湖泊微生物与溶解有机质相互作用关系研究进展

溶解有机质(DOM)参与湖泊元素生物地球化学循环,为微生物生存代谢提供能量来源和物质基础,与微生物之间存在复杂的相互关系。文章综述了DOM表征手段,阐述了湖泊微生物与DOM相互作用关系及其代谢机制,探讨了在气候变化背景下湖泊微生物与DOM对气温升高、盐化、富营养化等关键环境因子的响应。未来需进一步开展陆源DOM输入对湖泊生态系统影响研究,探究湖泊碳库的形成过程及其机制,揭示微生物作用对湖泊碳储存的影响,深化对湖泊生态系统固碳潜力的认识。

我国流域水生态监测与评价体系研究进展及发展对策

水生态监测与评价是水生态系统管理、保护和可持续利用的基础。20世纪80年代开始,欧美发达国家水环境管理政策开始强调生态保护,重视流域水生态质量,先后开展了以水生生物为核心的河流水生态监测与评价研究计划。然而我国目前流域水环境监测与评价的指标主要以传统的理化监测指标为主,缺乏指示水生态变化的水生生物指标,单一的水质改善无法反映水生态环境好转这一长远目标,不能满足“十四五”水生态环境管理由以水污染防治为主向水环境、水生态、水资源“三水”统筹转变的总体要求。本研究系统分析发达国家和地区(如美国、欧盟、澳大利亚等)水生态监测与评价技术体系与业务化运行方面的先进经验,总结梳理我国水生态监测与评价试点已有的工作基础,分析制约我国当前流域水生态监测与评价的关键问题,从保护目标、管理模式、监测网络、科学研究和公众参与五个方面,提出开展我国流域水生态监测与评价体系构建和业务化运行的有关建议,为准确评估和预测流域水生态质量状况的变化、开展保护修复成效评估提供决策支持和重要参考。

中国地表水环境质量标准研究

《地表水环境质量标准》是水环境管理的尺度,在推动我国水污染防治、公众健康与水生态安全保障等方面发挥着十分重要的作用.随着我国进入生态文明建设新阶段,水环境保护和社会经济发展形势发生深刻变化,如何与时俱进,及时修订丰富现行标准成为迫在眉睫的问题.全面剖析了我国现行GB 3838—2002《地表水环境质量标准》修订历程、修订依据、重要贡献、存在问题及国家需求,结合国际标准发展趋势和我国社会发展阶段,提出未来将《地表水环境质量标准》由单项标准向系列标准转变的修订思路框架.初步阐述了由系列标准构成的“1+N”的标准体系框架,其中,“1”是地表水环境质量基本项目标准,用于判断地表水环境质量的优劣程度,反映水环境功能的基本水质要求;“N”是不同的特定保护项目标准,包括保护水生生物的有毒有害污染物项目水质标准、地表饮用水源地水质标准、湖泊营养物状态评价标准以及地表水水生物状况评价标准,并提出了各分标准的相关制修订方案.

我国水生态环境安全保障对策研究

良好的水生态环境是实现中华民族永续发展的内在要求,是生态文明和“美丽中国”建设的重要基础。当前,我国水生态环境形势依然严峻,富营养化、饮用水源地污染、地下水与近海海域污染、新污染物、生态用水短缺等水生态环境问题未得到根本解决。本文系统解析了我国水生态环境总体形势和面临的主要问题,提出了以流域水生态环境质量改善为核心,综合考虑水质改善、水生态保护和水环境风险防控的战略思路、基本原则和战略目标,提出了包括开展重点流域“山水林田湖草沙”协同治理和整体修复科技攻关与示范、开展京津冀协同发展区水环境水生态质量整体提升科技攻关与示范、开展新时期饮用水安全保障科技攻关与示范在内的3项重大科技工程建议。为推动我国水生态环境安全保障的顺利实施,研究建议:全面系统修订《地表水环境质量标准》,强化其在水生态文明建设中的引领作用;科学评估我国湖泊氮磷营养物的时空差异,实施差异化营养物标准;科学评估我国水生态现状,深化推进水生态监测和评估;构建基于大数据融合的饮用水安全保障智慧化监管平台,保障饮用水安全。

气候变化对小流域氮、磷通量的影响——以延安市河流流域为例

采用外源污染物负荷模型和流域氮、磷通量核算模型,结合流域土地利用和气象数据,在延安市4条河流流域建立了流域氮、磷负荷经验模型,分析流域氮、磷通量与净人为氮、磷输入量,降水量,土地利用类型等因子之间的响应关系。结果表明:净人为氮、磷输入量,降水量和土地利用类型变化是氮、磷通量变化的主要原因,其中降水量可以分别解释流域氮、磷通量变化的25.67%和18.29%,降水量的增加会显著增加氮、磷通量;利用区域气候模式数据模拟了近期和远期不同发展情景下流域氮、磷通量的变化情况,在气候变化的驱动下,即使净人为氮、磷输入量和土地利用类型保持现状不变,氮、磷通量在远期预测中仍会呈增加趋势,林地面积的增加可以在一定程度上减缓降水对氮、磷通量的影响。气候变化和人类活动均会对流域氮、磷通量产生影响,在制定流域氮、磷削减方案时,需要考虑气候变化对方案效果的影响。

东北湖区典型流域生态安全评估

为评估东北湖区湖泊生态安全,在山口湖流域水质特征分析的基础上,分别采用模糊综合评价法、层次分析法和DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)模型对山口湖流域水环境质量、陆域生态系统健康状况和流域生态安全进行综合评估.结果表明:①2014年山口湖水体氮、磷、有机物质量浓度较低,各月营养水平存在较大波动:3月冰封期ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(CODMn)最低,分别为0.681、0.022、6.31 mg/L;5月冰层溶解时ρ(TN)和ρ(CODMn)最高,分别为1.771、8.27 mg/L.在3条入湖河流中,长水河受生活源和农业面源污染较重,ρ(TN)年均值为2.244 mg/L,超出GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准限值;南水河污染较轻,ρ(TN)、ρ(TP)平均值分别为1.061、0.059 mg/L;土鲁木河受人类活动影响较小,污染最轻.②模糊综合评价结果显示,除5月外,2014年山口湖水体总体上处于GB 3838-2002Ⅲ类水质.③1988-2014年山口湖陆域生态系统处于优秀状态,但健康指数由1988年的90.06降至2014年的87.63,森林覆盖率下降、农田比例增加是陆域生态系统健康状态下降的主要原因.④2014年山口湖流域生态安全指数值为72.61,处于较安全状态,经济发展水平落后、入湖污染物未有效控制、透明度低、水产品供给指标功能较差、污染物处理能力差是影响山口湖生态安全的主要因素.研究显示,需减少农田化肥施用量,加强农村和农业面源污染防治等措施,控制污染物入湖量,加强环境监管能力建设和科技支撑,提高山口湖流域生态安全状态.

美国溶解氧基准标准及其对我国的启示

近年来我国水质量整体改善,但全国采用统一的溶解氧标准易导致不同地区水体欠保护或过保护.美国拥有相对完善的溶解氧标准体系,在综述了美国溶解氧基准标准制定体系的基础上,初步分析了我国溶解氧标准现存的不足及美国溶解氧标准制定对我国的启示.美国国家环境保护局通过分析不同溶解氧暴露情况对水生生物的影响,针对淡水和海水2种栖息地环境,对冷水和温水物种及其不同生活史阶段分别制定溶解氧基准值.美国各州参照溶解氧基准,考虑社会经济、反降级政策等因素,在不同时间和地点分别制定了保护指定水体功能的溶解氧标准值.我国现行的溶解氧标准值,主要参考国外发达国家标准制定,缺少对我国溶解氧背景浓度和水生生物溶解氧敏感性的基础研究.为制定符合我国国情的溶解氧基准标准,需在综合考虑我国气候、地理条件等自然因素对溶解氧影响基础上,开展水生生物对溶解氧敏感性、栖息地环境对物种及溶解氧浓度影响的相关研究工作,并综合考虑反降级政策,防止水质进一步恶化.

于桥水库藻类群落演替过程及影响因素

解析湖库藻类群落演替过程及影响因素对于湖库富营养化控制具有重要作用,而当前我国大部分湖库缺乏历史藻类群落监测数据.为研究典型水库藻类群落演替过程及主要驱动因素,在于桥水库采集沉积物柱芯,采用137 Cs定年和藻类色素反演的方法,重建了于桥水库藻类群落近80年历史演替过程,揭示了气候变化和人类活动对藻类群落演替的影响规律.结果表明:①于桥水库历史主要藻类为绿藻、蓝藻、隐藻、甲藻、硅藻和裸藻,藻类群落演替经历了3个阶段,第Ⅰ阶段为1938-1958年,藻类生物量较低;第Ⅱ阶段为1958-1983年,藻类生物量逐渐升高;第Ⅲ阶段为1983-2019年,藻类生物量显著增长,主要以蓝藻和绿藻为优势种.②1959年建库后水动力条件改变导致藻类群落显著变化,藻类生物量和多样性增加;20世纪80年代开始流域营养物负荷提高导致藻类生物量显著升高.③1951年以来气象资料时段的相关分析显示,TP含量、气温与藻类色素含量具有显著相关性(P<0.05),表明TP负荷增加和气候变暖对藻类群落演替和生物量增加起到显著促进作用.

电芬顿法降解含酚类有机废水

以石墨电极为阴极,Ti/IrO2-RuO2电极为阳极,铁碳粒子和纳米Fe3O4为非均相催化剂,采用电芬顿法处理苯酚废水及煤化工废水.以铁碳粒子为催化剂的三维电极电芬顿(3D electrode/electro-Fenton,3D-EF)工艺能在1 h内使苯酚去除率达到100%,5 h内化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率达到80%,明显优于以纳米Fe3O4为催化剂的异相催化电芬顿(heterogeneous catalytic electro-Fenton,HEF)工艺的处理效果.在3D-EF工艺对煤化工实际废水的处理过程中,通过单因素的探讨,得到如下的最优反应条件:pH值为3,粒子粒径为2 mm<d<5 mm,粒子投加量为10 g(33 g/L),初始进水COD值浓度为1 400 mg/L.在此条件下反应5 h,3D-EF工艺对煤化工废水的处理效果最好,COD去除率接近40%,B/C提高至0.44.利用紫外光谱、三维荧光光谱及傅里叶红外光谱对降解前后的溶解性有机物变化进行了分析.结果表明,煤化工废水中单环类芳香族化合物的降解效果很好,废水中COD的去除主要来自对酚类化合物的降解.

环境DNA宏条形码技术在蓝藻群落监测中的应用

全球气候变化下的蓝藻水华大规模暴发成为重要的环境问题,对蓝藻准确、高效和实时的监测是蓝藻水华防控的关键.近年来,环境DNA(environmental DNA,eDNA)宏条形码技术开始应用于蓝藻群落监测,弥补了显微镜镜检法物种鉴定难和受主观经验影响大的缺点.eDNA宏条形码为快速和大规模蓝藻群落监测提供了可能,其应用尚处于初步探索阶段,数据处理方法尚不成熟,因此有必要从引物选择、序列聚类、注释方法和绝对定量4个层面系统综述eDNA宏条形码技术在蓝藻群落监测中的研究进展,以推进eDNA宏条形码在蓝藻群落监测中的应用.引物选择应针对目标蓝藻类群,16S rRNA基因数据库涵盖蓝藻物种范围广,是最常用的eDNA宏条形码,但16S-23S rRNA基因间隔区域(internal transcribed spacer,ITS)和功能基因在属内物种间具有较好的区分效果,为eDNA宏条形码在蓝藻物种水平注释提供可能.序列聚类一般通过设定物种间分类阈值进行OTUs聚类,但可能丢失序列相似度高于分类阈值的不同物种;序列差异低至单核苷酸变异方法的应用进一步区分了隐蔽的物种和生态型,产生的序列具有生物学意义,可以实现跨数据集间的比较分析.在注释方法上,基于数据库参考序列距离相似度的注释方法,注释结果的分辨率和准确度不高;基于系统进化位置的注释方法,提升了注释结果的准确度,反映了物种间的进化关系.加入外源DNA的内标法,以及基于细胞体积和基因拷贝数目关系的细胞体积校正系数法为eDNA宏条形码物种丰度的绝对定量提供了可能.

SPARROW模型在水环境管理中的应用及发展趋势

模型是研究水环境变化、进行水环境管理的重要工具.SPARROW(spatially referenced regressions on watershed attributes)是一个基于质量平衡方法将监测数据与流域特征和污染物来源信息相关联的非线性流域回归模型,具有数据需求量少、结构透明、普适性强等优点.为深刻理解SPARROW模型在水环境管理中的应用现状及未来发展趋势,笔者对SPARROW模型的原理以及其在营养物背景浓度模拟、水质评价、水质目标管理、气候变化对水环境影响等方面应用的国内外研究现状进行了系统梳理.结果表明:①通过选择合适的参考点,SPARROW模型可以有效模拟流域背景营养物通量和浓度,为流域水质标准的制定提供参照依据.②SPARROW模型可将营养物监测获得的数据信息外推至未监测区域,在水质监测数据数量有限的情况下进行水质评价.③SPARROW模型可模拟不同土地使用条件、资源管理等情境下河流营养物负荷,为水质的管理与决策提供支撑.④气候变化情景下,基于SPARROW模型进行气候变化对水环境影响的研究可以支撑水环境管理方案的制定,以应对未来气候变化导致的营养物输出增加.针对SPARROW模型目前在应用中存在的问题进行了分析与讨论,建议未来在应用SPARROW模型时,加强以下几个方面的研究:①进一步开发高锰酸盐指数、化学需氧量(COD)、氨氮等相关模块;②将SPARROW模型与机器学习模型相结合,提高量化模型参数的能力,使模型更好地应用于不同尺度、不同流域的水质相关研究.

我国流域减污降碳协同增效:路径、技术与对策

“十四五”时期,我国生态环境保护进入了减污降碳协同治理的新阶段。流域承载了经济社会发展的巨大负荷,排放和消纳了大量温室气体和污染物,在流域尺度上推进减污降碳协同成为当前备受关注的问题。本文阐述了流域尺度上温室气体和污染物的协同减排机制,将流域划分为人工生态系统和自然生态系统,列举了不同生态系统间减污降碳协同的主要路径和重点技术,并以黄河流域、长江流域为例,分析了在流域尺度上减污降碳协同技术的具体应用情况。在负排放技术、农业面源污染控制技术和水体富营养化修复技术的支撑下,本文提出了细化流域水生态环境保护标准、建立监控预警和风险防控系统,构建污染源和温室气体排放源综合整治体系、健全流域管控机制,加大科技支撑力度、积极开展气候变化国际合作等对策建议,助推我国流域减污降碳协同。

Characteristics of dissolved organic matter(DOM) in leachate with different landfill ages

The main objective of the study was to investigate the characteristics of dissolved organic matter （DOM） in leachate with different landfill ages through the chemical, spectroscopic, and elemental analysis. Humic acid （HA）, fulvic acid （FA）, and hydrophilic （HyI） fractions were isolated and purified by the XAD-8 resin combined with the cation exchange resin method. The analytical results of fluorescence excitation-emission matrix spectroscopy （EEMs） revealed that the fluorescence peaks were protein-like fluorescence for young landfill leachate, while the fluorescence peaks for medium and old landfill leachate were humic-like and fulvic-like fluorescence, respectively. Elemental analysis showed that carbon, hydrogen, and nitrogen content decreased with landfill age, while the oxygen content increased. Moreover, the nitrogen content in these isolated fractions followed： HA 〉 HyI 〉 FA. The results of elemental analysis, FT-IR, and fluorescence EEMs also confirmed that aromatic carbons and portions of aliphatic functional groups were more abundant in leachate samples with increasing landfill age.

青藏高原不同盐度湖泊细菌群落多样性及DOM分布特征

微生物在水生生态系统碳循环中发挥着重要的作用,目前对湖泊微生物组成与有机质之间的空间尺度联系以及对盐度的响应了解仍然有限.青藏高原对全球气候变化最为敏感的区域之一,是我国重要的生态安全屏障.本研究以青藏高原12个不同盐度的湖泊作为研究对象,运用微生物测序技术和光谱分析方法探讨了湖泊细菌群落多样性与溶解有机质(DOM)组成和来源特征,通过三维荧光光谱矩阵-平行因子分析(PARAFAC)共识别出4种不同来源的荧光组分(C1~C4),并通过相关分析、冗余分析以及共现网络分析探究了细菌与DOM组成之间的联系以及对环境因素的响应.结果表明:(1)青藏高原湖泊不同盐度组别间细菌组成存在显著性差异(p<0.05),细菌α多样性(群落丰度)和β多样性受到盐度的显著影响;(2)细菌群落组成与DOM中的类腐殖质C3和类蛋白质C4组分存在显著相关,可能与多种细菌的协同作用有关;(3)DOM组成是影响细菌群落组成的关键因素,DOM光谱参数能够解释细菌群落组成69.56%的变化.本研究表明了水体DOM组成对湖泊细菌群落的显著影响,为青藏高原湖泊微生物与DOM相互作用机制研究提供了新的见解.

电缆细菌对沉积物-水界面磷、铁、硫分布影响的室内模拟研究

电缆细菌的存在会改变沉积物-水界面的氧化还原环境,进而影响沉积物-水系统中磷、铁、硫的迁移转化过程.本研究选取存在电缆细菌的原位南沙河沉积物-水系统为研究对象,在暗处15℃下培养30 d,利用薄膜扩散梯度(DGT)技术获取了活性磷、活性硫和活性铁的2 mm分辨率剖面分布特征,并结合原位荧光杂交技术确定了电缆细菌的密度.结果表明:随着沉积深度的增加,间隙水活性磷、活性铁和活性硫均呈现出先增加后减小再趋于稳定的趋势,均值分别为0.743~1.017 mg·L^(-1)、0.383~0.954 mg·L^(-1)和0.033~0.141 mg·L^(-1),且均有向上覆水释放的趋势.随着培养时间的延长,0~1 cm间隙水中活性磷含量呈先减小后增加的趋势,在第10 d达到最小,均值为0.604 mg·L^(-1),1 cm以下间隙水中活性磷含量呈现逐渐增加的趋势,在第30 d达到最大,均值为1.090 mg·L^(-1).0~10 cm间隙水中活性铁和活性硫含量呈现先增加后减小的趋势,在第10 d达到最大,均值分别为0.954 mg·L^(-1)和0.141 mg·L^(-1).电缆细菌主要生活在0~3 cm沉积物层,其密度随培养时间延长呈先增大后减小的趋势,以第10 d时0~1 cm沉积物层密度最大,为24.716 m·cm;.Pearson相关性分析表明:0~3 cm沉积物中电缆细菌与活性铁呈显著正相关,相关系数为0.674;活性铁与活性硫呈显著正相关,相关系数为0.615,活性磷与活性铁、活性硫和电缆细菌呈负相关.表层0~3 cm沉积物中电缆细菌的生长对Fe S的利用有助于同层活性铁含量增加的同时,也促进了活性硫在间隙水中的溶解.电缆细菌对硫化亚铁和硫化氢的氧化作用在沉积物-水界面形成铁氧保护层改变了体系中氧化还原环境,影响了间隙水中磷、铁、硫的分布.

长潭水库沉积物色素剖面分布及其环境意义

通过对长潭水库沉积物柱芯剖面色素、有机质、总氮和总磷的分析,结合现状水生态监测数据和近50年气候变化数据,揭示了长潭水库营养状态演替及初级生产力变化过程,探讨了人类活动和气候变化对长潭水库初级生产力和藻类演替的驱动作用.结果表明:长潭水库营养状态经历了稳定期、缓慢增长期和快速增长期3个阶段演替过程;沉积物色素剖面浓度也呈现3个阶段上升趋势,藻类由甲藻、硅藻为优势种逐渐演化为蓝藻、绿藻为优势种.外源氮磷输入增加和建库导致的水动力条件变化驱动了长潭水库初级生产力的增加和藻类种群的演替;近50年气候变化加速了水库藻类群落的演替,藻类的优势种演变为对温度敏感的蓝藻拉式拟柱孢藻.本文研究结果可为历史水生态资料缺乏水库的水生态演替识别和生态安全评估提供可借鉴的方法支撑.