Deciphering the origins, composition and microbial fate of dissolved organic matter in agro-urban headwater streams

分析了農業城市源頭溪流中溶解有機質的來源、組成及微生物特性

來源：Science of the Total Environment 2018.12.237

 

論文概述

研究聚焦于中國太湖流域的亞熱帶地區，通過對比森林（參考）、農業和城市三種不同土地利用類型下的15條一級源頭溪流，系統探究了人類活動（農業和城市化）如何通過非點源途徑改變溪流生態系統中DOM的數量、質量及其最終的微生物歸宿。

 

1. 摘要核心內容

摘要指出，景觀城市化和集約化農業 dramatically 改變了溪流生態系統。本研究應用體積排阻色譜（SEC）、熒光激發-發射矩陣（EEMs）、吸光度和木質素生物標志物等多種分析技術，探究了不同土地利用下溪流DOM的特性及其微生物歸宿。結果表明，與森林溪流相比，農業和城市用地都增加了溪流中溶解有機碳（DOC）的濃度和輸出通量，并降低了其C/N比，且大部分DOC與類腐殖質結合。然而，DOM的組成存在顯著差異：城市溪流富集了人為/水生來源的類富里酸和類蛋白DOM，其芳香性和分子量降低；而農業溪流則富集了微生物轉化的土壤源類腐殖質和低分子量物質（如中性物和酸）。人類活動還影響了DOM生物地球化學的季節動態。冗余分析（RDA）表明，DOM的質量（分子來源和分子量）是影響微生物碳處理的最主要因素。城市溪流中更高比例的DOM最終被礦化為CO?，這主要歸因于微生物對腐殖和非腐殖物質（如蛋白質、多糖和木質素）的利用效率較低，以及更高的無機氮磷水平；而農業和森林溪流中相當一部分DOM傾向于進入微生物生產和難降解DOM庫。研究表明，城市化和農業實踐導致的溪流DOM特性差異可能會影響微生物碳處理過程，并對流經淡水生態系統的有機碳歸宿產生自下而上（bottom-up）的改變。

2. 研究目的

本研究的主要目的是評估以作物為基礎的農業土地利用和城市土地利用（無點源和化糞池輸入）對源頭溪流中DOM的輸出、來源、組成和微生物歸宿的影響。具體假設如下：

 

與森林/自然溪流相比，農業和城市景觀會（i）增加DOM的輸出量（更高的產量）和含氮量（更低的C/N比），這是由于水文路徑縮短所致；

農業和城市景觀會（ii）降低DOM的結構復雜性和分子尺寸，這是由于人為和自生來源物質的產生增強；

 

由于DOM分子特性與水生物理化學條件之間的相互作用，（iii）DOM的微生物利用路徑將存在顯著差異。

 

3. 研究思路

研究采用了多技術聯用、現場采樣與室內培養實驗相結合的綜合思路：

 

選址與采樣：在太湖梅梁灣流域選擇5條農業溪流、5條城市溪流和5條森林溪流（圖1）作為研究對象。在2014年3月至2015年3月期間，每兩個月采集一次水樣和流量數據（共144個樣品），以確保覆蓋季節變化。

 

 

綜合DOM表征：使用一系列先進技術對過濾后的水樣進行分析：

 

SEC-LC-OCD-OND：分析DOC、DON濃度，并將DOM按分子大小分為4個組分：高分子量物質（HMWS）、類腐殖質（HS）、構建塊（BB）和低分子量物質（LMWS）（數據主要展示于 圖3）。

 

紫外-可見光光譜（UV-Vis）：獲取SUVA254（芳香性指標）等數據（圖3）。

熒光EEMs-PARAFAC：鑒定DOM的熒光組分（C1-C6），并計算熒光指數（FI）、腐化指數（HIX）、β:α等來源指標（圖3, 圖7）。

 

木質素酚類生物標志物：作為陸源植物輸入的示蹤劑（圖3）。

 

暗培養實驗：將溪流水樣過濾除菌后，接種本地細菌群落，在黑暗中進行40天的培養（圖7, 圖8）。使用丹麥Unisense的氧微電極（Clark型傳感器）監測細菌呼吸（BR），并使用3H-亮氨酸法測量細菌生產（BP），進而計算細菌生長效率（BGE）。同時監測培養過程中DOM組成指標的變化。

 

統計分析：運用主成分分析（PCA）、冗余分析（RDA）（圖4, 圖6）和線性混合效應模型（LMEM）等統計方法，解析土地利用、水文條件與DOM特性及微生物歸宿之間的復雜關系。

 

 

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

測量的數據類型與意義

 

DOC濃度與通量（來自 圖2）

 

數據：DOC濃度（mg C L?1）、DOC比負荷（mg C s?1 km?2）、C/N摩爾比。

 

研究意義：直接量化了不同土地利用對溪流碳輸出強度的差異。數據顯示農業和城市活動顯著增加了DOC向水體的輸送量，并且輸出的有機質含氮量更高（C/N更低），這改變了進入水生生態系統的碳和營養鹽的化學計量比，可能直接影響后續的微生物代謝過程。

 

DOM分子大小分餾（來自 圖3, 圖8）

 

數據：DOC%HMWS, DOC%HS, DOC%BB, DOC%LMWS。

 

研究意義：揭示了DOM的分子量分布特征。結果表明農業和城市溪流的DOM分子量整體減小（HS和BB占比變化，LMWS增加）。分子大小直接影響DOM的遷移性、生物可利用性和化學反應活性，是判斷其環境行為的關鍵指標。

 

DOM光學特性與熒光組分（來自 圖3, 圖7）

 

數據：SUVA254（芳香性）、PARAFAC組分C1-C6的Fmax值（C1: 類酪氨酸；C2: 微生物轉化類腐殖質；C3: 類富里酸/大氣沉積；C4, C5, C6: 陸源類腐殖質）、FI、HIX、β:α。

 

研究意義：提供了DOM來源和相對腐化程度的指紋信息。數據表明城市溪流富集自生/人為源蛋白和富里酸（C1, C3），農業溪流富集微生物轉化的類腐殖質（C2），而森林溪流以陸源、芳香性高的類腐殖質（C4-C6）為主。這為解釋其不同的生物可利用性提供了關鍵證據。

 

木質素生物標志物（來自 圖3）

 

數據：Λ?（木質素酚總量）、(Ad/Al)v（降解指標）、3,5Bd/V（單寧來源指標）。

 

研究意義：作為陸源植物有機質的特異性示蹤劑，提供了DOM來源的“硬證據”。數據證實了陸源輸入在所有溪流中的主導地位，但農業活動增加了土壤中微生物降解的木質素輸入（更高的(Ad/Al)v）。

 

微生物代謝參數（來自 圖6, 圖7, 圖8 及文本）

 

數據：細菌呼吸（BR）、細菌生產（BP）、細菌生長效率（BGE = BP/(BP+BR)）、消耗的DOC（DOCconsum）。

 

研究意義：直接量化了DOM的微生物歸宿——是被礦化為CO?（BR）還是合成為菌體生物量（BP）。這是本研究的核心發現，揭示了城市溪流DOM雖然輸入量大，但更多地被呼吸掉（低BGE），而農業和森林溪流的DOM有更高比例轉化為生物量或難降解碳庫（高BGE）。

 

培養過程中DOM組成變化（來自 圖7, 圖8）

 

數據：40天培養期內各熒光組分Fmax值、各分子大小組分濃度的變化。

 

研究意義：動態揭示了不同來源/組成的DOM組分的生物降解優先級和轉化路徑。數據顯示類蛋白和類富里酸組分（C1, C3）優先被降解，而某些類腐殖質組分（C6）在培養后期反而增加，證明了微生物在轉化生成難降解DOM（微生物碳泵效應），且這種效應在農業和森林溪流中更強。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

土地利用對DOM輸出和組成的影響：農業和城市化均顯著增加了源頭溪流的DOC輸出通量，并降低了DOM的C/N比。然而，兩者改變了DOM組成的具體方式不同：城市溪流傾向于增加自生/人為源的、生物易利用的蛋白和富里酸物質；而農業溪流則增加了土壤來源的、經過微生物改造的類腐殖質和低分子量物質。

DOM質量驅動微生物歸宿：DOM的化學組成和性質（分子來源、分子大小）是控制其微生物利用效率和路徑的首要因素，其解釋度（43.29%和29.74%）遠高于無機養分（17.29%）等因素。

差異化的微生物碳處理模式：

 

城市溪流：富含易降解有機質和高無機養分，刺激了微生物的快速生長策略（r-策略），導致呼吸作用旺盛，大部分DOC被快速礦化為CO?，細菌生長效率（BGE）較低。

 

農業與森林溪流：DOM相對不易降解且養分可能受限，促使微生物采取高效生長策略（K-策略），將更高比例的DOC轉化為細菌生物量（更高BGE）。同時，微生物活動產生了更多的難降解DOM（RDOM），體現了更強的“微生物碳泵”（MCP）效應，有利于碳的封存。

 

對碳循環的意義：人類活動通過改變流域土地利用，從而自下而上地改變了淡水生態系統的碳處理模式。城市化可能導致更多流域碳以CO?形式逸散到大氣中，而農業活動可能在促進碳在水生食物網中循環和形成難降解碳庫方面扮演更復雜的角色。這對全球碳循環模型和流域管理具有重要啟示。

 

6. 詳細解讀：Unisense電極測量數據的研究意義

本研究在40天的黑暗培養實驗中，使用了丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極（OX-N型）來監測微生物代謝過程。

測量數據：該電極連續、高精度地測量了培養瓶中的溶解氧（O?）濃度變化（圖8相關的呼吸計算基于此）。通過計算單位時間內O?的消耗量，得以準確量化細菌呼吸速率（BR）。

詳細研究意義解讀：

 

提供了微生物代謝的直接和實時證據：Unisense微電極能夠對溶解氧進行連續、無損的原位監測，避免了傳統 Winkler 滴定法等離散取樣方法可能帶來的誤差和干擾。這為計算整個培養期（40天）的總呼吸量提供了高分辨率、高可靠性的數據基礎。

實現了碳通量的準確換算：通過測量O?消耗量（BR），并采用合理的呼吸商（RQ=1.2）進行換算，研究得以將氧消耗量轉化為碳礦化量（DOCRespir）。這是量化有多少DOC被微生物徹底分解為CO?的關鍵一步。沒有Unisense電極提供的精確BR數據，就無法準確計算碳的最終歸宿。

作為計算細菌生長效率（BGE）的關鍵輸入參數：BGE是本研究的核心指標之一，它揭示了微生物將碳用于合成自身 biomass（BP） versus 分解為CO?（BR）的效率。其計算公式為：BGE = BP / (BP + BR)。Unisense電極測量的BR數據是計算BGE分母的重要組成部分。正是基于準確的BR數據，本研究才發現并證實了城市溪流DOM的BGE顯著低于農業和森林溪流這一關鍵結論。

 

支撐了“環境敵意”概念的驗證：研究發現城市溪流的高無機養分和特定DOM組成創造了更高的“環境敵意”，促使微生物將更多能量用于維持和修復而非生長，導致更高的呼吸速率和更低的BGE。Unisense電極測量的高BR數據正是這種“高呼吸、低效率”代謝模式的直接實驗證據，強化了DOM特性與環境條件共同調控微生物碳歸宿的理論框架。

 

綜上所述，Unisense氧微電極在本研究中并不僅僅是一個簡單的氧氣傳感器。它是連接DOM化學特性與微生物代謝功能之間的橋梁，其提供的高質量呼吸數據是量化碳礦化通量、計算能量利用效率（BGE）、并最終揭示不同土地利用下差異化碳歸宿機制不可或缺的關鍵工具。沒有它的數據，本研究關于微生物代謝路徑的結論將缺乏最直接、最定量的證據支持。