河流微生物生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展

李 軼，雷夢婷，楊 楠，張文龍，牛麗華，王龍飛

(河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

在全球氣候變化與社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，水利工程建設(shè)、河岸固化、污染物排放、水生生物過度捕食等人類活動擾亂了河流的自然流態(tài)與水文循環(huán)過程，改變了原有的水生棲息地環(huán)境，造成河流生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的減少，破壞了河流的生態(tài)健康并影響其生態(tài)功能的發(fā)揮[1]，因此，提升流域水環(huán)境綜合治理能力迫在眉睫。流域水環(huán)境的綜合治理以水文學(xué)及水資源、水力學(xué)及河流動力學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和生態(tài)學(xué)等多學(xué)科理論體系為基礎(chǔ)，具有鮮明的學(xué)科交叉特點(diǎn)，其中，河流微生物生態(tài)學(xué)的建立和發(fā)展是水環(huán)境綜合治理的內(nèi)在需求，但一直缺乏系統(tǒng)性、針對性的研究。

微生物(包括細(xì)菌、真菌和古菌)在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要地位，而河流微生物是河流生物群落和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)造最基礎(chǔ)的部分，具有種類豐富、功能多樣和響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，在河流底質(zhì)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)、有機(jī)質(zhì)形成與分解、河流物質(zhì)循環(huán)和能量流動以及其他各類生態(tài)過程中扮演重要角色[2]。微生物是提高河流水環(huán)境自凈能力、水生態(tài)自修復(fù)能力的關(guān)鍵因素。河流微生物群落的構(gòu)建和演替過程體現(xiàn)了微生物與河流生態(tài)系統(tǒng)功能、恢復(fù)力和可持續(xù)性之間的關(guān)系，是影響污染物在河流中遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。因此，利用微生物信息評估河流生態(tài)環(huán)境、解析退化成因、追溯污染源頭是開展流域水環(huán)境綜合治理的重要前提，對河流生態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)具有重要意義。

河流生態(tài)系統(tǒng)在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、物質(zhì)循環(huán)和水文循環(huán)、生物物種及其遺傳多樣性等方面發(fā)揮了重要作用，物種多樣性豐富、生產(chǎn)力與生境異質(zhì)性高是其顯著特征[3-4]。與空氣、土壤及其他水體(包括湖泊、水庫、海洋)等微生物生存環(huán)境相比，河流有其特殊性質(zhì)，如在吸收相同熱量的前提下，河流水體的溫度變化更小，對陸地環(huán)境變化的響應(yīng)也較慢，因此，河流的生態(tài)空間相對封閉，生態(tài)修復(fù)時既要阻斷外源污染，也需要對內(nèi)源污染進(jìn)行治理。在海洋、湖泊和水庫等低流動性系統(tǒng)中，物質(zhì)的物理遷移過程可被簡化或忽略，其微生物生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性特征，而河流具有三維流動性，傳質(zhì)、擴(kuò)散和彌散等過程對河流不同相之間的物質(zhì)傳遞具有不可忽視的影響[5]。由于河流中物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化是在水位、流量、流速、動水壓強(qiáng)等復(fù)雜變化的動水條件下進(jìn)行的，因此水動力條件是河流微生物生態(tài)研究有別于其他水環(huán)境系統(tǒng)研究的重要因素[6]。此外，江、湖、河具有連通性，在進(jìn)行河流微生物生態(tài)系統(tǒng)探究時，不能僅限于討論單支河流，應(yīng)對流域開展系統(tǒng)全面的調(diào)查和分析[7]。鑒于河流系統(tǒng)的特殊性，針對河流微生物生態(tài)研究需要充分考慮其特點(diǎn)，所得成果才能更為科學(xué)有效地指導(dǎo)河流水環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)實踐。

本文圍繞河流微生物生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題，總結(jié)理論研究進(jìn)展和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，分析未來發(fā)展趨勢，探討河流微生物生態(tài)學(xué)在河流水環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)中的意義，以期為今后研究提供借鑒。

1 關(guān)鍵科學(xué)問題

河流微生物群落特征是河流生態(tài)環(huán)境和健康評價的關(guān)鍵依據(jù)之一，微生物群落分布及多樣性影響河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定性。近年來，河流微生物生態(tài)學(xué)研究在理論體系、測試體系、模型構(gòu)建和實際應(yīng)用等方面面臨諸多挑戰(zhàn)?；谘芯楷F(xiàn)狀，本文總結(jié)出河流微生物生態(tài)學(xué)研究中亟待解決的3個核心問題。

1.1 河流微生物群落結(jié)構(gòu)構(gòu)建機(jī)理

根據(jù)棲息地不同，河流微生物主要分為懸浮于水體中的浮游微生物和生存于沉積物中的沉積微生物[8]。細(xì)菌是河流中數(shù)量最多、分布最廣的微生物類群之一，在河流生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)及營養(yǎng)分配等重要過程中發(fā)揮主要作用[9]。河流不同相中微生物群落的組成結(jié)構(gòu)、物種豐富度及多樣性指數(shù)是河流微生物生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，其分布規(guī)律由群落構(gòu)建機(jī)制所驅(qū)動。因此，河流微生物群落的潛在構(gòu)建機(jī)理是河流微生物生態(tài)學(xué)研究的第一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

1.2 河流微生物群落生態(tài)功能機(jī)制

微生物作為河流中物質(zhì)循環(huán)的主要執(zhí)行者，通過交互的代謝活動，影響河流生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷、硫、硅、鐵等諸多元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。此外，河流微生物還具有降解污染物、調(diào)節(jié)營養(yǎng)流動等生態(tài)功能。微生物群落介導(dǎo)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，物質(zhì)循環(huán)促進(jìn)微生物群落的生長及代謝。因此，河流微生物群落對物質(zhì)循環(huán)及生態(tài)調(diào)控過程的作用機(jī)制是河流微生物生態(tài)學(xué)研究的第二個關(guān)鍵科學(xué)問題。

1.3 河流微生物群落環(huán)境交互作用

河流微生物群落的組成結(jié)構(gòu)和功能受其生存環(huán)境中眾多因素影響，包括理化因子(溫度、pH值、溶解氧等)、營養(yǎng)元素(氮、磷等)濃度及季節(jié)因素(光照、降雨)等。除此之外，水動力條件、生物因素以及污染物脅迫等亦對河流微生物群落的組成及功能產(chǎn)生重要作用[10]。在多環(huán)境因素的協(xié)同作用下，微生物群落在物質(zhì)循環(huán)及生態(tài)調(diào)控過程中承擔(dān)著不同的功能。因此，河流微生物群落生態(tài)功能對環(huán)境變化的響應(yīng)-反饋機(jī)制是河流微生物生態(tài)學(xué)研究的第三個關(guān)鍵科學(xué)問題。

2 河流微生物生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)狀

基于河流微生物生態(tài)學(xué)的3個關(guān)鍵科學(xué)問題，從河流微生物群落的時空分布規(guī)律和生態(tài)構(gòu)建機(jī)理，微生物群落在河流物質(zhì)循環(huán)和生態(tài)調(diào)控中的功能機(jī)制，以及河流微生物群落對環(huán)境變化的響應(yīng)-反饋?zhàn)饔玫确矫骊U述河流微生物生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)狀。

2.1 群落時空分布格局

河流微生物群落空間分布格局研究主要體現(xiàn)在其縱向、垂向及橫向的三維分布規(guī)律上[6,11]。在現(xiàn)有研究中，微生物群落縱向分布特征研究占多數(shù)，如Liu等[12]對近4 300 km的長江河段進(jìn)行采樣普查，總結(jié)出長江流域的浮游微生物及沉積微生物群落的時空分布情況；Wang等[13]對鴨綠江的浮游細(xì)菌開展了較為詳盡的調(diào)查研究。近兩年來出現(xiàn)對微生物群落垂向分布特征的研究，并將河流中微生物群落縱向和垂向分布特征進(jìn)行對比，如Gao等[14]對富營養(yǎng)化河流微生物群落縱向和垂向分布特征開展研究；Zhang等[15]以黑臭水體及底泥中的微生物群落為研究對象，得出目標(biāo)河流中不同空間組合的微生物群落之間差異性表現(xiàn)特征。此外，為了解河流中懸浮顆粒微生物受外源顆粒物輸入的影響，Zhang等[16]在研究中揭示了城市河流彎道處泥沙粒徑與微生物結(jié)構(gòu)及氮物質(zhì)循環(huán)效率的相關(guān)性，對河流微生物空間分布機(jī)理進(jìn)行了更細(xì)致的研究。

互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)關(guān)于員工的培訓(xùn)主要包括新員工培訓(xùn)和優(yōu)秀外出學(xué)習(xí)培訓(xùn)。雖然新員工入職后有相應(yīng)地提升員工技能的培訓(xùn)環(huán)節(jié)，但后續(xù)的培訓(xùn)形式主要為員工定期參加外部培訓(xùn)公司的課程活動。企業(yè)雖有設(shè)置內(nèi)部培訓(xùn)但并沒有形成系統(tǒng)的員工培訓(xùn)體系，使得公司外部與內(nèi)部培訓(xùn)未能很好結(jié)合。這從一定程度上來說，這既增加了企業(yè)的培訓(xùn)運(yùn)營成本，又無法有效地達(dá)成企業(yè)所制定的發(fā)展目標(biāo)。

另一方面，對河流微生物的時間變化研究主要集中在其隨季節(jié)的動態(tài)變化，溫度、光照和溶解氧濃度等對微生物群落有重要影響的環(huán)境因子均會隨季節(jié)出現(xiàn)明顯的協(xié)同變化，進(jìn)而引起河流生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分以及物質(zhì)循環(huán)的改變，直接或間接地影響河流微生物的群落結(jié)構(gòu)[17]。毛鐵墻[18]在對湛江灣氮循環(huán)關(guān)鍵微生物的定量觀測中發(fā)現(xiàn)，部分氮循環(huán)菌群豐度變化與晝夜交替有關(guān)。目前對河流微生物年際變化研究鮮有報道，多見于海洋和土壤等流動性較低、微生物群落結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)研究中[19]?，F(xiàn)有研究表明，河流微生物的空間變化與生態(tài)構(gòu)建過程密不可分，而時間變化上則多呈現(xiàn)出季節(jié)性特征，現(xiàn)有研究對河流微生物群落跨越時間、空間分布情況的討論往往同步進(jìn)行，力圖反映河流微生物最為完整、全面的演替變化格局。

2.2 群落生態(tài)構(gòu)建理論

基于生態(tài)位理論，微生物群落的聚集和變化被分為選擇、漂變、物種形成和擴(kuò)散4類基本的生態(tài)過程[20-21]。確定性過程影響微生物群落對環(huán)境的適應(yīng)性，決定物種的組成和豐度；隨機(jī)過程導(dǎo)致群落組成發(fā)生不可預(yù)測的變化，兩個過程共同作用，影響并改變了微生物群落在生物地球化學(xué)循環(huán)中的功能[22]。Li等[23]研究了長江三峽水庫底泥中微生物群落的生態(tài)構(gòu)建過程，認(rèn)為均質(zhì)擴(kuò)散主導(dǎo)群落的演替變化；Zhang等[24]通過計算高海拔地區(qū)河流中微生物群落生態(tài)組合過程的比率，發(fā)現(xiàn)參與反硝化和厭氧氨氧化的功能菌群的生態(tài)構(gòu)建驅(qū)動力是隨機(jī)過程而非環(huán)境選擇；Li等[25]首次將生態(tài)學(xué)的生態(tài)位和中性理論引入河流微生物學(xué)中，利用確定性和隨機(jī)性方程建立了河流底質(zhì)微生物群落物種豐度的驅(qū)動-響應(yīng)模型，闡明了動水條件下河流底質(zhì)微生物群落的響應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)逐漸增大時，河流底質(zhì)微生物群落構(gòu)建的主要機(jī)制由內(nèi)部競爭轉(zhuǎn)向源頭遷移，論證了流動水體中細(xì)菌群落的演替動態(tài)，對演替生態(tài)學(xué)做了有效補(bǔ)充。

2.3 河流微生物群落的環(huán)境響應(yīng)機(jī)制

溫度、pH值、溶解氧濃度等物理因素對河流微生物群落的生長變化過程發(fā)揮基本作用。因為季節(jié)因素和溫度的影響具有協(xié)同效應(yīng)，現(xiàn)有研究往往基于季節(jié)變化產(chǎn)生的溫度和光照變化分析其對河流微生物群落的影響[14]。而Zhang等[26-27]在對青藏高原地區(qū)參與氮循環(huán)的河流微生物群落的研究中發(fā)現(xiàn)，低氣溫和較大的晝夜溫差是高海拔地區(qū)河流特殊菌落形成的重要因素。同時，河流微生物群落對有機(jī)物濃度、營養(yǎng)元素(氮、磷等)濃度、水動力條件以及生物因素的變化也會產(chǎn)生明顯的響應(yīng)[28]。Roberto等[29]通過研究污水排放對城市河流中微生物群落時空分布的影響，揭示了營養(yǎng)元素、水文特征對底質(zhì)菌群的組成分布有重要作用，而對菌群功能的作用卻很有限；Wang等[13]在研究中提出，浮游植物和原生生物生長過程中會與浮游微生物進(jìn)行營養(yǎng)物質(zhì)的競爭，因此，浮游植物和原生細(xì)菌等生物因素對水體中的微生物群落分布及結(jié)構(gòu)的影響不可忽略[30]。此外，Gao等[31]對長江干流進(jìn)行大范圍多季節(jié)采樣研究，發(fā)現(xiàn)梯級大壩和三峽大壩以其獨(dú)特的水力學(xué)條件調(diào)控了微生物群落的構(gòu)建機(jī)制，從而影響長江干流微生物群落格局及其氮轉(zhuǎn)化相關(guān)活動，從微生物生態(tài)學(xué)的角度揭示了不同類型大壩在大流域水體中對生態(tài)狀況及氮轉(zhuǎn)化的影響。

2.4 河流微生物介導(dǎo)的生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制

隨著分子生物學(xué)及計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)建模方法被應(yīng)用于河流系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程與結(jié)果的定量預(yù)測，研究河流生態(tài)系統(tǒng)中微生物介導(dǎo)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化潛在機(jī)制[32-33]。Preheim等[34]結(jié)合微生物數(shù)據(jù)和物質(zhì)垂向遷移轉(zhuǎn)化模型，預(yù)測季節(jié)性分層湖泊中生物地球化學(xué)循環(huán)速率和各物質(zhì)的終態(tài)濃度；Reed等[32]提出基因中心模型，結(jié)合基因組學(xué)數(shù)據(jù)描述生物地球化學(xué)模型中的微生物群落，預(yù)測微生物群落在生物地球化學(xué)循環(huán)中的功能特征。目前大多數(shù)建模方法只關(guān)注微生物群落和化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，過分簡化甚至忽略物質(zhì)的遷移過程。在水動力條件復(fù)雜的河流系統(tǒng)中，不同相(水和沉積物)之間的物質(zhì)傳遞、流體動力學(xué)擴(kuò)散等過程是物質(zhì)動態(tài)變化的關(guān)鍵步驟[5]。因此，未來的研究中，需要進(jìn)一步結(jié)合三維對流擴(kuò)散方程和基因中心模型，構(gòu)建耦合河流水動力與微生物代謝過程的數(shù)值模擬方法，實現(xiàn)對河流生物地球化學(xué)循環(huán)過程的實時、動態(tài)預(yù)測。

2.5 河流微生物食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)功能及營養(yǎng)調(diào)控機(jī)制

在河流生態(tài)系統(tǒng)中，微生物食物網(wǎng)作為生態(tài)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，控制著初級生產(chǎn)者的生物量及物質(zhì)和能量的流動[35-36]。近年來，隨著DNA宏條形碼技術(shù)和環(huán)境DNA(eDNA)等新興監(jiān)測分析技術(shù)的推廣，Deiner等[37]基于生態(tài)系統(tǒng)尺度解析微生物對環(huán)境的響應(yīng)情況。Comte等[38-39]對DNA宏條形碼的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境產(chǎn)生變化時，不同微生物物種會產(chǎn)生不同步的響應(yīng)，導(dǎo)致微生物群落重組和系統(tǒng)的生態(tài)變化。Yang等[40]基于DNA宏條形碼技術(shù)，分析梯級開發(fā)河流沉積物中微生物生態(tài)系統(tǒng)主要組分的結(jié)構(gòu)和功能特征，揭示梯級水庫蓄水對微生物食物網(wǎng)營養(yǎng)傳遞效率的上行和下行控制效應(yīng)，證實了使用DNA宏條形碼分析微生物食物網(wǎng)的可行性。Li等[41]通過分析目標(biāo)河流的eDNA樣本，對從細(xì)菌到無脊椎動物的多營養(yǎng)級生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并討論它們對生態(tài)系統(tǒng)功能的依賴關(guān)系，從而揭示人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)功能的顯著影響。當(dāng)前對河流微生物食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)功能及營養(yǎng)調(diào)控機(jī)制的研究較少，為了解河流生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境的響應(yīng)，需要更深入全面的研究。

3 河流微生物生態(tài)學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)展

河流微生物群落的組成分布特征、環(huán)境交互機(jī)制、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與生態(tài)調(diào)控功能等理論研究成果具有實際應(yīng)用價值，成果的應(yīng)用研究包括初步建立基于微生物群落的河流生態(tài)健康指示、評價、診斷體系，利用微生物溯源技術(shù)追蹤污染物遷移軌跡以及基于微生物群落重構(gòu)的生態(tài)修復(fù)探索等。

3.1 基于微生物群落的河流污染指示及健康評價

a.河流環(huán)境污染指示。為評估污染河流的健康風(fēng)險，對指示水體病原污染的微生物研究是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，而傳統(tǒng)的糞便菌指標(biāo)體系被證明具有明顯的局限性[44]。為準(zhǔn)確指示河流的總體污染狀況，河流微生物群落與環(huán)境因子之間的響應(yīng)機(jī)制逐漸得到重視，一般認(rèn)為微生物群落多樣性和結(jié)構(gòu)變化由水或沉積物的物理和化學(xué)特性引起，包括pH值、溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)濃度、污染物含量等[45-46]，而忽略了微生物與微生物之間的相互作用[47]。為了研究生態(tài)系統(tǒng)中微生物與微生物的相互作用和指示環(huán)境狀況的關(guān)鍵物種，可利用微生物共生網(wǎng)絡(luò)解釋水環(huán)境中潛在的物種內(nèi)或物種間的相互作用[48]。Li等[49]利用共生網(wǎng)絡(luò)分析水體微生物群落與環(huán)境因子及不同微生物類群之間的關(guān)系，根據(jù)共生關(guān)系中的中心物種對初步限定的指示物種進(jìn)行篩選，識別出指示水環(huán)境不同污染程度的關(guān)鍵指標(biāo)物種。然而，目前特定數(shù)量的指示微生物只能定性地反映污染程度，對具體的污染數(shù)值缺乏直接定量關(guān)系。總體而言，通過篩選及構(gòu)建微生物指標(biāo)來指示河流污染程度的研究，將為監(jiān)測和控制水環(huán)境污染水平提供新的視角。

b.河流生態(tài)健康評價。國內(nèi)外學(xué)者在河流健康評價方面開展了大量的研究工作，建立了多種河流健康評價方法[50]，近年來基于微生物群落的河流健康評價方法的研究正在逐步開展。Lau等[43,51-52]基于河流細(xì)菌多樣性，初步建立了細(xì)菌群落指數(shù)和細(xì)菌生物完整性指數(shù)等評價方法，論證了微生物群落作為河流生態(tài)健康評價指標(biāo)的可行性。Li等[53]構(gòu)建了基于河流底質(zhì)細(xì)菌群落的生物完整性指數(shù)(Ba-IBI)，對秦淮河流域進(jìn)行健康評價，結(jié)果表明，大部分的區(qū)域處于“惡劣”和“病態(tài)”等級，與當(dāng)時秦淮河的黑臭狀況一致?；诤恿魑⑸飿?gòu)建微生物完整性指數(shù)方法被證實是一種切實有效的方法，不僅能區(qū)分不同污染等級的區(qū)域，且能與水質(zhì)指數(shù)、生境指數(shù)、人口密度等建立明顯的相關(guān)性[54-55]。然而，目前的研究僅是初步建立了一個基于微生物因子的生物完整性指數(shù)方法，在將來的研究中需要利用更高級的分子生物技術(shù)和更可靠的數(shù)理統(tǒng)計分析方法，進(jìn)一步改進(jìn)微生物完整性指數(shù)，提升它的實用性和準(zhǔn)確性。

c.河流生態(tài)健康診斷。隨著微生物完整性指數(shù)等方法的發(fā)展，可對河流生態(tài)健康狀況進(jìn)行定量評估，然而，傳統(tǒng)的相關(guān)性分析僅限于分析環(huán)境因子與微生物群落組成及分布的關(guān)系。為分析環(huán)境因素對河流微生物完整性指數(shù)的影響，Zhang等[56-57]創(chuàng)新性地將微生物完整性指數(shù)和結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model，SEM)相結(jié)合，定量評估各種因素對河流微生物群落的影響，并確定了影響交匯區(qū)微生物完整性指數(shù)的直接和間接影響因子，同時利用支持向量回歸模型和敏感性分析識別出具有增強(qiáng)污染去除潛力的關(guān)鍵環(huán)境因子。目前關(guān)于河流生態(tài)健康診斷的研究較少，由于案例研究的局限性，所得結(jié)果沒有普遍性，未來的研究中，如何在生態(tài)健康評價的基礎(chǔ)上解析生態(tài)“病因”需要進(jìn)一步關(guān)注和探索。

3.2 河流污染物的微生物溯源研究

為解決河流反復(fù)污染、治標(biāo)不治本的問題，對水中污染物的溯源逐漸成為熱點(diǎn)。目前，將糞便菌群的檢測與微生物溯源技術(shù)相結(jié)合用于指示河流病原污染已取得較大進(jìn)展。Seurinck等[58-59]總結(jié)了基于微生物溯源(microbial source tracking, MST)的糞便污染物溯源技術(shù)進(jìn)展，包括基于特定微生物標(biāo)記的非建庫法(擬桿菌或大腸桿菌的生物標(biāo)記法、病毒標(biāo)記法等)和基于指紋圖譜庫的庫依賴型方法(線粒體示蹤技術(shù)、群落指紋分析等)。2006年抗生素抗性基因(antibiotics resistance genes, ARGs)被定義為新興污染物，并受到普遍關(guān)注，針對河流中抗性基因的微生物溯源技術(shù)研究也逐漸涌現(xiàn)，Baral等[60-61]利用具有典型代表性的微生物溯源工具source tracker模型分析水體中抗性基因的可能來源，為基于微生物溯源技術(shù)的河流新興污染物源頭追蹤研究提供了思路。近年來，Zhang等[62]將沉積物中微生物作為泥沙來源指示物，基于改進(jìn)的source tracker模型，在獲得“匯”區(qū)土著微生物數(shù)據(jù)后，重新計算分配“源”區(qū)微生物數(shù)據(jù)，通過研究泥沙輸移路徑，揭示不同入湖河流對湖區(qū)污染物分布和微生物多樣性的影響機(jī)制，建立了通用于復(fù)雜河湖系統(tǒng)的泥沙溯源體系。然而，目前的微生物溯源方法仍具有較多局限性，溯源結(jié)果無法驗證等問題有待解決。

3.3 基于微生物-環(huán)境交互機(jī)制的生態(tài)修復(fù)研究

目前，微生物生態(tài)修復(fù)手段主要包括直接投放微生物菌種、加入微生物促生劑和微生物-物化耦合法等，針對不同類型的河流污染，通過對菌種的篩選、配比與培養(yǎng)，研制具有不同污染物去除效果的微生物菌劑。Sun等[63]對硫氧化菌進(jìn)行篩選和表征，測試菌種投放對黑臭水體中參與硫循環(huán)的功能菌群的影響和除硫效果；吳霞等[64]采用梅花式接種法將本源微生物菌劑直接投入河流中，實現(xiàn)河流中化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)的有效去除。進(jìn)一步研究表明，聯(lián)合投加微生物菌劑和生物促生劑可有效地影響微生物群落的生長變化，對河道污染修復(fù)效果更徹底有效[65]。由于河流具有強(qiáng)流動性和復(fù)雜的水力條件，微生物菌劑和促生劑的投放常常受到水流干擾，修復(fù)效果大打折扣，對此，微生物固定化原位修復(fù)技術(shù)的研究日益涌現(xiàn)。

基于微生物群落對所處河流環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制，探索河流微生物群落生態(tài)重構(gòu)技術(shù)具有更為矚目的研究前景，如水體復(fù)氧技術(shù)、河岸近自然修復(fù)研究等。水體復(fù)氧技術(shù)研究多關(guān)注于設(shè)備改進(jìn)以提升氧轉(zhuǎn)移效率[66]，對于微生物群落組成變化影響的探索較為匱乏；河道近自然修復(fù)規(guī)劃需要基于對不同河流形態(tài)下微生物群落的分布及功能情況的調(diào)查與討論。自然條件下河流的平面形態(tài)包括辮狀河、曲流河、直流河、網(wǎng)狀河等類型，而在城市建設(shè)中，通常用混凝土或其他不透水材料將城市河道重建成直流和曲流兩種平面形態(tài)。與直型河道相比，彎曲河道增加了水的停留時間，并恢復(fù)了河岸緩沖帶，提高了河流的自凈能力，有利于污染物的降解，但是，過度的彎道可能會限制河道的水力承載能力，增加城市澇災(zāi)的風(fēng)險。因此，Zhang等[67]結(jié)合生態(tài)學(xué)基本理論和水動力學(xué)模型，探究城市河流彎道處微生物群落分布與構(gòu)建特征及其對氮轉(zhuǎn)化過程的影響，結(jié)果表明，通過在城市建設(shè)過程中對河道彎曲程度及泥沙粒徑的合理規(guī)劃，可以改變河流微生物群落特征及除氮能力。此類研究從更為獨(dú)特、宏觀的角度探討了河流微生物生態(tài)系統(tǒng)的重構(gòu)技術(shù)，具有創(chuàng)新性與前瞻性。

4 河流微生物生態(tài)學(xué)研究發(fā)展趨勢

4.1 研究方法革新化

微生物群落的研究方法包括基于物種多樣性研究的傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)法、基于代謝功能多樣性與活性分析的biolog微平板技術(shù)、基于遺傳基因多樣性研究的變性梯度凝膠電泳法等。近年來，隨著二代測序技術(shù)和多組學(xué)的發(fā)展，實現(xiàn)了一次測序就可快速獲得覆蓋整個基因組、轉(zhuǎn)錄組甚至蛋白質(zhì)組的數(shù)據(jù)量，且檢測成本較低，使得通過測序?qū)δ硞€物種的基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組做細(xì)致全面的分析變得更加便捷。為了應(yīng)對因測序技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)爆炸式增長的基因數(shù)據(jù)，生物信息分析算法的計算能力、運(yùn)行效率及多數(shù)據(jù)源整合能力均得到大大提升，生物信息學(xué)領(lǐng)域碩果累累。當(dāng)前，基于二代測序技術(shù)和生物信息學(xué)的微生物群落監(jiān)測水平及分析方法全面革新，結(jié)合傳統(tǒng)微生物監(jiān)測方法和分析手段所具有的優(yōu)勢，將為河流微生物生態(tài)學(xué)的蓬勃發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

4.2 研究尺度宏觀化

國內(nèi)外學(xué)者對不同尺度河流的微生物生態(tài)特征進(jìn)行了大量研究，而研究對象尺度逐步擴(kuò)大意味著對河流微生物生態(tài)學(xué)的把握將更為宏觀和全面。如Gao等[14]針對小型城市富營養(yǎng)化河流開展了細(xì)菌群落縱向及垂向季節(jié)性分布格局研究，并探討菌群分布特征的環(huán)境影響因素，對城市污染河流的治理具有重要意義；Liu等[12]首次對長江開展微生物群落信息的普查，研究長江細(xì)菌群落時空分布格局，并探討大壩建設(shè)對長江微生物生態(tài)的影響，為國內(nèi)大尺度河流微生物生態(tài)學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。大尺度流域的微生物生態(tài)學(xué)探究將對水利工程建設(shè)、跨流域調(diào)水、流域綜合治理等重大政策的制定與實施有一定的指導(dǎo)意義。

4.3 研究維度全面化

在河流微生物領(lǐng)域，以往的研究熱點(diǎn)是在獲取群落結(jié)構(gòu)與多樣性分布特征信息的基礎(chǔ)上，針對不同類型河流的不同區(qū)域開展大量野外觀測探究，揭示河流微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的時空變化格局以及影響群落多樣性的環(huán)境驅(qū)動因素。未來的河流微生物研究中，應(yīng)逐步增加研究維度，一方面從細(xì)胞結(jié)構(gòu)、酶活性等更為微觀的視角出發(fā)，探索微生物物質(zhì)轉(zhuǎn)化的機(jī)理，另一方面，擴(kuò)大視野，把目前研究較少的古菌和真菌納入微生物食物網(wǎng)構(gòu)建和營養(yǎng)調(diào)度機(jī)制研究的范疇，將對河流微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的探究轉(zhuǎn)化為對河流微生物食物網(wǎng)與河流生態(tài)功能關(guān)系的解析，從而更全面、系統(tǒng)、深入地發(fā)展河流微生物生態(tài)學(xué)。

4.4 理論成果技術(shù)化

河流微生物生態(tài)學(xué)研究面臨著如何將研究成果應(yīng)用于河流生態(tài)健康評價與修復(fù)實踐的挑戰(zhàn)。在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，雖然利用微生物進(jìn)行河流生態(tài)健康指示、評估和診斷的體系已經(jīng)較為健全，但是該評估方法目前仍未被官方評價體系收錄，在微生物檢測技術(shù)的準(zhǔn)確度和時效性上有待進(jìn)一步提高。此外，在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域雖然開展了許多技術(shù)理論研究，但在實際應(yīng)用中仍稍顯薄弱。將理論成果技術(shù)化是河流微生物生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的一大難題。只有將基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合，才能使河流微生物生態(tài)學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步煥發(fā)生機(jī)。