河流微生物生態學的研究進展

李 軼，雷夢婷，楊 楠，張文龍，牛麗華，王龍飛

(河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

在全球氣候變化與社會經濟高速發展的背景下，水利工程建設、河岸固化、污染物排放、水生生物過度捕食等人類活動擾亂了河流的自然流態與水文循環過程，改變了原有的水生棲息地環境，造成河流生態系統中生物多樣性的減少，破壞了河流的生態健康并影響其生態功能的發揮[1]，因此，提升流域水環境綜合治理能力迫在眉睫。流域水環境的綜合治理以水文學及水資源、水力學及河流動力學、生物學、化學和生態學等多學科理論體系為基礎，具有鮮明的學科交叉特點，其中，河流微生物生態學的建立和發展是水環境綜合治理的內在需求，但一直缺乏系統性、針對性的研究。

微生物(包括細菌、真菌和古菌)在生態系統中具有重要地位，而河流微生物是河流生物群落和生態系統構造最基礎的部分，具有種類豐富、功能多樣和響應靈敏等特點，在河流底質養分轉化和循環、有機質形成與分解、河流物質循環和能量流動以及其他各類生態過程中扮演重要角色[2]。微生物是提高河流水環境自凈能力、水生態自修復能力的關鍵因素。河流微生物群落的構建和演替過程體現了微生物與河流生態系統功能、恢復力和可持續性之間的關系，是影響污染物在河流中遷移轉化的關鍵因素。因此，利用微生物信息評估河流生態環境、解析退化成因、追溯污染源頭是開展流域水環境綜合治理的重要前提，對河流生態系統重構具有重要意義。

河流生態系統在維持生態系統平衡、物質循環和水文循環、生物物種及其遺傳多樣性等方面發揮了重要作用，物種多樣性豐富、生產力與生境異質性高是其顯著特征[3-4]。與空氣、土壤及其他水體(包括湖泊、水庫、海洋)等微生物生存環境相比，河流有其特殊性質，如在吸收相同熱量的前提下，河流水體的溫度變化更小，對陸地環境變化的響應也較慢，因此，河流的生態空間相對封閉，生態修復時既要阻斷外源污染，也需要對內源污染進行治理。在海洋、湖泊和水庫等低流動性系統中，物質的物理遷移過程可被簡化或忽略，其微生物生態系統結構與功能也呈現出明顯的區域性特征，而河流具有三維流動性，傳質、擴散和彌散等過程對河流不同相之間的物質傳遞具有不可忽視的影響[5]。由于河流中物質和能量的轉化是在水位、流量、流速、動水壓強等復雜變化的動水條件下進行的，因此水動力條件是河流微生物生態研究有別于其他水環境系統研究的重要因素[6]。此外，江、湖、河具有連通性，在進行河流微生物生態系統探究時，不能僅限于討論單支河流，應對流域開展系統全面的調查和分析[7]。鑒于河流系統的特殊性，針對河流微生物生態研究需要充分考慮其特點，所得成果才能更為科學有效地指導河流水環境保護及生態修復實踐。

本文圍繞河流微生物生態學研究的關鍵科學問題，總結理論研究進展和技術應用現狀，分析未來發展趨勢，探討河流微生物生態學在河流水環境保護與生態修復中的意義，以期為今后研究提供借鑒。

1 關鍵科學問題

河流微生物群落特征是河流生態環境和健康評價的關鍵依據之一，微生物群落分布及多樣性影響河流生態系統結構與功能的穩定性。近年來，河流微生物生態學研究在理論體系、測試體系、模型構建和實際應用等方面面臨諸多挑戰。基于研究現狀，本文總結出河流微生物生態學研究中亟待解決的3個核心問題。

1.1 河流微生物群落結構構建機理

根據棲息地不同，河流微生物主要分為懸浮于水體中的浮游微生物和生存于沉積物中的沉積微生物[8]。細菌是河流中數量最多、分布最廣的微生物類群之一，在河流生態系統物質循環及營養分配等重要過程中發揮主要作用[9]。河流不同相中微生物群落的組成結構、物種豐富度及多樣性指數是河流微生物生態學研究的基礎內容，其分布規律由群落構建機制所驅動。因此，河流微生物群落的潛在構建機理是河流微生物生態學研究的第一個關鍵科學問題。

1.2 河流微生物群落生態功能機制

微生物作為河流中物質循環的主要執行者，通過交互的代謝活動，影響河流生態系統中碳、氮、磷、硫、硅、鐵等諸多元素的生物地球化學循環過程。此外，河流微生物還具有降解污染物、調節營養流動等生態功能。微生物群落介導物質的轉化，物質循環促進微生物群落的生長及代謝。因此，河流微生物群落對物質循環及生態調控過程的作用機制是河流微生物生態學研究的第二個關鍵科學問題。

1.3 河流微生物群落環境交互作用

河流微生物群落的組成結構和功能受其生存環境中眾多因素影響，包括理化因子(溫度、pH值、溶解氧等)、營養元素(氮、磷等)濃度及季節因素(光照、降雨)等。除此之外，水動力條件、生物因素以及污染物脅迫等亦對河流微生物群落的組成及功能產生重要作用[10]。在多環境因素的協同作用下，微生物群落在物質循環及生態調控過程中承擔著不同的功能。因此，河流微生物群落生態功能對環境變化的響應-反饋機制是河流微生物生態學研究的第三個關鍵科學問題。

2 河流微生物生態學基礎理論研究現狀

基于河流微生物生態學的3個關鍵科學問題，從河流微生物群落的時空分布規律和生態構建機理，微生物群落在河流物質循環和生態調控中的功能機制，以及河流微生物群落對環境變化的響應-反饋作用等方面闡述河流微生物生態學的基礎理論研究現狀。

2.1 群落時空分布格局

河流微生物群落空間分布格局研究主要體現在其縱向、垂向及橫向的三維分布規律上[6,11]。在現有研究中，微生物群落縱向分布特征研究占多數，如Liu等[12]對近4 300 km的長江河段進行采樣普查，總結出長江流域的浮游微生物及沉積微生物群落的時空分布情況；Wang等[13]對鴨綠江的浮游細菌開展了較為詳盡的調查研究。近兩年來出現對微生物群落垂向分布特征的研究，并將河流中微生物群落縱向和垂向分布特征進行對比，如Gao等[14]對富營養化河流微生物群落縱向和垂向分布特征開展研究；Zhang等[15]以黑臭水體及底泥中的微生物群落為研究對象，得出目標河流中不同空間組合的微生物群落之間差異性表現特征。此外，為了解河流中懸浮顆粒微生物受外源顆粒物輸入的影響，Zhang等[16]在研究中揭示了城市河流彎道處泥沙粒徑與微生物結構及氮物質循環效率的相關性，對河流微生物空間分布機理進行了更細致的研究。

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另一方面，對河流微生物的時間變化研究主要集中在其隨季節的動態變化，溫度、光照和溶解氧濃度等對微生物群落有重要影響的環境因子均會隨季節出現明顯的協同變化，進而引起河流生態系統養分以及物質循環的改變，直接或間接地影響河流微生物的群落結構[17]。毛鐵墻[18]在對湛江灣氮循環關鍵微生物的定量觀測中發現，部分氮循環菌群豐度變化與晝夜交替有關。目前對河流微生物年際變化研究鮮有報道，多見于海洋和土壤等流動性較低、微生物群落結構更為穩定的生態系統研究中[19]。現有研究表明，河流微生物的空間變化與生態構建過程密不可分，而時間變化上則多呈現出季節性特征，現有研究對河流微生物群落跨越時間、空間分布情況的討論往往同步進行，力圖反映河流微生物最為完整、全面的演替變化格局。

2.2 群落生態構建理論

基于生態位理論，微生物群落的聚集和變化被分為選擇、漂變、物種形成和擴散4類基本的生態過程[20-21]。確定性過程影響微生物群落對環境的適應性，決定物種的組成和豐度；隨機過程導致群落組成發生不可預測的變化，兩個過程共同作用，影響并改變了微生物群落在生物地球化學循環中的功能[22]。Li等[23]研究了長江三峽水庫底泥中微生物群落的生態構建過程，認為均質擴散主導群落的演替變化；Zhang等[24]通過計算高海拔地區河流中微生物群落生態組合過程的比率，發現參與反硝化和厭氧氨氧化的功能菌群的生態構建驅動力是隨機過程而非環境選擇；Li等[25]首次將生態學的生態位和中性理論引入河流微生物學中，利用確定性和隨機性方程建立了河流底質微生物群落物種豐度的驅動-響應模型，闡明了動水條件下河流底質微生物群落的響應機制，發現當雷諾數逐漸增大時，河流底質微生物群落構建的主要機制由內部競爭轉向源頭遷移，論證了流動水體中細菌群落的演替動態，對演替生態學做了有效補充。

2.3 河流微生物群落的環境響應機制

溫度、pH值、溶解氧濃度等物理因素對河流微生物群落的生長變化過程發揮基本作用。因為季節因素和溫度的影響具有協同效應，現有研究往往基于季節變化產生的溫度和光照變化分析其對河流微生物群落的影響[14]。而Zhang等[26-27]在對青藏高原地區參與氮循環的河流微生物群落的研究中發現，低氣溫和較大的晝夜溫差是高海拔地區河流特殊菌落形成的重要因素。同時，河流微生物群落對有機物濃度、營養元素(氮、磷等)濃度、水動力條件以及生物因素的變化也會產生明顯的響應[28]。Roberto等[29]通過研究污水排放對城市河流中微生物群落時空分布的影響，揭示了營養元素、水文特征對底質菌群的組成分布有重要作用，而對菌群功能的作用卻很有限；Wang等[13]在研究中提出，浮游植物和原生生物生長過程中會與浮游微生物進行營養物質的競爭，因此，浮游植物和原生細菌等生物因素對水體中的微生物群落分布及結構的影響不可忽略[30]。此外，Gao等[31]對長江干流進行大范圍多季節采樣研究，發現梯級大壩和三峽大壩以其獨特的水力學條件調控了微生物群落的構建機制，從而影響長江干流微生物群落格局及其氮轉化相關活動，從微生物生態學的角度揭示了不同類型大壩在大流域水體中對生態狀況及氮轉化的影響。

2.4 河流微生物介導的生物地球化學循環機制

隨著分子生物學及計算機技術的快速發展，計算機建模方法被應用于河流系統生物地球化學循環過程與結果的定量預測，研究河流生態系統中微生物介導的物質轉化潛在機制[32-33]。Preheim等[34]結合微生物數據和物質垂向遷移轉化模型，預測季節性分層湖泊中生物地球化學循環速率和各物質的終態濃度；Reed等[32]提出基因中心模型，結合基因組學數據描述生物地球化學模型中的微生物群落，預測微生物群落在生物地球化學循環中的功能特征。目前大多數建模方法只關注微生物群落和化學物質的轉化過程，過分簡化甚至忽略物質的遷移過程。在水動力條件復雜的河流系統中，不同相(水和沉積物)之間的物質傳遞、流體動力學擴散等過程是物質動態變化的關鍵步驟[5]。因此，未來的研究中，需要進一步結合三維對流擴散方程和基因中心模型，構建耦合河流水動力與微生物代謝過程的數值模擬方法，實現對河流生物地球化學循環過程的實時、動態預測。

2.5 河流微生物食物網結構功能及營養調控機制

在河流生態系統中，微生物食物網作為生態系統中最基礎的生態網絡，控制著初級生產者的生物量及物質和能量的流動[35-36]。近年來，隨著DNA宏條形碼技術和環境DNA(eDNA)等新興監測分析技術的推廣，Deiner等[37]基于生態系統尺度解析微生物對環境的響應情況。Comte等[38-39]對DNA宏條形碼的研究發現，當環境產生變化時，不同微生物物種會產生不同步的響應，導致微生物群落重組和系統的生態變化。Yang等[40]基于DNA宏條形碼技術，分析梯級開發河流沉積物中微生物生態系統主要組分的結構和功能特征，揭示梯級水庫蓄水對微生物食物網營養傳遞效率的上行和下行控制效應，證實了使用DNA宏條形碼分析微生物食物網的可行性。Li等[41]通過分析目標河流的eDNA樣本，對從細菌到無脊椎動物的多營養級生物結構進行研究，并討論它們對生態系統功能的依賴關系，從而揭示人類活動對河流生態系統功能的顯著影響。當前對河流微生物食物網結構功能及營養調控機制的研究較少，為了解河流生態系統對環境的響應，需要更深入全面的研究。

3 河流微生物生態學應用研究進展

河流微生物群落的組成分布特征、環境交互機制、物質轉化與生態調控功能等理論研究成果具有實際應用價值，成果的應用研究包括初步建立基于微生物群落的河流生態健康指示、評價、診斷體系，利用微生物溯源技術追蹤污染物遷移軌跡以及基于微生物群落重構的生態修復探索等。

3.1 基于微生物群落的河流污染指示及健康評價

a.河流環境污染指示。為評估污染河流的健康風險，對指示水體病原污染的微生物研究是該領域的研究重點，而傳統的糞便菌指標體系被證明具有明顯的局限性[44]。為準確指示河流的總體污染狀況，河流微生物群落與環境因子之間的響應機制逐漸得到重視，一般認為微生物群落多樣性和結構變化由水或沉積物的物理和化學特性引起，包括pH值、溶解氧和營養物質濃度、污染物含量等[45-46]，而忽略了微生物與微生物之間的相互作用[47]。為了研究生態系統中微生物與微生物的相互作用和指示環境狀況的關鍵物種，可利用微生物共生網絡解釋水環境中潛在的物種內或物種間的相互作用[48]。Li等[49]利用共生網絡分析水體微生物群落與環境因子及不同微生物類群之間的關系，根據共生關系中的中心物種對初步限定的指示物種進行篩選，識別出指示水環境不同污染程度的關鍵指標物種。然而，目前特定數量的指示微生物只能定性地反映污染程度，對具體的污染數值缺乏直接定量關系。總體而言，通過篩選及構建微生物指標來指示河流污染程度的研究，將為監測和控制水環境污染水平提供新的視角。

b.河流生態健康評價。國內外學者在河流健康評價方面開展了大量的研究工作，建立了多種河流健康評價方法[50]，近年來基于微生物群落的河流健康評價方法的研究正在逐步開展。Lau等[43,51-52]基于河流細菌多樣性，初步建立了細菌群落指數和細菌生物完整性指數等評價方法，論證了微生物群落作為河流生態健康評價指標的可行性。Li等[53]構建了基于河流底質細菌群落的生物完整性指數(Ba-IBI)，對秦淮河流域進行健康評價，結果表明，大部分的區域處于“惡劣”和“病態”等級，與當時秦淮河的黑臭狀況一致。基于河流微生物構建微生物完整性指數方法被證實是一種切實有效的方法，不僅能區分不同污染等級的區域，且能與水質指數、生境指數、人口密度等建立明顯的相關性[54-55]。然而，目前的研究僅是初步建立了一個基于微生物因子的生物完整性指數方法，在將來的研究中需要利用更高級的分子生物技術和更可靠的數理統計分析方法，進一步改進微生物完整性指數，提升它的實用性和準確性。

c.河流生態健康診斷。隨著微生物完整性指數等方法的發展，可對河流生態健康狀況進行定量評估，然而，傳統的相關性分析僅限于分析環境因子與微生物群落組成及分布的關系。為分析環境因素對河流微生物完整性指數的影響，Zhang等[56-57]創新性地將微生物完整性指數和結構方程模型(structural equation model，SEM)相結合，定量評估各種因素對河流微生物群落的影響，并確定了影響交匯區微生物完整性指數的直接和間接影響因子，同時利用支持向量回歸模型和敏感性分析識別出具有增強污染去除潛力的關鍵環境因子。目前關于河流生態健康診斷的研究較少，由于案例研究的局限性，所得結果沒有普遍性，未來的研究中，如何在生態健康評價的基礎上解析生態“病因”需要進一步關注和探索。

3.2 河流污染物的微生物溯源研究

為解決河流反復污染、治標不治本的問題，對水中污染物的溯源逐漸成為熱點。目前，將糞便菌群的檢測與微生物溯源技術相結合用于指示河流病原污染已取得較大進展。Seurinck等[58-59]總結了基于微生物溯源(microbial source tracking, MST)的糞便污染物溯源技術進展，包括基于特定微生物標記的非建庫法(擬桿菌或大腸桿菌的生物標記法、病毒標記法等)和基于指紋圖譜庫的庫依賴型方法(線粒體示蹤技術、群落指紋分析等)。2006年抗生素抗性基因(antibiotics resistance genes, ARGs)被定義為新興污染物，并受到普遍關注，針對河流中抗性基因的微生物溯源技術研究也逐漸涌現，Baral等[60-61]利用具有典型代表性的微生物溯源工具source tracker模型分析水體中抗性基因的可能來源，為基于微生物溯源技術的河流新興污染物源頭追蹤研究提供了思路。近年來，Zhang等[62]將沉積物中微生物作為泥沙來源指示物，基于改進的source tracker模型，在獲得“匯”區土著微生物數據后，重新計算分配“源”區微生物數據，通過研究泥沙輸移路徑，揭示不同入湖河流對湖區污染物分布和微生物多樣性的影響機制，建立了通用于復雜河湖系統的泥沙溯源體系。然而，目前的微生物溯源方法仍具有較多局限性，溯源結果無法驗證等問題有待解決。

3.3 基于微生物-環境交互機制的生態修復研究

目前，微生物生態修復手段主要包括直接投放微生物菌種、加入微生物促生劑和微生物-物化耦合法等，針對不同類型的河流污染，通過對菌種的篩選、配比與培養，研制具有不同污染物去除效果的微生物菌劑。Sun等[63]對硫氧化菌進行篩選和表征，測試菌種投放對黑臭水體中參與硫循環的功能菌群的影響和除硫效果；吳霞等[64]采用梅花式接種法將本源微生物菌劑直接投入河流中，實現河流中化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)的有效去除。進一步研究表明，聯合投加微生物菌劑和生物促生劑可有效地影響微生物群落的生長變化，對河道污染修復效果更徹底有效[65]。由于河流具有強流動性和復雜的水力條件，微生物菌劑和促生劑的投放常常受到水流干擾，修復效果大打折扣，對此，微生物固定化原位修復技術的研究日益涌現。

基于微生物群落對所處河流環境的響應機制，探索河流微生物群落生態重構技術具有更為矚目的研究前景，如水體復氧技術、河岸近自然修復研究等。水體復氧技術研究多關注于設備改進以提升氧轉移效率[66]，對于微生物群落組成變化影響的探索較為匱乏；河道近自然修復規劃需要基于對不同河流形態下微生物群落的分布及功能情況的調查與討論。自然條件下河流的平面形態包括辮狀河、曲流河、直流河、網狀河等類型，而在城市建設中，通常用混凝土或其他不透水材料將城市河道重建成直流和曲流兩種平面形態。與直型河道相比，彎曲河道增加了水的停留時間，并恢復了河岸緩沖帶，提高了河流的自凈能力，有利于污染物的降解，但是，過度的彎道可能會限制河道的水力承載能力，增加城市澇災的風險。因此，Zhang等[67]結合生態學基本理論和水動力學模型，探究城市河流彎道處微生物群落分布與構建特征及其對氮轉化過程的影響，結果表明，通過在城市建設過程中對河道彎曲程度及泥沙粒徑的合理規劃，可以改變河流微生物群落特征及除氮能力。此類研究從更為獨特、宏觀的角度探討了河流微生物生態系統的重構技術，具有創新性與前瞻性。

4 河流微生物生態學研究發展趨勢

4.1 研究方法革新化

微生物群落的研究方法包括基于物種多樣性研究的傳統微生物培養法、基于代謝功能多樣性與活性分析的biolog微平板技術、基于遺傳基因多樣性研究的變性梯度凝膠電泳法等。近年來，隨著二代測序技術和多組學的發展，實現了一次測序就可快速獲得覆蓋整個基因組、轉錄組甚至蛋白質組的數據量，且檢測成本較低，使得通過測序對某個物種的基因組、轉錄組和蛋白質組做細致全面的分析變得更加便捷。為了應對因測序技術發展而出現爆炸式增長的基因數據，生物信息分析算法的計算能力、運行效率及多數據源整合能力均得到大大提升，生物信息學領域碩果累累。當前，基于二代測序技術和生物信息學的微生物群落監測水平及分析方法全面革新，結合傳統微生物監測方法和分析手段所具有的優勢，將為河流微生物生態學的蓬勃發展奠定堅實的基礎。

4.2 研究尺度宏觀化

國內外學者對不同尺度河流的微生物生態特征進行了大量研究，而研究對象尺度逐步擴大意味著對河流微生物生態學的把握將更為宏觀和全面。如Gao等[14]針對小型城市富營養化河流開展了細菌群落縱向及垂向季節性分布格局研究，并探討菌群分布特征的環境影響因素，對城市污染河流的治理具有重要意義；Liu等[12]首次對長江開展微生物群落信息的普查，研究長江細菌群落時空分布格局，并探討大壩建設對長江微生物生態的影響，為國內大尺度河流微生物生態學研究奠定了基礎。大尺度流域的微生物生態學探究將對水利工程建設、跨流域調水、流域綜合治理等重大政策的制定與實施有一定的指導意義。

4.3 研究維度全面化

在河流微生物領域，以往的研究熱點是在獲取群落結構與多樣性分布特征信息的基礎上，針對不同類型河流的不同區域開展大量野外觀測探究，揭示河流微生物群落結構與多樣性的時空變化格局以及影響群落多樣性的環境驅動因素。未來的河流微生物研究中，應逐步增加研究維度，一方面從細胞結構、酶活性等更為微觀的視角出發，探索微生物物質轉化的機理，另一方面，擴大視野，把目前研究較少的古菌和真菌納入微生物食物網構建和營養調度機制研究的范疇，將對河流微生物群落結構與多樣性的探究轉化為對河流微生物食物網與河流生態功能關系的解析，從而更全面、系統、深入地發展河流微生物生態學。

4.4 理論成果技術化

河流微生物生態學研究面臨著如何將研究成果應用于河流生態健康評價與修復實踐的挑戰。在技術應用領域，雖然利用微生物進行河流生態健康指示、評估和診斷的體系已經較為健全，但是該評估方法目前仍未被官方評價體系收錄，在微生物檢測技術的準確度和時效性上有待進一步提高。此外，在技術應用領域雖然開展了許多技術理論研究，但在實際應用中仍稍顯薄弱。將理論成果技術化是河流微生物生態學研究領域的一大難題。只有將基礎理論研究和技術應用相結合，才能使河流微生物生態學的發展進一步煥發生機。