Deciphering the origins, composition and microbial fate of dissolved organic matter in agro-urban headwater streams

分析了農(nóng)業(yè)城市源頭溪流中溶解有機(jī)質(zhì)的來源、組成及微生物特性

來源：Science of the Total Environment 2018.12.237

 

論文概述

研究聚焦于中國太湖流域的亞熱帶地區(qū)，通過對比森林（參考）、農(nóng)業(yè)和城市三種不同土地利用類型下的15條一級源頭溪流，系統(tǒng)探究了人類活動（農(nóng)業(yè)和城市化）如何通過非點源途徑改變溪流生態(tài)系統(tǒng)中DOM的數(shù)量、質(zhì)量及其最終的微生物歸宿。

 

1. 摘要核心內(nèi)容

摘要指出，景觀城市化和集約化農(nóng)業(yè) dramatically 改變了溪流生態(tài)系統(tǒng)。本研究應(yīng)用體積排阻色譜（SEC）、熒光激發(fā)-發(fā)射矩陣（EEMs）、吸光度和木質(zhì)素生物標(biāo)志物等多種分析技術(shù)，探究了不同土地利用下溪流DOM的特性及其微生物歸宿。結(jié)果表明，與森林溪流相比，農(nóng)業(yè)和城市用地都增加了溪流中溶解有機(jī)碳（DOC）的濃度和輸出通量，并降低了其C/N比，且大部分DOC與類腐殖質(zhì)結(jié)合。然而，DOM的組成存在顯著差異：城市溪流富集了人為/水生來源的類富里酸和類蛋白DOM，其芳香性和分子量降低；而農(nóng)業(yè)溪流則富集了微生物轉(zhuǎn)化的土壤源類腐殖質(zhì)和低分子量物質(zhì)（如中性物和酸）。人類活動還影響了DOM生物地球化學(xué)的季節(jié)動態(tài)。冗余分析（RDA）表明，DOM的質(zhì)量（分子來源和分子量）是影響微生物碳處理的最主要因素。城市溪流中更高比例的DOM最終被礦化為CO?，這主要歸因于微生物對腐殖和非腐殖物質(zhì)（如蛋白質(zhì)、多糖和木質(zhì)素）的利用效率較低，以及更高的無機(jī)氮磷水平；而農(nóng)業(yè)和森林溪流中相當(dāng)一部分DOM傾向于進(jìn)入微生物生產(chǎn)和難降解DOM庫。研究表明，城市化和農(nóng)業(yè)實踐導(dǎo)致的溪流DOM特性差異可能會影響微生物碳處理過程，并對流經(jīng)淡水生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳?xì)w宿產(chǎn)生自下而上（bottom-up）的改變。

2. 研究目的

本研究的主要目的是評估以作物為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)土地利用和城市土地利用（無點源和化糞池輸入）對源頭溪流中DOM的輸出、來源、組成和微生物歸宿的影響。具體假設(shè)如下：

 

與森林/自然溪流相比，農(nóng)業(yè)和城市景觀會（i）增加DOM的輸出量（更高的產(chǎn)量）和含氮量（更低的C/N比），這是由于水文路徑縮短所致；

農(nóng)業(yè)和城市景觀會（ii）降低DOM的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和分子尺寸，這是由于人為和自生來源物質(zhì)的產(chǎn)生增強(qiáng)；

 

由于DOM分子特性與水生物理化學(xué)條件之間的相互作用，（iii）DOM的微生物利用路徑將存在顯著差異。

 

3. 研究思路

研究采用了多技術(shù)聯(lián)用、現(xiàn)場采樣與室內(nèi)培養(yǎng)實驗相結(jié)合的綜合思路：

 

選址與采樣：在太湖梅梁灣流域選擇5條農(nóng)業(yè)溪流、5條城市溪流和5條森林溪流（圖1）作為研究對象。在2014年3月至2015年3月期間，每兩個月采集一次水樣和流量數(shù)據(jù)（共144個樣品），以確保覆蓋季節(jié)變化。

 

 

綜合DOM表征：使用一系列先進(jìn)技術(shù)對過濾后的水樣進(jìn)行分析：

 

SEC-LC-OCD-OND：分析DOC、DON濃度，并將DOM按分子大小分為4個組分：高分子量物質(zhì)（HMWS）、類腐殖質(zhì)（HS）、構(gòu)建塊（BB）和低分子量物質(zhì)（LMWS）（數(shù)據(jù)主要展示于 圖3）。

 

紫外-可見光光譜（UV-Vis）：獲取SUVA254（芳香性指標(biāo)）等數(shù)據(jù)（圖3）。

熒光EEMs-PARAFAC：鑒定DOM的熒光組分（C1-C6），并計算熒光指數(shù)（FI）、腐化指數(shù)（HIX）、β:α等來源指標(biāo)（圖3, 圖7）。

 

木質(zhì)素酚類生物標(biāo)志物：作為陸源植物輸入的示蹤劑（圖3）。

 

暗培養(yǎng)實驗：將溪流水樣過濾除菌后，接種本地細(xì)菌群落，在黑暗中進(jìn)行40天的培養(yǎng)（圖7, 圖8）。使用丹麥Unisense的氧微電極（Clark型傳感器）監(jiān)測細(xì)菌呼吸（BR），并使用3H-亮氨酸法測量細(xì)菌生產(chǎn)（BP），進(jìn)而計算細(xì)菌生長效率（BGE）。同時監(jiān)測培養(yǎng)過程中DOM組成指標(biāo)的變化。

 

統(tǒng)計分析：運用主成分分析（PCA）、冗余分析（RDA）（圖4, 圖6）和線性混合效應(yīng)模型（LMEM）等統(tǒng)計方法，解析土地利用、水文條件與DOM特性及微生物歸宿之間的復(fù)雜關(guān)系。

 

 

 

4. 測量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

測量的數(shù)據(jù)類型與意義

 

DOC濃度與通量（來自 圖2）

 

數(shù)據(jù)：DOC濃度（mg C L?1）、DOC比負(fù)荷（mg C s?1 km?2）、C/N摩爾比。

 

研究意義：直接量化了不同土地利用對溪流碳輸出強(qiáng)度的差異。數(shù)據(jù)顯示農(nóng)業(yè)和城市活動顯著增加了DOC向水體的輸送量，并且輸出的有機(jī)質(zhì)含氮量更高（C/N更低），這改變了進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)的碳和營養(yǎng)鹽的化學(xué)計量比，可能直接影響后續(xù)的微生物代謝過程。

 

DOM分子大小分餾（來自 圖3, 圖8）

 

數(shù)據(jù)：DOC%HMWS, DOC%HS, DOC%BB, DOC%LMWS。

 

研究意義：揭示了DOM的分子量分布特征。結(jié)果表明農(nóng)業(yè)和城市溪流的DOM分子量整體減小（HS和BB占比變化，LMWS增加）。分子大小直接影響DOM的遷移性、生物可利用性和化學(xué)反應(yīng)活性，是判斷其環(huán)境行為的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

DOM光學(xué)特性與熒光組分（來自 圖3, 圖7）

 

數(shù)據(jù)：SUVA254（芳香性）、PARAFAC組分C1-C6的Fmax值（C1: 類酪氨酸；C2: 微生物轉(zhuǎn)化類腐殖質(zhì)；C3: 類富里酸/大氣沉積；C4, C5, C6: 陸源類腐殖質(zhì)）、FI、HIX、β:α。

 

研究意義：提供了DOM來源和相對腐化程度的指紋信息。數(shù)據(jù)表明城市溪流富集自生/人為源蛋白和富里酸（C1, C3），農(nóng)業(yè)溪流富集微生物轉(zhuǎn)化的類腐殖質(zhì)（C2），而森林溪流以陸源、芳香性高的類腐殖質(zhì)（C4-C6）為主。這為解釋其不同的生物可利用性提供了關(guān)鍵證據(jù)。

 

木質(zhì)素生物標(biāo)志物（來自 圖3）

 

數(shù)據(jù)：Λ?（木質(zhì)素酚總量）、(Ad/Al)v（降解指標(biāo)）、3,5Bd/V（單寧來源指標(biāo)）。

 

研究意義：作為陸源植物有機(jī)質(zhì)的特異性示蹤劑，提供了DOM來源的“硬證據(jù)”。數(shù)據(jù)證實了陸源輸入在所有溪流中的主導(dǎo)地位，但農(nóng)業(yè)活動增加了土壤中微生物降解的木質(zhì)素輸入（更高的(Ad/Al)v）。

 

微生物代謝參數(shù)（來自 圖6, 圖7, 圖8 及文本）

 

數(shù)據(jù)：細(xì)菌呼吸（BR）、細(xì)菌生產(chǎn)（BP）、細(xì)菌生長效率（BGE = BP/(BP+BR)）、消耗的DOC（DOCconsum）。

 

研究意義：直接量化了DOM的微生物歸宿——是被礦化為CO?（BR）還是合成為菌體生物量（BP）。這是本研究的核心發(fā)現(xiàn)，揭示了城市溪流DOM雖然輸入量大，但更多地被呼吸掉（低BGE），而農(nóng)業(yè)和森林溪流的DOM有更高比例轉(zhuǎn)化為生物量或難降解碳庫（高BGE）。

 

培養(yǎng)過程中DOM組成變化（來自 圖7, 圖8）

 

數(shù)據(jù)：40天培養(yǎng)期內(nèi)各熒光組分Fmax值、各分子大小組分濃度的變化。

 

研究意義：動態(tài)揭示了不同來源/組成的DOM組分的生物降解優(yōu)先級和轉(zhuǎn)化路徑。數(shù)據(jù)顯示類蛋白和類富里酸組分（C1, C3）優(yōu)先被降解，而某些類腐殖質(zhì)組分（C6）在培養(yǎng)后期反而增加，證明了微生物在轉(zhuǎn)化生成難降解DOM（微生物碳泵效應(yīng)），且這種效應(yīng)在農(nóng)業(yè)和森林溪流中更強(qiáng)。

 

5. 主要結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

土地利用對DOM輸出和組成的影響：農(nóng)業(yè)和城市化均顯著增加了源頭溪流的DOC輸出通量，并降低了DOM的C/N比。然而，兩者改變了DOM組成的具體方式不同：城市溪流傾向于增加自生/人為源的、生物易利用的蛋白和富里酸物質(zhì)；而農(nóng)業(yè)溪流則增加了土壤來源的、經(jīng)過微生物改造的類腐殖質(zhì)和低分子量物質(zhì)。

DOM質(zhì)量驅(qū)動微生物歸宿：DOM的化學(xué)組成和性質(zhì)（分子來源、分子大小）是控制其微生物利用效率和路徑的首要因素，其解釋度（43.29%和29.74%）遠(yuǎn)高于無機(jī)養(yǎng)分（17.29%）等因素。

差異化的微生物碳處理模式：

 

城市溪流：富含易降解有機(jī)質(zhì)和高無機(jī)養(yǎng)分，刺激了微生物的快速生長策略（r-策略），導(dǎo)致呼吸作用旺盛，大部分DOC被快速礦化為CO?，細(xì)菌生長效率（BGE）較低。

 

農(nóng)業(yè)與森林溪流：DOM相對不易降解且養(yǎng)分可能受限，促使微生物采取高效生長策略（K-策略），將更高比例的DOC轉(zhuǎn)化為細(xì)菌生物量（更高BGE）。同時，微生物活動產(chǎn)生了更多的難降解DOM（RDOM），體現(xiàn)了更強(qiáng)的“微生物碳泵”（MCP）效應(yīng)，有利于碳的封存。

 

對碳循環(huán)的意義：人類活動通過改變流域土地利用，從而自下而上地改變了淡水生態(tài)系統(tǒng)的碳處理模式。城市化可能導(dǎo)致更多流域碳以CO?形式逸散到大氣中，而農(nóng)業(yè)活動可能在促進(jìn)碳在水生食物網(wǎng)中循環(huán)和形成難降解碳庫方面扮演更復(fù)雜的角色。這對全球碳循環(huán)模型和流域管理具有重要啟示。

 

6. 詳細(xì)解讀：Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究在40天的黑暗培養(yǎng)實驗中，使用了丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極（OX-N型）來監(jiān)測微生物代謝過程。

測量數(shù)據(jù)：該電極連續(xù)、高精度地測量了培養(yǎng)瓶中的溶解氧（O?）濃度變化（圖8相關(guān)的呼吸計算基于此）。通過計算單位時間內(nèi)O?的消耗量，得以準(zhǔn)確量化細(xì)菌呼吸速率（BR）。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

提供了微生物代謝的直接和實時證據(jù)：Unisense微電極能夠?qū)θ芙庋踹M(jìn)行連續(xù)、無損的原位監(jiān)測，避免了傳統(tǒng) Winkler 滴定法等離散取樣方法可能帶來的誤差和干擾。這為計算整個培養(yǎng)期（40天）的總呼吸量提供了高分辨率、高可靠性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

實現(xiàn)了碳通量的準(zhǔn)確換算：通過測量O?消耗量（BR），并采用合理的呼吸商（RQ=1.2）進(jìn)行換算，研究得以將氧消耗量轉(zhuǎn)化為碳礦化量（DOCRespir）。這是量化有多少DOC被微生物徹底分解為CO?的關(guān)鍵一步。沒有Unisense電極提供的精確BR數(shù)據(jù)，就無法準(zhǔn)確計算碳的最終歸宿。

作為計算細(xì)菌生長效率（BGE）的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)：BGE是本研究的核心指標(biāo)之一，它揭示了微生物將碳用于合成自身 biomass（BP） versus 分解為CO?（BR）的效率。其計算公式為：BGE = BP / (BP + BR)。Unisense電極測量的BR數(shù)據(jù)是計算BGE分母的重要組成部分。正是基于準(zhǔn)確的BR數(shù)據(jù)，本研究才發(fā)現(xiàn)并證實了城市溪流DOM的BGE顯著低于農(nóng)業(yè)和森林溪流這一關(guān)鍵結(jié)論。

 

支撐了“環(huán)境敵意”概念的驗證：研究發(fā)現(xiàn)城市溪流的高無機(jī)養(yǎng)分和特定DOM組成創(chuàng)造了更高的“環(huán)境敵意”，促使微生物將更多能量用于維持和修復(fù)而非生長，導(dǎo)致更高的呼吸速率和更低的BGE。Unisense電極測量的高BR數(shù)據(jù)正是這種“高呼吸、低效率”代謝模式的直接實驗證據(jù)，強(qiáng)化了DOM特性與環(huán)境條件共同調(diào)控微生物碳?xì)w宿的理論框架。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中并不僅僅是一個簡單的氧氣傳感器。它是連接DOM化學(xué)特性與微生物代謝功能之間的橋梁，其提供的高質(zhì)量呼吸數(shù)據(jù)是量化碳礦化通量、計算能量利用效率（BGE）、并最終揭示不同土地利用下差異化碳?xì)w宿機(jī)制不可或缺的關(guān)鍵工具。沒有它的數(shù)據(jù)，本研究關(guān)于微生物代謝路徑的結(jié)論將缺乏最直接、最定量的證據(jù)支持。