The Influence on Contaminant Bioavailability and Microbial Abundance of Lake Hongze by the South-to-North Water Diversion Project

南水北調(diào)工程對洪澤湖污染物生物利用度和微生物豐度的影響

來源：International Journal of Environmental Research and Public Health2019, 16, 3068;

 

論文總結(jié)

研究系統(tǒng)評估了南水北調(diào)工程這一大型水利工程對參與者湖泊——洪澤湖的沉積物污染物生物有效性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。通過結(jié)合原位高分辨率被動采樣技術(shù)（DGT） 和下一代高通量測序技術(shù)，揭示了水工調(diào)控導(dǎo)致的水動力變化如何改變湖泊的微環(huán)境化學(xué)特征與微生物生態(tài)。以下是對論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，世界著名的南水北調(diào)工程旨在緩解中國北方的嚴(yán)重水資源短缺。洪澤湖作為該區(qū)域重要的淡水湖，分析調(diào)水工程對其典型污染物生物有效性和微生物豐度的影響，有助于全面理解水動力變化的生態(tài)效應(yīng)。本研究結(jié)合原位擴(kuò)散梯度薄膜技術(shù)（DGT） 和高通量測序?qū)闈珊M(jìn)行調(diào)查，以確定環(huán)境因子與微生物群落之間的關(guān)系。DGT有效獲得了超過85%的相應(yīng)污染物的生物有效濃度；結(jié)果顯示，受調(diào)水影響的區(qū)域其活性磷（P）、硫（S）、鐵（Fe）、砷（As）和汞（Hg）的濃度更高。此外，分布在調(diào)水區(qū)的采樣點的微生物相對豐度和α多樣性與其他站點存在顯著差異。pH、電導(dǎo)率以及活性Mn、As和P被證明是影響微生物豐度和多樣性的主要環(huán)境因子。研究表明，南水北調(diào)工程對參與者湖泊的影響在整體調(diào)查中是不可忽視的。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

量化南水北調(diào)工程導(dǎo)致的水動力變化如何影響洪澤湖沉積物中典型污染物（如P、S、As、Hg、重金屬）的生物有效性（即可被生物利用的形態(tài)與濃度）。

闡明調(diào)水工程如何改變洪澤湖沉積物的微生物群落結(jié)構(gòu)（包括豐度、多樣性及組成）。

探究環(huán)境理化因子（如pH、DO、ORP）與污染物生物有效性之間的相互作用，及其如何共同驅(qū)動微生物群落的響應(yīng)。

 

為大型調(diào)水工程的生態(tài)環(huán)境影響評估提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，并為湖泊管理提供理論指導(dǎo)。

 

研究思路

研究采用了“空間布點-原位測量-高通量分析-統(tǒng)計關(guān)聯(lián)”的系統(tǒng)性思路：

 

空間布點與采樣：在洪澤湖全域設(shè)置了18個采樣點（圖1），根據(jù)其受南水北調(diào)工程水動力影響的程度分為不同區(qū)域（如灣區(qū)、調(diào)水影響區(qū)、入出水口區(qū)）。

 

原位被動采樣（DGT）：使用1D和2D DGT探針（包括ZrO-DGT用于P、S，Chelex-DGT用于重金屬，Mercapto-DGT用于Hg、As）原位部署在沉積物中，獲取了高分辨率的污染物（P, S, Fe, Mg, Cd, Pb, Mn, Cu, Hg, As）生物有效態(tài)濃度剖面（分辨率達(dá)毫米/亞毫米級）。

微環(huán)境理化參數(shù)測量：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位穿透測量沉積物的pH、氧化還原電位（ORP）、溶解氧（DO）、H2S等關(guān)鍵微環(huán)境參數(shù)。

微生物群落分析：采集沉積物樣品，通過16S rRNA Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)，解析所有樣點的微生物群落結(jié)構(gòu)、α/β多樣性及組成。

 

數(shù)據(jù)整合與統(tǒng)計分析：將獲得的化學(xué)數(shù)據(jù)（DGT、微電極）、微生物數(shù)據(jù)（測序）和環(huán)境參數(shù)（如電導(dǎo)率、懸浮固體）進(jìn)行多變量統(tǒng)計分析（包括CCA、Bray-Curtis距離、線性回歸），以揭示環(huán)境因子-污染物-微生物三者之間的驅(qū)動關(guān)系和耦合機(jī)制。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

污染物生物有效態(tài)濃度空間分布數(shù)據(jù)（來源：Figure 2）

 

 

 

數(shù)據(jù)：DGT測量顯示，受調(diào)水影響的站點（如2, 3, 10, 11號點）其活性P（5–300 μg/L）、S（8–138 μg/L）、As（0.17–4.21 μg/L）、Hg（0.05–1.29 μg/L）濃度顯著高于其他站點。重金屬（Cd, Pb, Zn, Fe, Mn, Ca, Mg, Cu）的活性濃度也存在顯著空間變異。

 

研究意義：直接證實南水北調(diào)工程改變水動力，導(dǎo)致了污染物在特定區(qū)域的再分布和富集，提高了其生物可利用性，潛在生態(tài)風(fēng)險增大。

 

微生物群落α與β多樣性數(shù)據(jù)（來源：Table 2）

 

數(shù)據(jù)：高通量測序獲得63,006個OTUs。受調(diào)水影響的站點（如2, 10）其微生物α多樣性（Shannon, Chao1指數(shù)）顯著低于其他站點。β多樣性分析（PCA）顯示調(diào)水區(qū)站點群落結(jié)構(gòu)與其他站點分離。

 

研究意義：表明調(diào)水工程對微生物群落產(chǎn)生了選擇性壓力，降低了其多樣性，可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能簡化。

 

微生物群落組成數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)：細(xì)菌占主導(dǎo)（91.3–96.8%），優(yōu)勢菌門為放線菌門（Actinobacteria, 36.2–78.6%）。在受調(diào)水影響的2號點，硫酸鹽還原菌（Desulfovibrio, 31.5%）異常富集；10號點甲基桿菌（Methylobacillus）豐度極高。

 

研究意義：揭示了特定功能微生物（如SRB、甲基化菌）對調(diào)水工程的響應(yīng)，SRB富集可能與高S濃度和缺氧環(huán)境相關(guān)，而甲基化菌富集可能驅(qū)動Hg的甲基化，增加生態(tài)風(fēng)險。

 

環(huán)境理化參數(shù)數(shù)據(jù)（來源：Table 1）

 

數(shù)據(jù)：受調(diào)水影響的站點（如2,3）其DO濃度顯著較低，而電導(dǎo)率、SS等參數(shù)也存在差異。

 

研究意義：提供了微生物和污染物變化的環(huán)境背景，低DO為厭氧過程（如反硝化、硫酸鹽還原）創(chuàng)造了條件。

 

環(huán)境因子-微生物群落關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（來源：Figure 3, Figure 4）

 

 

數(shù)據(jù)：CCA和線性回歸分析表明，pH、DOC（溶解有機(jī)碳）、ORP是驅(qū)動微生物群落結(jié)構(gòu)變異的最主要環(huán)境因子（p<0.05）。pH和DOC與α多樣性（Faith's PD, Simpson）呈顯著負(fù)相關(guān)，ORP呈正相關(guān)。

 

研究意義：從統(tǒng)計學(xué)上定量揭示了影響微生物生態(tài)的關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動力，為預(yù)測和調(diào)控湖泊生態(tài)系統(tǒng)對人為干擾的響應(yīng)提供了關(guān)鍵參數(shù)。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

南水北調(diào)工程對洪澤湖的污染物生物有效性和微生物群落產(chǎn)生了顯著影響。受調(diào)水影響區(qū)域的活性P、S、As、Hg濃度更高，而微生物α多樣性更低，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。

pH、DOC和ORP是驅(qū)動微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的最關(guān)鍵環(huán)境因子。pH和DOC升高、ORP降低對微生物多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響。

調(diào)水工程通過改變水動力，影響了沉積物的微環(huán)境（如創(chuàng)造缺氧條件），進(jìn)而促進(jìn)了硫酸鹽還原菌等厭氧功能菌群的富集，這可能加劇了某些污染物的形態(tài)轉(zhuǎn)化（如Hg的甲基化）和生態(tài)風(fēng)險。

 

研究表明，大型調(diào)水工程對參與者湖泊的生態(tài)環(huán)境影響是復(fù)雜且深遠(yuǎn)的，需要進(jìn)行長期的、綜合性的生態(tài)監(jiān)測與評估。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位測量沉積物微環(huán)境理化參數(shù)（pH、ORP、DO、H2S）的數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的作用，其研究意義遠(yuǎn)超簡單的參數(shù)測量：

 

提供了揭示“微觀界面”過程的關(guān)鍵證據(jù)：沉積物-水界面（SWI）是污染物遷移轉(zhuǎn)化的熱點區(qū)域，其化學(xué)梯度（如氧躍變層）控制著眾多生物地球化學(xué)過程。Unisense微電極的尖端極其微小（如DO電極10μm），可以高分辨率（毫米級）原位穿刺沉積物剖面，實時測量pH、ORP、DO等參數(shù)的垂直分布梯度。這為理解調(diào)水如何影響沉積物內(nèi)部的氧化還原狀態(tài)（如導(dǎo)致缺氧區(qū)形成）提供了最直接的證據(jù)，從而合理解釋了為何調(diào)水區(qū)厭氧過程（如硫酸鹽還原）增強(qiáng)、相關(guān)污染物（S、Hg）形態(tài)發(fā)生變化。

建立了“環(huán)境條件-微生物活動-污染物形態(tài)”的因果鏈條：微電極測得的低DO和低ORP數(shù)據(jù)，與硫酸鹽還原菌（SRB）的異常富集（測序結(jié)果）以及高活性S濃度（DGT結(jié)果）形成了完美的證據(jù)鏈。這表明Unisense數(shù)據(jù)是連接環(huán)境條件（調(diào)水導(dǎo)致缺氧）、微生物響應(yīng)（SRB富集） 和污染物效應(yīng)（S循環(huán)加劇） 的核心橋梁，使機(jī)制闡釋不再是推測，而是基于原位實測的可靠結(jié)論。

輔助驗證并深化了DGT的測量結(jié)果：DGT測量顯示調(diào)水區(qū)As、Hg活性濃度高。Unisense微電極測得的低ORP條件正好為As的還原釋放（As(V)→As(III)）和Hg的甲基化提供了有利的熱力學(xué)條件。兩者的數(shù)據(jù)相互印證，共同揭示了調(diào)水工程通過改變沉積物微環(huán)境理化性質(zhì)，進(jìn)而影響污染物生物有效性的內(nèi)在機(jī)制。

 

為模型模擬與預(yù)測提供高精度參數(shù)：微電極獲取的化學(xué)梯度數(shù)據(jù)是構(gòu)建和驗證早期成巖作用模型、污染物遷移轉(zhuǎn)化模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。這些高分辨率的原位數(shù)據(jù)極大地提高了模型模擬的準(zhǔn)確性，有助于預(yù)測在持續(xù)調(diào)水情景下，洪澤湖的生態(tài)演化趨勢。

 

總之，丹麥Unisense微電極在本研究中扮演了 “環(huán)境偵探”和“機(jī)制驗證者” 的關(guān)鍵角色。它提供的原位、高精度、實時的微環(huán)境理化數(shù)據(jù)，成功地將宏觀的“調(diào)水影響”具象化為沉積物內(nèi)部可測量的化學(xué)梯度變化，并令人信服地揭示了這些微環(huán)境變化是驅(qū)動微生物群落演替和污染物生物有效性變化的核心物理化學(xué)機(jī)制。沒有這些數(shù)據(jù)，本研究關(guān)于調(diào)水生態(tài)效應(yīng)的結(jié)論將缺乏深度和說服力。