山地溪流微生物对人类活动的响应及其在生物监测中的应用

The spatial distribution pattern of microbes and its underlying mechanisms are one of most important aims for microbial biogeography. The niche theory, regarding climate and environmental factors, is one of the main hypotheses, while biological interactions are less considered. By comprehensively analyses of novel biological information, such as biological interactions, phylogeny and functions, the knowledge of the response mechanism of biological communities to the dual factors of natural environment and human impacts could provide a theoretical basis for the application of microorganisms in biological monitoring. Here, we proposed to study not only stream biofilm bacteria, but also macroinvertebrates and diatoms from the Mountain regions in Southwest China. By including the biological data from our previous studies, we will collect field biological samples under the gradients of human activity intensity. Combined field and laboratory microcosm experiments, we will quantify the responses of numerous biological variables, such as multi-dimensional biodiversity and biological interactions, to human activities, and elaborate the spatial distribution of biodiversity and underlying mechanisms from the perspective of the theories of community ecology by explicitly including human influence. Furthermore, we develop and evaluate the new approach for a microbial community-based index of biotic integrity for ecological status of streams in Hengduan Mountains. The new approach will be compared with the traditional biological indicators in order to develop an integrated ecosystem health assessment method with a variety of biological groups. The outcomes will provide scientific theoretical references and application examples for the aquatic environmental protection in mountainous regions.

生物群落空间分布格局及其维持机制是微生物地理学研究的重要内容。气候环境因素为主的生态位理论是当前的微生物多样性维持机制的主要解释，而生物作用却较少予以关注。综合考虑生物作用、谱系和功能等信息，探讨自然环境和人类活动双重因素作用下的生物群落响应机制，可为微生物在生物监测中的应用提供理论基础。本研究拟以西南山区溪流生物膜细菌、底栖动物和硅藻为研究对象，参考前期溪流生物数据，采集人类活动强度梯度下的野外生物样品，结合野外和室内微宇宙实验，在多维度多样性和种间关系等生物参数的评价比较的基础上，从群落生态学理论角度阐述人类活动影响下的水生生物多样性的地理分布格局及其响应机制；着重开发和评估适应于横断山区溪流的细菌生物监测方法，并与传统指示生物进行优缺比较，以期形成一个综合多种生物类群的生态系统健康评价体系，为山区水体环境保护提供科学理论参考和应用范例。

微生物群落的空间分布格局及其维持机制是微生物地理学研究的重要内容之一。以山区为例，微生物群落海拔梯度分布格局的研究近15年内方始兴起，相关的文献和成果的数量呈指数增加。整体而言，与动植物相较，微生物多样性分布格局同样存在单调递减、单峰分布、单调递增以及无规则变化等现象；气候环境因素为主的生态位理论、空间因素等是当前的微生物多样性维持机制的主要解释，而生物作用却鲜有在微生物群落海拔梯度格局研究中予以关注。此外，日渐增多的向高海拔迁移的人类活动严重威胁着山区微生物物种资源及多样性分布格局；微生物也响应着人类活动对生态系统的影响，从而可以作为表征生态系统健康的代用指示生物。因此，综合山地生物多样性维持机制理论，探讨自然环境和人类活动双重因素作用下的微生物群落响应机制及其在生物监测中的应用，是当前微生物多样性研究的热点之一。本项目围绕海拔梯度和人类活动梯度，通过野外调研和野外实验，逐渐形成了以横断山为主涉及青藏高原南北缘和欧洲非洲等山地溪流等水体微生物、硅藻和底栖动物数据库，依托经典生态学理论，创新了一系列研究技术和方法，考察了微生物群落组成和功能等多样性多维度，发现了具有普适性意义的微生物群落海拔梯度分布格局且适用于硅藻和底栖动物，揭示了微生物对营养富集与气候因子等环境要素的响应特征，为全球变化下山地水体生物分布格局和演替研究提供重要的理论支撑。在本项目支持下，获实用新型专利4项目，申请7项发明专利；共发表SCI论文26篇，中文核心论文1篇，包括New Phytologist、Ecography、Microbiome、the ISME Journal等知名期刊。在Ecological Indicators杂志组织了1期专辑。培养博士后3名，博士研究生1名，硕士研究生11名。获得江苏省科学技术奖一等奖（4/8），获得中国科学院“国际人才计划”国际博士后项目1项。