富营养河流原核生物群落时空变化及其驱动因子研究-以福建九龙江为例

Rivers are one of the planet's most important freshwater resources. However, because of the increasing loading of nutrients resulting from intensive human activities, river eutrophication has become a serious environmental problem in China. Prokaryotes (Bacteria and Archaea) represent by far the most diverse and numerically predominant organisms in aquatic ecosystems, and play the vital roles in biogeochemical cycles. However, it is still poorly known the effects of eutrophication on the structure and function of lotic prokaryotic communities, and their response to eutrophication. In order to fill this gap, here we plan to investigate spatio-temporal dynamic pattern of activity, structure and function of prokaryotic communities in a eutrophic subtropical river-the Jiulong River in Fujian province using a combination of high-throughput 16S rRNA/rDNA sequencing, metagenomics and bioinformatic techniques (Molecular ecological network analysis and Predictive functional profiling of microbial communities). The interactions between nutrient content/structure and prokaryotic communities will be elucidated on the basis of biogenic element analysis, to understand the response and feedback mechanism of prokaryotic community to eutrophication. It is anticipated that this project will not only expand our current knowledge about the ecological role of prokaryotes in eutrophic rivers, but will also provide theory reference and scientific basis for evaluating the health of river ecosystem, and predicting its evolution trend.

河流是最重要的淡水资源之一。近年来，受高强度人类活动的影响，我国河流水体的营养盐污染负荷持续增加，富营养化问题日益凸显。原核生物（细菌、古菌）是水域生态系统的重要组成部分，在生物地球化学循环过程中发挥着关键作用。然而，有关富营养化对河流原核生物群落结构与功能的影响及其响应机制尚不清楚。本项目瞄准这一前沿问题，拟以亚热带典型富营养河流-福建九龙江为研究区域，在充分分析水域生源要素浓度与结构特征的基础上，结合高通量16S rRNA/rDNA标签测序、宏基因组学和生物信息学技术（分子生态网络和群落功能预测），研究九龙江流域原核生物群落结构、代谢活性和群落功能的时空变化格局，探讨营养盐水平和结构变化与原核生物群落演替之间的关联，阐明河流原核生物群落结构和功能对富营养化的生态响应和反馈机制，揭示原核生物在富营养河流生态系统中的关键作用，为河流生态系统的健康评估和演变趋势预测提供理论参考和科学依据。

河流是最重要的淡水资源之一。近年来，受高强度人类活动的影响，我国河流生态环境逐渐恶化，富营养化和化学品污染等事件频发。微型生物是水域生态系统的重要组成部分，在生物地球化学循环过程中发挥着关键作用，可灵敏指征水体环境的变化。本项目在前期基础上，以福建省九龙江流域、浙江省甬江流域为主要研究区域，以原核生物（细菌、古菌）为研究对象，综合水质参数分析、新型污染物分析、扩增子测序、宏基因组测序、生物信息学和多元统计等多学科技术开展了系统研究。主要取得了以下研究成果：1）明确了九龙江流域浮游古菌和底栖古菌的生物地理学分布特征，发现营养盐是控制古菌群落结构的主要因子，而Methanobrevibacter和Methanosphaera可指示流域水体的粪便污染状况；2）阐明了九龙江流域底栖古菌细胞膜脂的时空分布特征，发现Methanobacteriales、Ca. Bathyarchaeota、Marine Benthic Groups A（MBGA）、Marine Benthic Groups B（MBGB）和Marine Benthic Groups D（MBGD）是影响极性GDGTs分布的主要古菌类群，而盐度和总磷是影响底栖古菌群落组成和膜脂分布的主要因子；3）揭示了九龙江浮游微生物生态网络的构建模式，发现营养盐和抑菌类化学品共同导致了微生物群落多样性的退化，而新型污染物是通过作用于网络关键物种，促使微生物群落结构和功能发生演变，其效应要大于营养盐；4）明确了九龙江水体抗生素抗性基因的丰度和群落组成的时空分布特征，发现动物粪便和污水处理厂是抗性基因的主要来源，而基因水平转移是其主控因子；5）阐明了甬江流域微生物核心种和卫星种的种群组成和种群功能的季节分布特征，发现环境选择是控制核心种和卫星种群落构建的主要生态学机制，营养盐是主要驱动因子；6）比较了南方海滨城市景观水体、河流水库和污水处理厂（进水和出水）中的微生物群落组成与功能特性，发现溶解氧是导致景观水体恶化的主要因子，而同质选择是导致河流水库与其他生境微生物群落具有显著差异的主要生态学机制。以上研究成果为河流生态系统的健康评估和演变趋势预测提供重要理论参考和科学依据。