水质污染驱动河流浮游动物群落地域分布的机制研究

With the accelerated development of economy and rapid urbanization in China, the sharp increase of water pollution caused by various human activities has resulted in fast growing ecological crisis in river ecosystems. Such severe water pollution in river ecosystems has led to a new phase of large-scale ecological degradation and impaired or even thorough loss of service in China. In this study, we will choose two representative sub-basins (Fuyang River, Chaobai River) of the highly polluted Haihe River Basin in the economically developed areas in eastern China, and will use rotifers as a case study to address one of the key fundamental questions: dynamics of water pollution on geographical distribution of zooplankton communities. We will test a null hypothesis that species sorting serves as the major factor in determining geographical distribution of zooplankton communities in highly polluted river ecosystems. Based on community and representative species levels, we will elucidate patterns and determinants for spatial distribution of rotifer assemblages, and clarify evolutionary directions/fates and investigate mechanisms of genetic differentiation and evolutionary dynamics of key/functional species. We aim to provide answers to key fundamental questions for protecting, maintaining and restoring ecological integrity, and to provide reference for restoring damaged aquatic ecosystems.

随着我国经济的飞速发展及城市化进程的加速，剧增的人类活动带来的河流水体污染以及随之而至的水生态环境危机不断加剧，流域生态环境已经进入到大范围生态退化、服务功能严重受损甚至丧失的新阶段。认识人类干扰胁迫下河流生态系统中重要生物群落的演化过程和演化方向，是目前国际水生动物研究领域的热点问题。本研究拟选受污染最严重的海河流域的两个典型子流域（滏阳河、潮白河），以典型生物群落——轮虫为研究对象，深入解析“水质污染驱动河流浮游动物群落地域分布的机制”这一关键科学问题，重点检测“适应性选择（species sorting）是驱使浮游动物群落空间分异的主因子”这一前提假设。本研究拟阐明河流水体受污染后浮游动物群落空间分布的决定因子及规律，解析浮游动物群落中的关键/功能物种的群体遗传分化基础及进化机制，为保护、维持和恢复河流生态完整性提供理论基础，同时为受损生态系统的修复与治理提供科学的决策依据。

水体污染是全球河流生物多样性急剧减少的重要原因之一，然而水体污染的生态效应机制并不明晰。本项目以面临复合污染的海河流域典型水系潮白河和滏阳河为研究体系，以具有生态指示作用的浮游动物为研究对象，聚焦“水质污染驱动河流浮游动物群落地域分布的机制”这一科学问题，重点从群落和典型物种两个层面深入解析重度污染条件下浮游动物群落空间分布决定机制，解析关键物种的群体遗传分化基础及进化机制。.为了支撑群落水平研究，本项目首先在公共数据库基础上对区域性浮游动物DNA条形码进行了补充，增加了430个浮游动物COI基因条形码，完善了条形码数据库。其次，对群落-环境相互关系研究方法进行了优化；比较了在metabarcoding大数据分析中不同聚类算法及相似度阈值对研究群落－环境互作研究的影响，发现相似度大于97%的UPARSE算法，DADA2或DENOISE3算法对beta多样性分析及群落－环境互作研究无显著影响；比较了不同群落简化分析对群落－环境互作分析的影响，表明属定量和种定性分析可正确揭示群落－环境互作关系。.在方法学研究基础上，对潮白河浮游动物群落地理分布及其驱动机制的研究结果表明环境因子TP，叶绿素a，COD，pH，Cd和Mg的变化与群落地理分布显著相关，环境选择作用是浮游动物地理分布格局形成关键驱动力，否定了前人“小尺度扩散作用假说”，提出并证实了“小尺度环境选择作用假说”。同时，滏阳河的研究结果也表明环境选择作用的关键驱动力作用，验证了这一假说的普遍性。.在浮游动物群落多样性分析的基础上，选取在不同污染条件下普遍分布的萼花臂尾轮虫为对象进行群体遗传学分析。对11个群体（339个个体）的COI基因分析鉴定了34种单倍型，8个支系。其中，clade I和II分布最广泛，但是在不同区域分布比例不同。clade I单倍型的地理分布表明农业区段单倍型数目多于城市区段，农业区段群体新增8种单倍型。单倍型网络图分析表明单倍型H3为推测祖先单倍型，这一单倍型为共享单倍型，分布于7个群体中。