淡水湖泊底泥微生物对氮、磷和重金属污染的响应特征研究-以鄱阳湖为例

Eutrophication and heavy metal pollution caused by large input of nitrogen, phosphorus and heavy metals in freshwater lakes are important problems to the safty of drinking water and freshwater aquaculture in our country. The control of sediment pollution is the key to the remediation of lake pollution. How do the sediment decomposers-microbes respond to the input of nitrogen, phosphorus and heavy metals? This problem is very important for us to understand the process of lake sediment pollution, and thus to carry out the measures of lake pollution control and ecological protection. However, our knowledge in this field is far from comprehensive. In this project, Poyang Lake is chosen as the research object. Four regions which were affected by different concentrations of nitrogen, phosphorus and heavy metals are designated as study sites. This study aims to work on: 1) The effects of the differences in contents of nitrogen, phosphorus and heavy metals in waterbody on the contents of nitrogen, phosphorus, heavy metals, as well as the structure and function of microbial community in sediment; 2) The response characteristics of sediment microbes to the input of nitrogen, phosphorus and heavy metals in association with other ecological factors; 3) Isolation of heavy metal resistant strains from sediments and their molecular resistance mechanisms. The implementation of this study not only provides theoretical basis and microbial resources for the controlling of lake pollution; but also help to establish microbial indicators to evaluate and predict the pollution status and development trend.in freshwater lakes.

淡水湖泊中由氮磷和重金属大量输入导致的富营养化与污染问题是一直影响我国饮水与淡水养殖安全的难题，其中湖泊底泥污染控制是湖泊污染治理的关键。底泥中作为分解者的微生物是如何响应氮磷和重金属输入的？这一问题对我们认识湖泊底泥污染过程、开展湖泊污染治理和生态保护至关重要，而目前对于这一问题的研究远远不够。本项目拟以鄱阳湖为研究对象，选择受氮磷和重金属输入影响程度不同的四个区域进行调查研究，研究内容包括：1）水体中氮磷及重金属含量差异对底泥中氮磷及重金属含量、微生物群落结构及功能的影响；2）结合其它生态因子，揭示底泥微生物对氮磷及重金属输入的响应特征；3）分离底泥中重金属抗性菌株，研究其抗性的分子机制。本研究的开展一方面为开展湖泊污染治理提供理论依据和微生物资源，另一方面有利于建立微生物指标评价和预测湖泊的污染状态及其发展趋势。

水污染控制对我国实现可持续发展十分重要，在减轻地表污染排放的同时，还要控制内源污染物的释放，而控制底泥中富集的污染物最为关键。微生物驱动了生态系统中的基本物质循环，在底泥污染物的生物转化过程中发挥重要作用。本课题以我国最大的淡水湖泊-鄱阳湖为研究对象，探究底泥微生物对于氮、磷及重金属元素的响应规律。.我们首先研究了不同水文季节、不同区域鄱阳湖底泥中氮、磷及重金属的分布规律，以及微生物群落的响应情况。结果发现底泥中氮、磷及重金属含量受到空间位置的影响大于水文季节。饶河河口和白沙洲区域的氮、磷及重金属含量最高，其中Cu、Zn和Cd达到了中-强污染水平。这两个区域处于鄱阳湖上游和南湖区，河流输入和水体污染物沉降是主要原因。底泥细菌的多样性与氮、磷含量负相关，而与重金属含量正相关。细菌群落丰度的分布和多样性正好相反。Verrucomicrobia和Firmicutes的相对丰度对总磷和重金属含量响应积极，而Gamma-proteobacteria和Bacteroidetes的相对丰度对总氮和总磷响应积极。底泥中氮、磷及重金属的富集降低了微生物群落的代谢活性。.其次，我们沿着水流入湖方向对饶河河口区域进行了采样和分析。饶河输入的氮、磷及重金属主要沉积在南湖区而非河湖交汇区。Cyanobacteria、Actinobacteria同时对氮、磷及重金属含量响应积极；Latescibacteria、Nitrospinae、Bacteroidetes及Acidobacteria对氮、磷浓度响应积极，而Chloroflexi、Nitrospirae对重金属浓度响应积极。.最后，我们研究了不同富营养化程度水体中浮游细菌的群落结构特征。结果发现Chloroflexi，Acidobacteria，Limnohabitans和Methylophilaceae的相对丰度随着富营养化程度加剧而提高，对应地促进了细菌群落的氮、硫循环以及竞争、寄生、捕食作用，加速物质循环的同时增强了细菌种间竞争，强化了细菌群落结构的稳定性。.总之，该课题阐明了鄱阳湖底泥中氮、磷和重金属的空间分布格局、随水文期的动态变化、在水体-沉积物界面的迁移动态以及微生物的响应规律，为科学利用湖泊生态系统的生态效应和服务功能、制定切实有效的环境管理政策、减轻人类活动对生态环境的损害和负面影响提供理论依据和技术支持。