Response of redox zoning and microbial community structure in riverbed sediments to the riverbed scouring during bank filtration  

河岸過濾過程中河床沉積物氧化還原分帶及微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)河床沖刷的響應(yīng)  

來源：Journal of Hydrology, Volume 619,  2023, Article 129288

《水文學(xué)雜志》第619卷，2023年，文章編號(hào)129288  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出河床沉積物是地表水-地下水相互作用的關(guān)鍵界面，其生物地球化學(xué)過程對(duì)水質(zhì)和生態(tài)至關(guān)重要。河床沖刷顯著改變滲透水動(dòng)力條件和氧化還原狀態(tài)，進(jìn)而影響生物地球化學(xué)過程。本研究結(jié)合微電極技術(shù)、薄膜梯度擴(kuò)散技術(shù)（DGT）和16S rRNA測(cè)序，揭示了遼河河床沉積物氧化還原指標(biāo)的時(shí)空變化規(guī)律，探討了微生物群落對(duì)河床沖刷的響應(yīng)。結(jié)果表明：在枯水期（2020年9月至11月），河床普遍處于沖刷狀態(tài)（沖刷深度4-9 cm）；近岸區(qū)氧化還原帶向上遷移5.5-23 cm，河床中部過渡區(qū)及中心向下遷移0.1-10 cm，氧化還原帶最大重疊深度達(dá)50 cm；優(yōu)勢(shì)菌相對(duì)豐度與地球化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度呈正相關(guān)，枯水期河床中心微生物豐度降低反映還原速率減弱；沖刷導(dǎo)致表層反硝化菌種類增加，深層鐵錳/硫酸鹽還原菌共存，且枯水期菌群結(jié)構(gòu)存在差異。  

 

研究目的：  

揭示河床沖刷-淤積作用下沉積物氧化還原分帶動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。  

 

闡明微生物群落結(jié)構(gòu)及功能菌群對(duì)河床沖刷的響應(yīng)機(jī)制。  

 

建立微生物特征與環(huán)境因子（如水化學(xué)、沉積物理性質(zhì)）的關(guān)聯(lián)。  

 

研究思路：  

野外監(jiān)測(cè)與采樣：  

 

在遼河黃家水源地設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面（圖1），沿河岸至河心布置6個(gè)采樣點(diǎn)（A-F）（圖2）。  

 

 

 

豐水期（2020年9月）和枯水期（2020年11月）采集河床沉積物柱狀樣（深度0-1.2 m）。  

多技術(shù)聯(lián)用分析：  

 

使用丹麥Unisense微電極原位測(cè)定沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面（圖3）。  

 

 

應(yīng)用DGT技術(shù)原位獲取NO??、Fe2?、Mn2?、SO?2?等氧化還原敏感組分的高分辨率分布（圖4-6）。  

 

 

 

 

通過16S rRNA高通量測(cè)序分析微生物群落結(jié)構(gòu)（圖7,9）。  

 

 

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)制解析：  

 

結(jié)合水動(dòng)力數(shù)據(jù)、沉積物粒徑（表1）劃分近岸區(qū)、過渡區(qū)、河心區(qū)三類沖刷響應(yīng)區(qū)。

 

 

通過冗余分析（RDA）關(guān)聯(lián)微生物群落與水化學(xué)指標(biāo)。  

 

量化功能菌（反硝化菌、鐵錳還原菌、硫酸鹽還原菌）豐度變化（圖10-12），解析其與氧化還原分帶遷移的耦合關(guān)系。  

 

 

 

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

沉積物理化性質(zhì)（表1）：  

 

數(shù)據(jù)：表層沉積物平均粒徑（如近岸區(qū)A點(diǎn)豐水期27.50 μm → 枯水期14.81 μm）、砂指數(shù)/粉砂指數(shù)。  

 

意義：定量表征沖刷強(qiáng)度（枯水期沖刷深度4-9 cm），劃分近岸淤積細(xì)化區(qū)、過渡/河心沖刷粗化區(qū)，為氧化還原帶遷移提供沉積學(xué)基礎(chǔ)。  

氧化還原指標(biāo)（圖3-6,8,表4）：  

 

 

 

DO滲透深度（圖3）：近岸區(qū)A點(diǎn)從豐水期5.5 mm降至枯水期2 mm。  

 

NO??/Fe2?/Mn2?/SO?2?垂直分布（圖4-6）：如近岸區(qū)B點(diǎn)Fe2?峰值深度從豐水期25 cm上移至枯水期20 cm。  

 

氧化還原分帶閾值（表3）及遷移范圍（表4）：近岸區(qū)各還原帶上移5.5-23 cm，河心區(qū)下移0.1-10 cm。  

 

 

意義：揭示沖刷導(dǎo)致滲透路徑改變，進(jìn)而調(diào)控氧化還原反應(yīng)序列（O?/NO??→Mn(IV)→Fe(III)→SO?2?還原）的空間位置與重疊程度（最大重疊深度50 cm）。  

微生物群落數(shù)據(jù)（圖7,9-12）：  

 

群落組成（圖7）：枯水期河心區(qū)表層微生物相對(duì)豐度降低（如E點(diǎn)從22.78%降至19.41%）。  

 

功能菌豐度（圖10-12）：反硝化菌（Pseudomonas）在近岸區(qū)枯水期增加，鐵錳還原菌（Geobacter）在河心區(qū)減少。  

 

意義：證實(shí)沖刷通過改變沉積物滲透性和滯留時(shí)間，直接調(diào)控功能菌空間分布，驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)過程強(qiáng)度變化（如反硝化速率減弱）。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

丹麥Unisense微電極（型號(hào)OX100，尖端直徑100 μm）在本研究中實(shí)現(xiàn)以下核心價(jià)值：  

毫米級(jí)分辨率捕捉氧化界面遷移：以250 μm步長(zhǎng)原位測(cè)定DO剖面（圖3），精確量化DO滲透深度（如B點(diǎn)從豐水期30 mm驟降至枯水期2 mm），直接證明近岸淤積導(dǎo)致氧化層變薄，為氧化還原分帶上移提供關(guān)鍵證據(jù)。  

 

揭示生物擾動(dòng)-水動(dòng)力耦合機(jī)制：通過DO梯度陡變點(diǎn)（圖3紅線）識(shí)別沉積物-水界面位置，結(jié)合流速數(shù)據(jù)（圖S4a）證實(shí)低流速區(qū)（近岸）DO消耗加劇，闡明水動(dòng)力減弱通過延長(zhǎng)水力停留時(shí)間增強(qiáng)耗氧反應(yīng)。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：相比傳統(tǒng)分層取樣，微電極的秒級(jí)時(shí)間分辨率可捕捉生物擾動(dòng)（如底棲生物活動(dòng)）引起的DO瞬時(shí)波動(dòng)，避免樣品氧化擾動(dòng)，為"沖刷-滲透-氧化"過程提供原位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)支撐。  

 

結(jié)論：  

沖刷驅(qū)動(dòng)氧化還原帶遷移：枯水期河床沖刷深度4-9 cm，近岸淤積使氧化帶（DO/NO??還原帶）上移5.5-23 cm，河心沖刷使還原帶（Fe/Mn/SO?2?還原帶）下移0.1-10 cm，且各帶最大重疊深度達(dá)50 cm（圖8,表4）。  

 

微生物群落響應(yīng)沖刷分異：  

 

近岸區(qū)：表層沉積物細(xì)化延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，反硝化菌（Pseudomonas）豐度增加（圖10），強(qiáng)化氮循環(huán)。  

 

河心區(qū)：沖刷粗化縮短反應(yīng)時(shí)間，鐵錳還原菌（Geobacter）豐度降低（圖11），削弱金屬還原能力。  

 

深層沉積物中鐵錳/硫酸鹽還原菌（如Thiobacillus, Desulfuromonas）共存（圖9,12），反映氧化還原帶重疊的微生物證據(jù)。  

微生物-環(huán)境協(xié)同演化：RDA分析證實(shí)DO/NO??主導(dǎo)表層菌群結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e2?/Mn2?驅(qū)動(dòng)深層菌群，功能菌豐度變化可指示地球化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度（如硫酸鹽還原菌豐度降低對(duì)應(yīng)SO?2?衰減梯度減小）。