城市污染河流水体垂向非均匀层微生物群落分布及其对硫转化的作用机制

Understanding of the distribution of microbial community along the vertical direction and its viable transformation for pollutants is important for optimizing the river management. The transportation and the transformation of sulfur in river play essential roles on the formation of black and odorous river. Microbial community is the main driver for the transformation of sulfur. However, previous studies mainly focused on the variance of microbial community assemblages in rivers along the longitudinal direction, and ignored the differences of microbial community structure and functions along the vertical direction and the induced impact on sulfur transformation. Therefore, this study is to illuminate the vertical assemblage of microbial community in nonuniform layers and its impact on sulfur transformation in polluted urban river by combining the wild sampling and indoor cultivation, using high-throughput sequencing and bio-information analyzing. The distribution patterns of sulfur-cycling-related and all other microbiomes in nonuniform layers of different polluted rivers were firstly uncovered. The environmental responses of microbial community structure, function and their viable transformation on sulfur were then studied. Based on these analyses, the relations among microbial community assemblage, sulfur cycling related functions, enzymes activities variations, and the transformation rates of sulfur were resolved. The microbiome driven sulfur transformation dynamics were further developed. The above results could provide important information for the management of polluted rivers.

掌握污染河流水体垂向微生物分布特征及其对污染物的转化机制是河流治理的重要依据。硫在河流水体中的迁移转化过程对水体黑臭形成有着重要作用，微生物是硫转化的主要驱动者，当前研究多关注河流水体纵向上微生物群落变化，对垂向上微生物群落结构和功能的差异、以及这种差异对硫转化过程影响的研究较少。课题拟以城市污染河流水体中微生物群落为研究对象，以解析硫微生物转化过程为目的，通过野外取样分析和室内模拟试验，借助高通量测序和生物信息学分析等手段，首先研究城市污染河流水体垂向非均匀层中总微生物菌群和硫循环菌群的分布特征，识别主导环境因子；再研究主要特征因子作用下微生物群落结构、功能和硫微生物转化过程的环境响应机制；在此基础上，解析微生物群落结构、硫循环菌群功能和酶活性变化与硫微生物转化速率间的关系，建立污染河流水体垂向硫微生物转化的动力学方程，为城市污染河流的治理提供科学依据。

城市河流的综合治理是社会经济可持续发展的重要保障。硫循环是河流生物地球化学循环的重要组成部分。在城市河流水环境恶化过程中，硫元素在水体垂向上的迁移转化过程不容忽视。本研究聚焦城市污染河流水体中的硫的微生物转化过程，开展城市污染河流水体垂向非均匀层微生物群落分布特征及其对硫转化的作用机制的研究。主要内容包括：城市污染河流垂向硫循环菌群与基因分布及其对硫转化的影响研究、城市污染河流水体分层混合过程中物质转化及微生物群落演替机制研究、城市污染河流分层水体混合后细菌驱动的硫转化过程模拟研究等。主要结论如下：.（1）水体与底泥中硫素浓度均较高且呈现明显垂向分布特征。参与硫循环的菌群包括32个细菌属与8个古菌属，分别占据总细菌和古菌群落的19.20%和42.65%。硫循环功能基因分为4类27种，且水样中相关基因丰度普遍低于泥样。硫循环功能菌群与基因的分布影响了硫素含量的分布，河流垂向随深度增加，硫还原反应不断加剧，黑臭状况加剧。硫循环代谢通路中同化硫酸盐还原与异化硫酸盐还原较易进行，且在垂向上随河流深度增加而更易发生，而硫氧化系统中的硫代谢难度则较大，导致了河流黑臭程度的加重。.（2）分层水体中，不同深度水体总细菌群落的α-多样性指数从底层至表层逐渐减小。分层水体发生混合后，细菌群落均匀度、多样性和网络相互作用都明显下降，随后缓慢恢复，水体中的总细菌群落和活性细菌群落结构在时空尺度上均显示出显著差异性。群落构建分析表明总细菌群落在垂向上的构建过程主要由确定性主导。分层水体水质特性与细菌群落多样性和结构具有显著相关性，结构方程模型分析结果表明了水体分层引起的硫素变化对细菌群落的直接影响最大。.（3）分层水体混合后下层水体和表层沉积物中硫素的释放刺激了光合营养型硫细菌和硫还原菌的生长，混合后中下层水体迅速变为厌氧环境也为硫转化菌群的生长提供了有利条件。基于硫转化功能菌群与硫转化速率间的关系，构建了水体垂向细菌群落驱动的硫转化生物地球化学模型，模拟并预测了不同混合条件下硫转化菌群和水质特性的变化。发现与混合后水体再分层状态相比，通过曝气等技术使整个水体快速复氧，可以有效抑制水体的分层现象以及光合营养型硫细菌和硫氧化菌的大量生长；通过闸坝优化调度降低温跃层的深度，硫转化菌群丰度也将显著减少，从而削弱硫转化过程强度和污染物累积。