澜沧江小湾水库硫元素的生物地球化学过程及其生态环境效应

Sulfur is one of important biogenic matters, while its biogeochemical processes and mechanisms of microbial transformation in large-scale reservoirs in the river source region of Southwest China have not been fully investigated yet. Based on field sampling, laboratory analysis and path analysis with Spearman correlation coefficient, this project plans to study principles of spatial and temporal distribution with migration and transformation of total sulfur as well as its different forms with responses of microbes and functional genes in Xiaowan Reservoir, the Lancang River, compared with results from upstream of the Lancang River. By sampling at points where active transformations of sulfur occur at selected months, biogeochemical processes of sulfur with microbial response in the key interfaces such as water-air interface, sediment-water interface as well as different water layers will be investigated and their inter-relationship as well as coupling mechanisms will also involved. Functions of transforming sulfur by functional microbes in the key layer will be revealed at molecular level by metagenomics, transcriptome and proteomics based on Illumina high throughput sequencing. This project is subject to the major research plan entitled “runoff variations in the river source region of Southwest China and adaptive utilization” and will provide strong support to solve the key scientific problem issued as “Principles of migration and transformation of biogenic matters in rivers under runoff variations”.

硫元素作为重要的生源物质，其在西南河流源区大型水库中的生物地球化学过程及微生物转化机制，尚不明晰。本项目拟通过现场取样及测试分析，利用Spearman相关系数进行定量及通径分析，研究澜沧江小湾水库硫元素及其形态的时空分布、迁移转化规律及微生物与功能基因响应特征，并与澜沧江上游选定相应湖泊或缓流河段，作为背景对照。在硫元素转化活跃的关键点位与时点上，探究大气-水、水-沉积物及不同分层水等界面上的硫元素生物地球化学过程及微生物响应特征，揭示不同界面之间的内在联系与耦合机理，随后依托Illumina高通量测序技术，通过全基因组学、转录组学、蛋白质组学研究，解析关键层功能微生物转化硫元素的分子机制。本项目服从于“西南河流源区径流变化和适应性利用重大研究计划”，对解决核心科学问题“径流变化下生源物质迁移转化规律”有重要支撑。

水电大坝的建设会造成河流径流变化及河流生态系统的养分循环。硫元素是地球上必不可少的元素，参与各种地球化学和生物化学过程。本研究以澜沧江小湾库区为研究区域，自2017-2019年，连续三年对库区内水体，沉积物和微生物样本进行采样，同时在上游采集对照样品，分析硫元素及其相关转化微生物的时空分布差异，探究了小湾水库水-沉积物体系中微生物介导的硫元素的生物地球化学循环过程。水体中的硫酸盐和硫化物是水体可溶性硫的主要成分，2017年夏季硫酸盐浓度普遍高于冬季，8月份表层硫酸盐浓度达到最大值（52.3 mg/L）；在深度上，2月份硫酸盐浓度随深度增加而增加，最高浓度（79.8 mg/L）出现在80 m深处，而8月份110 m处硫酸盐浓度最低（9.6 mg/L）。在水平方向上，澜沧江干流整个水柱中的硫酸盐浓度相对稳定，坝前至上游回水处的硫酸盐浓度范围为50.0-52.3 mg / L，显示筑坝对硫酸盐的拦截作用较小，而黑惠河支流中的硫酸盐浓度则低于干流（19.6-38.3 mg / L）；硫化物浓度在干流波动较大（3.6×10-3 -18.6×10-3 mg / L），可能是筑坝行为影响了河流的氧化还原条件，导致硫化物在水体中的分布不平衡。三年内小湾水库水体硫酸盐浓度呈逐年增加的趋势，2019年达到最大浓度范围（82.9-92.0 mg/L）。同时，人类活动引起的环境条件改变，会影响微生物群落结构和共生模式，环境中涉及硫代谢的关键物种可以协调微生物分类群以响应环境变化而进行生物地球化学的养分循环。在六月份的浅层水体中发现微生物网络的模块中心Desulfovibrio，可通过硫酸盐还原作用产生硫离子，为异养微生物提供还原环境进行碳代谢，形成甲烷营养菌主导的微生物群落。在小湾库区内总共识别出26种硫酸盐还原菌（SRP），其中大多数SRP属于Deltaproteobacteria，水中SRP的多样性和丰度（0％-0.09％）远低于沉积物中的SRP（2.6％-4.6％）；此外，根据硫酸盐还原基因（dsrB）基因分析，在水体剖面的中下层（80 m）发现了相对较高的硫酸盐还原活性。本项目成果有效支撑了本重大研究计划的核心科学问题“径流变化下生源物质迁移转化规律”的解决。