024年）。该市的职能分区规划明确了城市化区域、农业区域和发展中区域，形成了紧凑地理范围内的土地利用压力梯度（Zhai等人，2025年）。最近的城市疏浚项目清除了历史沉积物，因此当前的沉积物反映了当前的分区影响而非历史积累。这些特征使桐乡成为一个具有代表性且易于研究的案例，用于探讨功能分区如何塑造沉积物细菌群落、其组装过程、网络特性和关键物种。
本研究旨在通过分析桐乡多个城市区域的河床沉积物特征，来研究城市发展分区对城市生态系统的影响。除了典型的河流沉积物环境因素外，我们还使用16S rRNA基因扩增子测序技术来表征城市化区域（UA）、农业区域（AA）和发展中区域（DA1和DA2）的细菌群落结构和生态功能。我们假设不同的城市发展战略从根本上驱动了沉积物微生物群落、功能多样性和共生网络相互作用的分化。通过结合环境分析和微生物动态，我们旨在揭示通常被同质化环境条件掩盖的微妙内部异质性，从而阐明特定规划方法如何协调这些生态变化。关键的是，我们还研究了已建立的功能区（如城市和农业区）是否将其生态特征传递给邻近的发展中区域，以调节其演变。这些发现有望为城市规划者和政策制定者提供新的见解，提供一个多学科框架，以平衡经济增长与河流生态系统的可持续性。
采样地点
桐乡是“长江三角洲一小时经济圈”的关键节点，拥有发达的交通和繁荣的经济。主要产业包括纺织品、丝绸、皮革和化学纤维。该地区有密集的河流网络，南部河流与海宁长安-上塘系统相连，北部河流通过兰溪塘与江苏的水网相连（Wang等人，2024年）。大运河贯穿桐乡，经过9个城镇和3条街道
河床沉积物的物理化学性质
测量了每个区域的沉积物样本的物理化学性质。城市化区域（UA）在各种环境因素方面表现出显著的空间异质性，尤其是在总氮（TN，CV = 0.55）、总有机碳（TOC，CV = 0.59）、总锌（Zn，CV = 0.60）和总铬（Cr，CV = 0.63）方面变异较大。相比之下，农业区域（AA）的环境条件相对稳定，变异较小（平均CV < 0.5），尽管局部存在
城市发展驱动了各区域内在的潜在差异和共现网络变化
不同城市区域的生态环境表现出一定程度的同质性，大多数指标在采样点之间没有显著差异。例如，城市化区域（UA）和农业区域（AA）之间的环境因素没有显著差异。然而，UA和AA在几个指标上表现出明显的空间异质性，这可能是由于不同的局部来源所致前景与局限性
在本研究中，我们发现城市化带来的环境压力显著影响了微生物群落的生长和多样性。具体而言，农业和城市化区域的微生物群落在功能性和结构上表现出明显差异。城市化带来的生态压力通过降低物种相互作用网络的复杂性和稳定性简化了群落结构。相比之下，农业区域支持了更多的
CRediT作者贡献声明
刘文博：撰写——审稿与编辑、调查、正式分析。邱晨：方法学、调查、正式分析。齐家敏：可视化、调查、正式分析。吴冕：调查、数据管理。周浩：资源获取、调查。黄明洪：验证、监督、资源获取、正式分析。沈成：调查、正式分析、数据管理。张进：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、项目管理、正式分析、数据
未引用参考文献
A. k等人，2023年；Wang等人，2023年；Wang等人，2024年；Wang等人，2021年；Zhang等人，2021年；Zhang等人，2024年。
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报告的工作。
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报告的工作。
致谢
本研究得到了浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号2025C04017）以及国家自然科学基金（项目编号22276174、21906148）的资助。
