湖泊生态系统产甲烷与甲烷氧化微生物研究进展

湖泊生态系统是重要的大气甲烷来源,其甲烷释放量占全球自然生态系统的40%.产甲烷和甲烷氧化微生物在湖泊甲烷生产和消耗过程中发挥关键作用.本文综述了近期有关湖泊生态系统甲烷产生与氧化过程的研究进展,重点介绍产甲烷与甲烷氧化微生物在湖泊中的分布特征、代谢途径以及调控机制.现有研究表明,湖泊中甲烷的生成不仅仅依靠赋存于沉积物和水体厌氧层的产甲烷古菌,还可能来自有氧环境中其他产甲烷微生物的代谢作用.湖泊中的甲烷在脱离水体逸散至大气之前,被甲烷氧化微生物利用,转化成二氧化碳和小分子有机化合物(如甲醇、甲醛和甲酸等).除了传统依赖氧气作为电子受体的好氧氧化过程外,新近研究还揭示了多种厌氧甲烷氧化过程,包括依赖还原硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐以及Fe~(3+)/Mn~(4+)等金属离子的甲烷氧化过程.文献综合分析表明,反硝化型厌氧甲烷氧化过程主要发生在淡水湖泊中,而硫酸盐还原型主要发生在高盐度或者高碱度湖泊中.水体温度、溶解氧浓度可以显著影响产甲烷与甲烷氧化微生物的丰度与群落结构,其他湖泊环境条件,如盐度、pH和有机质类型等都可能改变产甲烷与甲烷氧化微生物的分布和代谢活性.不同湖泊类型的比较研究,有助于全面掌握影响湖泊产甲烷与甲烷氧化微生物的时空分布与代谢特征的主导因素.     

太湖富营养化湖区秋季水体和沉积物中硝化微生物分布特征及控制因素

微生物参与下的氮循环是富营养化湖泊十分重要的生物地球化学循环过程.采用基于amoA功能基因和16S rRNA基因的荧光定量PCR、PCR-DGGE与高通量测序等分子生物学技术,调查秋季太湖不同水体和表层沉积物中氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)群落丰度和组成,探讨影响硝化微生物分布的关键环境因子.结果表明,中度富营养化的梅梁湾湖区水体表层、中层和底层水样和表层底泥中AOA amoA基因的丰度分别低于轻度富营养化的湖心区,而不同层水样中AOB amoA基因的丰度分别高于湖心区.梅梁湾湖区和湖心区水样中AOA群落组成基本相似,2个湖区表层沉积物样品中AOA群落组成亦基本相似,水体中AOA群落组成与表层沉积物中AOA群落组成有差异,AOA群落丰度显著受硝态氮、pH和DO影响;表层沉积物中AOB群落丰度有明显差异且显著受总氮含量影响,表层沉积物中NOB群落丰度也有明显差异且显著受亚硝态氮含量影响.太湖梅梁湾湖区和湖心区水体与表层沉积物AOA群落包括Nitrosopumilium和Nitrosotalea两大属;表层沉积物AOB群落主要包括亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌(Nitrosospira)两大属,NOB群落主要包括硝化刺菌(Nitrospina)和硝化螺菌(Nitrospira)两大属,其中硝化螺菌属是淡水湖泊中比较少见的亚硝酸盐氧化菌.影响太湖水体和沉积物中AOA和AOB丰度的最主要环境因子为总氮、总磷与铵态氮.研究表明典型富营养指标(总氮、总磷、铵态氮、硝态氮和硝态氮等)是影响太湖梅梁湾和湖心区水体和沉积物中AOA或AOB丰度以及硝化微生物群落丰度的重要因素.     

巢湖柱状沉积物中甘油二烷基甘油四醚脂(GDGTs)的组成特征

甘油二烷基甘油四醚脂(GDGTs)是目前生物地球化学研究的热点之一.与GDGTs有关的指标已成功地应用在海洋环境中有关来源判识和古环境古气候重建的研究,但是在湖泊环境中的应用目前还比较有限.通过开展巢湖柱状沉积物中GDGTs的组成测定,为GDGTs类脂分子标志物在湖泊系统中的应用提供依据.研究表明由柱状沉积物中支链GDGTs参数计算得到的量化结果与巢湖周围流域的环境温度、pH等历史记录能较好地吻合;柱状沉积物中类异戊二烯类GDGTs来源的不确定性可能是造成TEX_(86)指标的量化结果和实际的水体温度出现较大偏差的重要原因.另外,沉积物中GDGTs指标和TOC、C/N、δ~(13)C_(org)、δ~(15)N等传统湖泊总体有机质参数以及其它分子标志物指标相比,具有高分辨性和抗干扰等特点.因此,湖泊中GDGTs有望成为湖泊古气候和古环境重建的重要指标.     

固定化土著氮循环细菌在城市湖泊水体净化中的应用

从镇江金山湖天然水体中筛选分离出土著氨化、亚硝化、硝化和反硝化细菌,对氮循环细菌固定化后在镇江金山湖示范工程区进行水体净化应用.结果表明,运行一段时间后水质得到明显改善,氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮以及总氮浓度处于动态变化中,有降低的趋势;氨氮含量已经达到Ⅱ类指标,总氮和COD分别达到Ⅴ类、Ⅲ类指标;分析结果还显示硝酸盐氮是金山湖水体中总氮的主要存在形式,与水体荒漠化状态有关;固定化氮循环细菌通过扩散,可以增加水体及植物根区的微生物数量,高出对比组1-3个数量级;固定化氮循环细菌技术对荒漠化水体氨氮、总氮和COD去除具有重要意义.     

近30 a云贵高原湖泊表面水体面积变化遥感监测与时空分析

以云贵高原湖泊近30 a来的TM、ETM~+和OLI遥感影像为数据源,采用归一化水体指数(NDWI)、改进归一化水体指数(MNDWI)、新型水体指数(NWI)、增强型水体指数(EWI)和自动水体提取指数5种水体指数提取了1985—2015年云贵高原10个湖泊表面水体面积,并对各种算法进行精度对比分析.针对湖泊各自特点采用不同的水体指数提取其表面水体面积,并进行水体面积变化时空分析.结果表明:云贵高原湖泊表面水体面积总体呈现先增加后缩减趋势,1985—1995年湖泊表面水体面积增加了30.86 km~2,1995—2015年湖泊水体表面面积减少了48.12 km~2,其中,面积变化最大的是杞麓湖与异龙湖.对云贵高原湖泊表面水体面积变化与该区域的年降水量、蒸发量、平均气温、流域植被覆盖面积和人类活动时空进行相关分析,结果表明:1)高原湖泊对区域气候变化的响应具有明显的空间差异性,云贵高原湖泊的表面水体面积与气候相关性较显著,气温升高引起蒸发加速,降水量下降,湖面不断缩小,与逐年上升的气温呈负相关,与逐年波动上升的蒸发量呈负相关,与逐年减少的降水量呈正相关;2)云贵高原湖泊各流域的植被覆盖面积与湖泊面积变化相关性较弱;3)人类活动是影响湖泊面积变化的重要因素,大肆围湖造田、围湖养殖以及旅游开发等人类活动直接导致云贵高原湖泊面积的锐减,并对湖泊生态环境产生重要影响.     

湖泊微生物宏基因组学研究进展

湖泊微生物作为湖泊生态系统重要组成部分,在局域和区域的元素循环中发挥着关键作用.由于自然环境中微生物之间的复杂关系和对微生物认知的片面性,可在实验室培养的湖泊微生物比例不足1%.近10年来,宏基因组学技术在微生物生态学研究中得到了广泛应用,不仅扩展了对湖泊微生物群落组成和多样性的认识,更揭示了湖泊微生物的功能多样性和微生物之间的相互作用.特别是基于宏基因组数据的分装(Binning)手段,可以获取大量湖泊中未培养微生物的基因组信息,用于后续的比较基因组、生态进化和培养组学等研究.随着宏基因组学相关学科和技术的不断发展,其将在湖泊微生物生态学基础理论研究和环境生物监测应用中发挥更为重要的作用,成为人类了解湖泊生态系统功能和维持机制的有力工具.     

中国湖泊古生态研究进展

湖泊古生态学是古湖沼学的一个主要分支学科,主要通过沉积记录中的各种生物化石指标分析,重建不同时空尺度的湖泊生态系统演化过程,回答生态学、全球变化和环境管理应用方面的议题.本文回顾了国内外湖泊古生态研究的发展历程,在介绍湖泊古生态系列指标和研究基本原理基础上,着重评述了过去20 a来我国湖泊古生态研究取得的主要进展和成果,包括:(1)建立了基于多种生物和生物标记化合物指标进行古气候环境要素(温度、盐度、水体总磷等)定量重建的系列转换函数模型;(2)重点揭示了不同地质历史时期和近百年来湖泊生态环境演变的规律,及其对自然和人为驱动的响应特征与机理;(3)利用古生态记录诊断了湖泊生态系统突变模式与早期信号特征,定量揭示了湖泊生物群落演替与生态系统弹性损失的关系.上述成果为湖泊环境管理和治理提供了重要依据.本文最后对我国湖泊古生态研究进行了展望,提出了今后研究的重点方向.     

西藏湖泊水体中主要离子分布特征及其对区域气候变化的响应

于2009 2010年对西藏34个湖泊表层水体进行采样和水质参数测量,测试不同湖泊水体主要离子浓度,分析其分布特征和对区域气候变化的响应.研究表明,不同湖泊水体的主要离子浓度及其水质参数存在差异,西藏大部分湖泊离子浓度高于全国甚至全球湖泊平均水平.湖泊的水化学类型主要为氯化物型,少部分是硫酸盐型.西藏湖泊受强烈蒸发作用的影响,水化学类型从东南到西北依次为碳酸盐型-硫酸钠型-硫酸钾型-氯化物型.对比1990s前的研究发现,大部分湖泊水体的主要离子浓度较上世纪有所降低,且部分湖泊水化学类型也发生了变化,该变化反映了过去几十年来西藏湖泊水化学对区域气候变化的响应.     

鄱阳湖流域南昌市城市湖泊水体抗生素污染特征及生态风险分析

采用固相萃取-超高效液相色谱-质谱法对南昌市5个城市湖泊——艾溪湖、瑶湖、青山湖、象湖和东西湖水体的抗生素进行监测,并分析其污染来源和生态风险.结果表明,南昌市5个城市湖泊水体中四环素类、磺胺类、喹诺酮类、林可霉素及大环内酯类5类抗生素的检出浓度范围分别为ND~6.3、ND~32.0、ND~97.2、ND~54.7和ND~98.4 ng/L;红霉素和林可霉素是5个城市湖泊水体中的主要抗生素类型;相比于其他湖泊,南昌市城市湖泊水体中主要检出抗生素浓度总体处于中等水平,其中恩诺沙星的检出浓度高于其他对比湖泊.南昌市城市湖泊中6种主要抗生素的风险商均小于0.1,表明均为最低生态风险;5个城市湖泊的主要生态风险因子分别是艾溪湖为红霉素,瑶湖为磺胺二甲嘧啶,青山湖为罗红霉素,象湖为红霉素,东西湖为磺胺嘧啶.本研究可为南昌市城市湖泊水环境管理,特别是新型污染物的环境管理提供基础依据.     

水体细菌碱性磷酸酶及其编码基因研究进展

水体溶解性反应磷是浮游植物可直接利用的主要磷营养形式,细菌碱性磷酸酶催化的有机磷矿化过程则是维持溶解性反应磷供给的重要途径.通过总结细菌碱性磷酸酶的种类与分布特征,发现主要包括Pho A、Pho X和Pho D 3种类型细菌碱性磷酸酶,其中超过50%的Pho X分布于细菌细胞的外部环境,对溶解性反应磷的循环再生尤为重要.综述水体产碱性磷酸酶细菌群落组成的研究进展,以及影响编码基因表达的环境因素,对比分析产碱性磷酸酶细菌群落鉴定方法的特点及发展趋势.细菌碱性磷酸酶编码基因的研究多关注寡营养海洋生态系统,对于同样存在磷限制问题的富营养化湖泊生态系统鲜有涉及,而构建针对典型富营养化湖泊生态系统的细菌宏基因组数据库,则可为建立淡水生态系统细菌碱性磷酸酶及其编码基因的研究方法奠定基础,有助于认识湖泊水华频发的微生物学驱动机制.     

Occurrence and distribution of hydroxylated isoprenoid glycerol dialkyl glycerol tetraethers(OH-GDGTs) in the Han River system,South Korea

We investigated the occurrence and distribution of terrestrial-derived hydroxylated isoprenoid glycerol dialkyl glycerol tetraethers(OH-GDGTs) in the Han River system and their potential impact on the application of the ring index of OH-GDGTs(RI-OH) as a sea surface temperature(SST) proxy in the eastern Yellow Sea. Thereby, we analyzed various samples collected along the Han River and from its surrounding areas(South Korea, n = 34). The OHGDGTs were found in all samples investigated. OH-GDGT-0 was the dominant OH-GDGT component in the estuary and marine samples while OH-GDGT-2 was generally dominant in the soils, the lake sediments and the river suspended particulate matter(SPM). Our results thus suggests a possible warm bias of the RI-OH-derived summer SSTs in the coastal zone to which a large amount of terrestrial organic matter is being supplied. Further studies are necessary to better assess the applicability of the RI-OH proxy in the eastern Yellow Sea.     

Distribution of branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers in soils on the Northeastern Qinghai-Tibetan Plateau and possible production by nitrite-reducing bacteria

Branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers (bGDGTs) are ubiquitous and abundant in soils, but their sources remain elusive. Recent studies demonstrate that the distributions of bGDGTs are sensitive to various environmental factors. In an effort to understand how and to what extent soil moisture (expressed as soil water content (SWC) or mean annual precipitation (MAP), pH and temperature may impact the distribution of bGDGTs, and to shed more light on the biological sources of bGDGTs in cold and arid regions, we investigated the distribution of bGDGTs as well as bacterial 16S rRNA gene and functional genes involved in the N cycle (including amoA, nirS and nirK) in 41 surface soil samples from around Lake Qinghai and east of Qaidam Basin on the Northeastern Qinghai-Tibetan Plateau. We found that lower soil moisture reduced the fractional concentrations of cyclic bGDGTs and thus the cyclisation ratio of branched tetraethers (CBT) index correlated negatively with SWC and MAP, suggesting that soil moisture is an important factor controlling bGDGT distributions in soils in this arid and semi-arid region. Two subgroups of bGDGTs were assigned on the basis of cluster analysis, and bGDGT indices behaved differently in the two groups, hinting at different biosynthetic mechanisms for bGDGTs under different environmental conditions. Real time PCR results showed that nirS and nirK genes correlated significantly with the concentration of bGDGTs, suggesting that the nirS- or nirK-encoding bacteria involved in denitrification might potentially be an additional biological source for soil bGDGTs (besides Acidobacteria). Moreover, our results also support the application of new indices based on 5-methyl bGDGTs and 6-methyl bGDGTs in reconstructing past temperature and pH variations in this region.     

蚌湖与鄱阳湖水量交换关系的分析

根据蚌湖和鄱阳湖修水站的水位同步观测资料,结合湖区地形,分析蚌湖与鄱阳湖的水量交换关系,并利用三峡工程对鄱阳湖修水,星子,都昌站水位影响的预测结果,讨论三峡工程对蚌湖水情的影响。     

湖泊水色遥感研究进展

从卫星传感器、大气校正、光学特性测量、生物光学模型及水体辐射传输、水质参数反演方法等方面,系统分析了湖泊水色遥感的发展现状.湖泊水体物质组份的复杂性以及卫星传感器与实际需求的矛盾决定了湖泊水色遥感的难度.目前湖泊水色遥感在一些关键问题上仍没有实质性进步,离水色遥感监测的业务化尚有一段距离.令人欣慰的是,卫星传感器以及水色遥感反演算法的不断发展和进步,让我们看到了胜利的曙光.     

Distribution of glycerol dialkyl glycerol tetraethers in surface soils along an altitudinal transect at cold and humid Mountain Changbai: Implications for the reconstruction of paleoaltimetry and paleoclimate

Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers(GDGTs)serve as important tools for the quantitative reconstruction of paleoclimate and paleoecology in both continental and marine environments.Previous studies of GDGTs in the terrestrial environments focused primarily on the soils from the relatively warm-humid or cold-dry regions.However,it is still unclear how GDGTs respond to environmental variables in the cold-humid regions.Here,we collected soils along an altitudinal transect of Mountain(Mt.)Changbai,which has a typical cold-humid climate,to investigate the distribution of GDGTs and the response of GDGT-based proxies to changes in climate along the transect.The shift in the distribution of archaeal isoprenoidal GDGTs(iso GDGTs)revealed that the archaeal community varied significantly along the transect,which can affect the relationship between TEX_(86)and mean annual air temperature(MAT).In addition,the increased temperature seasonality at higher altitudes exerted a significant impact on TEX_(86).We proposed a global calibration of TEX_(86)for the growing season temperature reconstruction in the soil environments:T=85.19×TEX_(86)-46.30(R~2=0.84,p0.001).The methylation indices for 5-methyl branched GDGTs(br GDGTs)including MBT′_(5me)and MBT_(5/6),showed correlation with soil water content but no relationship with MAT,indicating that MBT′_(5me)and MBT_(5/6)from cold-humid environments may be not suitable for temperature and altitude reconstruction.In contrast,the recently developed p H proxies,including MBT′_(6me)(the methylation index for 6-methyl br GDGTs),CBT(Cyclisation index of Branched Tetraethers),IR_(IIa’)(Isomer ratio of IIa′)and IR_(IIIa′)(Isomer ratio of IIIa′)exhibited significant correlations with soil p H,suggesting these proxies can still be used for soil p H reconstruction in the coldhumid regions.The combination of MBT′_(5me)and MBT′_(6me)was strongly related to different types of climate(cold-dry,warmhumid,cold-humid,and warm-dry).For example,MBT′_(5me)0.65 and MBT′_(6me)0.55 are diagnostic for the cold-humid climate.Thus,the combination of MBT′_(5me)and MBT′_(6me)has the potential as a tool for the identification of different types of paleoclimate.     

湖泊水质遥感的几个关键问题

我国目前约有面积大于1km2的湖泊有3000个,绝大部分属高叶绿素和高悬浮物浓度水体,属于典型的Ⅱ类水体,物质组成多样,水体的光学辐射传输复杂,且有大范围的光学浅水.我国的湖泊水质/水色遥感虽然取得了一定进展,但借鉴海洋水色遥感的相关理论和经验,还需要解决以下四个关键问题:1)兼顾海洋沿海水质遥感,发展专用的静止卫星湖泊水质遥感器;2)在当前多光谱遥感资料基础上研发高光谱湖泊水质因子提取的遥感定量化模型,提高反演精度;3)深化湖底底质对湖泊水质/水质遥感影响研究,发展湖底水质遥感反射率精确计算模型;4)发展适用于湖泊水体区域性Ⅱ类水体大气校正方法,并集成反演、遥感产品制作、分发等技术,构建湖泊水体水质/水色业务化运行体系.     

千岛湖(新安江水库)表层水中全氟化合物的残留水平及分布特征

为查明千岛湖水体中全氟化合物(PFCs)的污染特征,于2017年丰水期和枯水期分别采集13个监测断面的表层水样品,采用固相萃取净化、富集水样,超高效液相色谱串联质谱联用法测定水中16种PFCs,研究其残留水平和分布特征监测结果表明,千岛湖表层水共检出5种中短链PFCs,包括C₄全氟烷基磺酸以及C₄、C₅、C₆和C₈ 4种全氟烷基羧酸ΣPFCs浓度范围为1.70～6.21 ng/L,以全氟辛酸(PFOA)为主要污染物,其浓度范围为0.52～3.61 ng/L,全氟辛烷磺酸(PFOS)则未检出与国内外同类水体相比,PFOA和PFOS浓度水平均处于低污染水平枯水期千岛湖水中PFCs污染程度高于丰水期,整体上呈现点源污染特征各断面水体中ΣPFCs浓度枯水期差异较大,而丰水期基本处于同一浓度水平空间分布上主要入湖河流新安江上游断面街口和威坪的PFCs浓度明显高于其他主要入湖河流断面以及湖区断面.     

水位波动下的呼伦湖上覆水体与沉积物间隙水之间溶质的运移特征

为了探求内蒙古呼伦湖上覆水体和沉积物间隙水之间溶质运移机制,对呼伦湖的1个沉积物柱芯的间隙水、3个湖泊水体以及湖周边7个地下水体中的氯离子(Cl~-),氢、氧稳定同位素(δD和δ~(18)O)分别进行分析测试,并利用其示踪性对沉积物中溶质运移特征进行研究.结果显示,δD、δ~(18)O和Cl~-浓度在不同水体中的分布具有相似的分布规律,整体上从底部沉积物到上部湖水浓度分布呈现逐渐递减的抛物线趋势,在间隙水中最大值位于所取沉积物柱芯的最深处,Cl~-浓度为306 mg/L,δD和δ~(18)O分别为-58‰和-5.9‰;最小值位于沉积物柱芯上层,并与上覆水体中的值相似,Cl~-浓度为159 mg/L,δD和δ~(18)O分别为-66‰和-7.3‰.为了明确沉积物柱芯中间隙水的高浓度Cl~-和偏正δD、δ~(18)O的来源,比较不同水体的δ~(18)O-δD关系点分布,表明含有偏正值的δD、δ~(18)O和高浓度Cl~-的间隙水与上覆湖水关系密切,可能是由于低水位时期湖水与间隙水相互发生扩散作用而产生的结果.一维对流扩散迁移模型证实扩散作用是控制着沉积物间隙水中溶质浓度在垂向上分布的主要机制,同时湖水水位的变化会影响沉积物间隙水与上覆水体的扩散过程,特别是在水位上升期,富集在沉积物中的溶质可能成为湖水的重要物质来源,影响上覆水体的水质.因此,对于封闭湖泊水位的控制和管理不仅在维持湖泊水量方面有着直接的作用,同时在稳定湖泊水质条件上也有着重要的意义.     

A coupled physical-biochemical lake model for forecasting water quality

A new one-dimensional numerical model that includes physical and biochemical processes has been developed. The biochemical processes, influenced by the lake dynamics, are required for forecasting water quality. The model is used to investigate the effects of different internal restoration measures, such as artificial mixing, input of oxygen and drainage of deep water.The model is applied to the Northern Basin of Lake Lugano, a Swiss-Italian border lake. The lake is highly eutrophic and chemically stratified throughout the year. The model was calibrated over one year and validated over a period of several years. The results agree well with the measured data. The coupled model reproduces the observed depth dependency of conductivity even during long simulation times. Due to the predominant mixing, decoupled physical models cannot maintain such gradients. The forecasting capabilities of the model are demonstrated for different case studies. The impact of restoration measures on water quality is rather small. Best results are achieved by reducing the external nutrient loading. Caution is recommended for internal measures as these have to be studied in greater detail.