鄱阳湖饶河入湖口水体和底泥微生物对氮、磷及重金属污染物输入的响应

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淡水湖泊是陆地水网系统的重要组成部分,在调蓄洪水、保障饮用水安全、开展淡水养殖等方面具有极其重要的生态和社会价值。随着我国社会经济的不断发展,在湖泊受到的富营养化以及重金属污染越来越严重的同时,湖泊富营养化与重金属污染的防治也越来越受到人们的关注。但由于氮磷输入和重金属污染过程的持久性以及不同湖泊之间的空间差异性,已有的研究结果之间难以归纳比较,不足以形成完善的结论;而且已有研究大多关注氮磷输入或者重金属污染,但对两者共同引起的复合污染研究很少。本研究选取了鄱阳湖饶河入湖口为研究区域,以入湖口区域的水体以及沉积物为研究对象,在由河入湖过程中的依次设置Site1Site6共6个采样点,并划分为河道(R)、河湖交汇区(RL)、湖区(L)三个典型区域,沿垂直方向依次采集上层水、上覆水以及沉积物样品。分别测定样品中营养盐、重金属的含量以及微生物群落,分析二者的时空变化特征,阐述微生物群落对于氮、磷营养盐以及重金属输入的响应机制,为深入了解和评估鄱阳湖整体的污染状况提供参考,为湖泊生态安全及科学管理提供了理论依据。结果表明:(1)入湖口区域营养盐及重金属的分布受季节性影响最大,其次是不同垂直区域的差异,受样地区域差异影响最小。不同水文期大部分的氮磷营养盐以及重金属含量在由河入湖过程中呈不同的分布模式:枯水期呈单峰分布,退水期呈递增趋势,涨水期呈U型分布。氮、磷营养盐以及重金属在由河入湖过程中,其垂直方向上的分布主要受到沉降——重悬浮动态过程的影响,总体上以沉降过程为主,且上层水——上覆水界面营养盐及重金属物质交换的频率低于上覆水——沉积物界面物质交换的频率。(2)微生物群落结构主要受不同水文期与不同垂直方向的影响,其中垂直方向的影响更大,而在不同的水平区域群落差异较小,主要体现为河道与湖区的差异。不同水文期中,退水期与涨水期群落结构更为接近,涨水期富集了最多的差异微生物。在不同垂直区域,上层水与上覆水的微生物群落结构更为接近,沉积物中富集了最多的差异微生物。饶河入湖口区域门水平微生物群落组成的优势门类相对丰度由高到低依次为包括Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Cyanobacteria(蓝藻)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Planctomycetes(浮霉菌门)、Gemmatimonadetes(芽单胞菌门)、Nitrospirae(硝化螺旋菌门)。基于PICRUSt功能预测发现,微生物主要的功能代谢包括碳水化合物代谢(Carbohydrate metabolism)、能量代谢(Energy metabolism)、脂质代谢(Lipid metabolism)、核苷酸代谢(Nucleotide metabolism)、氨基酸代谢(Amino acid metabolism)等。微生物群落组成在不同水文期差异显著,但其微生物功能不存在显著差异,体现了微生物群落的功能冗余特征;垂直方向上微生物具有类似的功能种类,但不同位置具有不同的代谢侧重点,体现了微生物群落功能在不同环境的偏好性。(3)营养盐以及重金属对微生物群落的影响,时间上按枯水期、退水期、涨水期与微生物的关联程度逐步增加,空间上按上层水、上覆水、沉积物梯度与微生物的关联性逐步降低。对水体微生物群落有显著影响的营养盐包括TN、DTN、NH4-N、NO3-N、TP、DTP、AP、TOC;重金属包括Cd、Pb、Cu,此外环境参数pH、EC、Temp、DO、NTU同样具有显著的影响。对沉积物微生物群落有显著影响的营养盐与重金属包括Zn、TOC、NO3-N、NH4-N、Cd、AFDM,此外含水量SM也会显著影响沉积物微生物群落组成。营养盐以及重金属输入对微生物功能造成的影响较小,更多的体现在群落结构的改变时上,具体表现为通过直接影响部分非高丰度微生物类群,进而间接改变整体微生物群落。(4)本研究发现了一些对营养盐、重金属以及环境参数的改变积极响应的微生物门类。其中Cyanobacteria(蓝藻)对环境变化的响应最为积极,同时受到了氮磷营养盐、重金属以及环境参数变化的影响。Actinobacteria(放线菌门)会同时对氮、磷营养盐以及重金属的变化做出响应。Latescibacteria、Nitrospinae、Bacteroidetes(拟杆菌门)以及Acidobacteria(酸杆菌门)仅可以很好的反映环境中氮、磷营养盐的变化,而Chloroflexi(绿弯菌门)、Nitrospirae(硝化螺旋菌门)则主要体现了微生物对环境中重金属变化的响应。
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