论文标题：Pelagic-benthic coupling of the microbial food web modifies nutrient cycles along a cascade-dammed river (浮游-底栖微生物食物网对梯级开发河流营养循环的潜在影响)

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Nan Yang (杨楠), Linqiong Wang (王琳琼), Li Lin (林莉), Yi Li (李轶), Wenlong Zhang (张文龙), Lihua Niu (牛丽华), Huanjun Zhang (张焕军), Longfei Wang (王龙飞)

发表时间：07 Sep 2021

DOI：10.1007/s11783-021-1484-5

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fese/EN/PDF/10.1007/s11783-021-1484-5

文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 50

原文信息

题目：

Pelagic-benthic coupling of the microbial food web modifies nutrient cycles along a cascade-dammed river

作者：

Nan Yang¹ (杨楠), Linqiong Wang² (王琳琼), Li Lin^3,4 (林莉), Yi Li ()¹ (李轶), Wenlong Zhang¹ (张文龙), Lihua Niu¹ (牛丽华), Huanjun Zhang¹ (张焕军), Longfei Wang¹ (王龙飞)

作者单位：

1. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lake of Ministry of Education, College of Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China

2. College of Oceanography, Hohai University, Nanjing 210098, China

3. Department of Basin Water Environment, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China

4. Hubei Provincial Key Laboratory of Basin Water Resources and Ecological Environment Sciences, Changjiang River Scientific ResearchInstitute, Wuhan 430010, China

关键词：

Reservoir（水库）；

Multi-trophic（多营养级）；

Beta diversity（β多样性）；

Predator-prey（捕食关系）；

Nutrient accumulation（营养积累）

文章亮点

• DNA宏条形码数据表明多营养级微生物受梯级开发影响呈片段化分布。

• 微生物食物网通过上行和下行控制效应对碳、氮、磷循环产生潜在影响。

• 浮游-底栖微生物食物网耦合作用可能促进水库中营养物质的积累。

文章简介

梯级大坝建设影响河流水文条件、生物多样性和营养通量，微生物可以对环境变化做出快速响应，并通过不同营养级之间的相互作用影响营养物质的转化和传递，掌握多营养级微生物结构和功能特征并探究其在生态过程中发挥的作用是生态影响评估和生态保护的前提。本研究以典型梯级开发河流汉江中下游为研究区域，采用DNA宏条形码技术分析浮游和底栖微生物集合体的组成和分布规律，探究不同营养级微生物多样性变化趋势及不同营养级之间的相互关系，进一步解析微生物食物网对梯级开发产生的环境变化的响应机制，揭示浮游-底栖微生物食物网耦合系统在河流营养循环中的潜在作用。

研究发现，原核和真核微生物群落结构、功能类群（浮游植物、浮游动物、底栖藻类、底栖动物、浮游和底栖原生动物、浮游和底栖真菌）丰富度以及微生物α多样性（Shannon指数、Chao1指数和Pielou均匀度指数）均沿梯级开发河流呈现片段化分布，表明梯级大坝蓄水造成微生物群落的不连续性。多营养级β多样性分析表明，汉江中下游不同营养级微生物群落的空间差异性主要由物种替代引起，不同营养级物种之间的同步性证明了浮游和底栖群落之间的相互关系。多营养级物种的空间差异性受到地理因素和环境因素的共同作用，浮游微生物群落主要受地理因素影响（r≥0.42, p<0.01）而底栖群落与环境因素相关性更强（r≥0.21, p<0.05）。研究提出梯级大坝蓄水引起的水文条件和营养状况等环境因素的变化，能够通过上行控制效应和下行控制效应影响微生物食物网结构和营养及之间的相互关系，多营养级物种则进一步通过自养异养过程、捕食作用以及营养释放等方式影响碳、氮、磷的循环过程。路径分析表明，浮游-底栖微生物食物网的耦合作用可能会促进水库中有机碳、氨氮和无机磷的积累，进而影响河流系统的营养通量。因此，本研究提出在梯级开发河流的生态评估中需考虑多营养级物种的相互关系及其生态功能，进而为水生态环境的保护和修复提供依据。

图1 本文摘要图

编者点评

水利工程的生态影响始终是环境科学与工程领域关注的热点之一。本文以多营养级微生物为研究对象，揭示了微生物群落结构和功能对梯级大坝蓄水的响应，结果表明，大坝蓄水通过上行和下行控制效应影响微生物食物网结构，并进一步通过浮游-底栖微生物食物网的耦合作用改变河流营养循环。本研究为梯级开发河流的生态影响评估和生态环境保护提供了新的见解。

摘要

Cascade dams disrupt the river continuum, altering hydrology, biodiversity and nutrient flux. Describing the diversity of multi-trophic microbiota and assessing microbial contributions to the ecosystem processes are prerequisites for the restoration of these aquatic systems. This study investigated the microbial food web structure along a cascade-dammed river, paying special attention to the multi-trophic relationships and the potential role of pelagic-benthic coupling in nutrient cycles. Our results revealed the discontinuity in bacterial and eukaryotic community composition, functional group proportion, as well as α-diversity due to fragmentation by damming. The high microbial dissimilarity along the river, with the total multi-trophic β-diversity was 0.84, was almost completely caused by species replacement. Synchronization among trophic levels suggests potential interactions of the pelagic and the benthic groups, of which the β-diversities were primarily influenced by geographic and environmental factors, respectively. Dam-induced environmental variations, especially hydrological and nutrient variables, potentially influence the microbial food web via both top-down and bottom-up forces. We proposed that the cycles of carbon, nitrogen and phosphorus are influenced by multi-trophic groups through autotrophic and heterotrophic processes, predator–prey relationships, as well as the release of nutrients mainly by microfauna. Our results advance the notion that pelagic-benthic trophic coupling may intensify the accumulation of organic carbon, ammonium and inorganic phosphorus, thereby changing the biogeochemical patterns along river systems. As a consequence, researchers should pay more attention to the multi-trophic studies when assessing the environmental impacts, and to provide the necessary guidance for the ecological conservation and restoration of the dam-regulated systems.

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