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通讯单位：湖南大学环境科学与工程学院
https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122556![]()
汇流区因其复杂的水力特征及其对下游河段乃至整个河湖网络的影响，近年来受到广泛关注。在河湖相通的系统中，汇流区作为重要结构，影响流速和流向、泥沙输送、水体交换及磷循环过程，进而影响沉积物和水体中的磷（P）分布，对于水生生态系统至关重要。研究表明，河流交汇处，特别是在深水区，会加剧表层沉积物的磷滞留，导致污染比主河道更为严重。外部磷负荷以及沉积物的滞留和释放影响着水体中的磷酸盐浓度。此外，微生物活动，如细菌和藻类的吸收、释放，以及沉积物-水界面磷的吸附-解吸、沉淀-溶解等过程，对磷循环均至关重要。沉积物特征，包括有机质含量、粒径、铁铝氧化物和水动力条件等，同样会影响磷的分布。
以往的研究主要集中在磷的运输过程上，但对于磷循环中的生物地球化学转化，特别是微生物群落在复杂水动力条件下的响应机制，仍不明晰。微生物在河流生态系统磷循环中可以促进有机磷（OP）的矿化、无机磷（IP）的固持与释放、磷化合物的合成以及磷矿物溶解性的变化。这些过程对于水生植物对磷的吸收、减少营养物质流失以及增强生态系统中的磷至关重要。然而，河湖汇流区复杂水动力条件下沉积物中的微生物群落响应及其对磷循环的影响尚未得到全面研究。
因此，本研究旨在研究河湖汇流区复杂水动力条件下沉积物微生物群落的响应机制，以及微生物群落对磷循环过程的影响。主要研究目标是：（1）探究不同水动力条件下河湖汇流区微生物群落的组成与分布特征；（2）识别关键物种并研究微生物在磷循环过程中的参与机制；（3）探索影响微生物群落的关键环境因素及汇流区对其的影响。![]()
根据模拟的流速和流向，将研究区域划分为6个不同的水动力区域（图3A）：流动停滞区（FST）、流动偏转区（FD）、流动分离区（FSE）、最大流速区（MV）、剪切层区（SL）和流动恢复区（FR）。方差分析（ANOVA）结果显示，总氮（TN）、三价铁（Fe3+）、钙磷（Ca-P）、铝磷（Al-P）和残留磷（Res-P）的浓度在不同的水动力区域之间存在显著差异（F>1，p<0.05），而其他物质的浓度则表现出均一性。进一步地，采用Duncan多重检验（DMRT）对这5种物质在不同水动力区域间的平均浓度进行比较分析（图3B）。结果发现，来自洞庭湖的入流区（DTI）、流动停滞区（FST）和流动偏转区（FD）的5种物质浓度，与流动分离区（FSE）、剪切层区（SL）、最大流速区（MV）、流动恢复区（FR）及来自长江的入流区（YtzI）之间存在显著差异。值得注意的是，Ca-P、Al-P和Res-P在各区域之间表现出显著的变化，其中Al-P为生物可利用磷，Ca-P与沉积物中磷的埋藏相关。此外，位于3号采样断面的采样点3L、3C和3R分别位于FST、FD和FSE区域。图3 （A）研究区域和3号采样断面的模拟流速云图；（B）不同区域TN、Fe3+、Al-P、Ca-P和Res-P浓度的DMRT分析
微生物16S分析结果显示，在不同水动力区域内（图4A），微生物群落组成并未表现出显著差异。因此，基于Duncan多重检验（DMRT）结果，将18个沉积物采样点分为两组（G1\G2）。G1组包括来自洞庭湖的入流区（DTI）、流动停滞区（FST）和流动偏转区（FD）的样本，而G2组包括来自流动分离区（FSE）、剪切层区（SL）、最大流速区（MV）、流动恢复区（FR）和来自长江的入流区（YtzI）的样本。Wilcoxon秩和检验结果表明，G1组的水体流速较低，沉积物颗粒较粗。G1组的沉积物中，铝磷（Al-P）、有机磷（OP）和生物磷（bio-P）的浓度显著较高，而弱吸附态（NH4Cl-P）和钙磷（Ca-P）的含量较低。G1组的水体中，总磷（WTP）和颗粒磷（PP）的含量显著较高。主坐标分析（PCoA）（图4B）和ANOSIM分析（图4D）结果进一步确认了G1和G2之间的显著差异（ANOSIM=0.5702，p=0.001）。alpha多样性指数比较结果显示，G1组中的微生物群落更加多样和丰富（图4E）。研究结果表明，G1和G2的微生物群落在组成和营养含量上存在差异，这可能导致两组内微生物群落的分布和功能性各异。 ![]()
图4 汇流区的微生物群落特征。（A，B）基于Abund-Jaccard距离的PCoA分析结果。（C）门水平的微生物群落柱状图。（D）门水平的ANOSIM分析。（E）G1和G2的微生物多样性
通过16S PICRUSt2微生物功能预测，探讨了两组沉积物中微生物对磷循环的影响。研究发现，G2组的无机磷（IP）溶解基因（如ppa）和有机磷（OP）矿化基因（如phoD、phoX）相对丰度显著增加，而G1组表现出更高的磷同化能力和更紧密的微生物互作网络。沉积物中TP、OP、Al-P和bio-P在G2中的浓度显著低于G1。网络分析显示，G1中微生物网络更为紧密，以厚壁菌门（Firmicutes）和绿弯菌门（Chloroflexi）为主，主要参与磷的吸收和释放；而G2中假单胞菌属（Pseudomonas）等微生物在磷的矿化和溶解中发挥关键作用。研究结论表明，G1的微生物群落在磷同化方面表现突出，而G2中的微生物则更倾向于促进磷的矿化和溶解。图5 磷循环基因相对丰度的Wilcoxon秩和检验结果
图6 （A，B）G1和G2组微生物群落的Zi-Pi分析结果。（C）G1和G2组微生物群落网络结构参数
图7 LDA和LEfSe分析（LDA>3.5，p<0.05）结果
通过分析河湖汇流区3号采样断面上3个采样点的水动力条件，探讨了不同区域沉积物中磷组分的分布及其与微生物群落的关系。结果表明，FST和FD区域的总磷（TP）、可还原性磷（BD-P）和有机磷（OP）浓度较高，而FSE区域则具有较高的钙结合磷（Ca-P）、残留磷（Res-P）和弱吸附态磷（NH4Cl-P）含量。微生物群落组成与这些区域的磷组分差异相关，FST和FD区域的生物磷含量较高，微生物群落更丰富，具有较强的磷循环能力。图8 磷形态分布、中值沉积物粒径及3号采样断面中的沉积物成分比较
Mantel检验和Spearman相关性热图，揭示了影响沉积物中微生物群落的主要环境因素，包括总有机碳（TOC）、总氮（TN）、溶解性有机碳（DOC）、pH值、铝结合磷（Al-P）、有机磷（OP）、铵离子（NH4+）、可还原性磷（BD-P）和沉积物中值粒径（D50）。研究发现，TOC是影响微生物群落的最主要因素，微生物群落与生物可利用磷（如Al-P和OP）呈正相关，而与pH值呈负相关。研究结论表明，微生物群落在河湖汇流区的磷循环中扮演着重要角色，影响了沉积物中的磷动态和下游的磷污染状况。图9 （A）环境因素与微生物群落之间的Mantel检验；（B）微生物种群相对丰度与环境因素之间的Spearman相关性；（C）微生物群落、水动力参数、水体特性和沉积物特性之间关系的PLS-SEM图
采用偏最小二乘法结构方程模型（PLS-SEM）分析评估了沉积物、水体特性和水动力对微生物群落组成的影响，结果表明沉积物特性是影响微生物群落的主要因素，而水体特性则通过影响沉积物间接作用于微生物群落。水流速度和沉积物中值粒径（D50）也显著影响了水和沉积物的相互作用。研究发现，总有机碳（TOC）、总氮（TN）、溶解性有机碳（DOC）、pH值、铝结合磷（Al-P）、有机磷（OP）、铵离子（NH4+）和可还原性磷（BD-P）是影响微生物群落结构的关键环境因子。通过分析，进一步揭示了沉积物与水体在磷循环和微生物动态中的相互作用，表明通过调控沉积物和水流条件有助于改善河湖系统中的磷污染情况。
本研究探讨了复杂水动力在河湖汇流区如何影响沉积物微生物群落和磷动态。研究发现，在具有不同水动力特征的环境中，微生物对磷循环的贡献有所不同。流速和沉积物中值粒径（D50）通过影响水体和沉积物特性，对微生物群落产生影响。富集在不同汇流区的微生物在水体磷循环中发挥了关键作用。微生物群落组成影响了微生物参与磷生物地球化学过程的方式。在流速较高且沉积物较细的区域，有机磷（OP）矿化和无机磷（IP）溶解现象较强。在3号采样断面中，FST、FD和FSE区域复杂的水动力特征以及沉积物中值粒径（D50）和磷组分的差异导致微生物群落分为两组（G1和G2）。这种差异表明汇流区在影响微生物功能和磷转化中的重要作用。因此，在类似复杂河网环境中，考虑这些动态对于有效的水生态系统管理和保护至关重要。
梁婕，博士，湖南大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，国家高层次人才计划青年项目入选者，湖南省科技创新领军人才、湖南省杰出青年基金获得者，国家注册环境影响评价工程师。主要从事流域水生态环境过程、效应与管理等方面的工作。近年来，第一/通讯作者在国际权威杂志ES&T、WR、JH等上发表SCI论文60余篇，入选全球前2%顶尖科学家职业长期影响力榜单。
颜珉，湖南大学环境科学与工程学院2021级硕士，研究方向为流域污染物输移与过程模拟。硕士期间参与国家自然科学基金联合重点项目、国家自然科学基金面上项目、湖南省重大水利科技项目等多项科研项目。
通讯邮箱：yanmin00@hnu.edu.cn
