近期,云南大学国际河流与生态安全研究院骆霞副研究员团队围绕矿区流域，深入剖析了河流生物膜内重金属的来源，并对其潜在风险进行了全面评估。并深入探讨了不同重金属对流域自然生物膜中抗性基因的影响机制。以及生物膜中不同微生物群落对生物可利用性金属的响应特征。相关研究成果发表在Water Research(Nature Index期刊，中科院一区TOP，IF=11.4)和Journal of Hazardous Materials (中科院一区TOP，IF=12.2) 期刊上，具体如下:

进展一：河流生物膜内重金属的来源及其对生物膜中抗性基因的影响

随着工业化和农业活动的发展，河流环境中的重金属（HM）污染问题日益严重，这些重金属不仅对生态系统构成威胁，还可能通过提高共抗性基因的传递，触发抗生素抗性基因（ARGs）的发生。河流中的生物膜，作为微生物及其分泌物的聚集体，可能成为重金属和抗性基因的热点区域。然而，关于不同来源重金属在生物膜中的富集及其对微生物抗性基因影响的研究尚不充分。因此，本研究通过采集澜沧江一级支流黑惠江流域水体和生物膜样品，并分析水体理化性质和生物膜内9种重金属（As、Cd、Co、Cr、Cu、Ni、Pb、V和Zn）浓度，结合16S rRNA基因和宏基因组高通量测序技术，探究生物膜内重金属富集水平和生态、健康风险与两种抗性基因的内在关系。研究发现：工业活动（As、Cu、V）、自然来源（Co、Cr）、农业活动（Cd、Ni）和交通运输活动（Pb、Zn）是生物膜内重金属的主要污染来源，其中工业活动比其他来源具有更高的非致癌和致癌风险。网络图和相关性分析表明，生物膜中ARG-MRG共存水平较高，生物膜中HMs的生态和健康风险指标与这两种抗性基因的丰度密切相关。此外，生物膜内As富集水平与两种抗性基因丰度和表达显著相关，生物膜内As水平升高对四种功能性MRG均有显著正向影响，并且水体pH通过改变生物膜基质内HMs的离子形式间接影响这些功能类型。我们的研究结果强调了将生物膜纳入环境管理实践和评估环境质量标准的重要性。研究结果以“Source-oriented risks of heavy metals and their effects on resistance genes in natural biofilms”为题发表在Journal of Hazardous Materials （IF=12.2）上。云南大学国际河流与生态安全研究院硕士研究生徐涵森为论文第一作者，骆霞副研究员为通讯作者。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S03043894 24033168

图1 (a)生物膜中重金属与MRGs和ARGs的网络分析；(b)微生物与MRGs和ARGs的网络分析图；(c)对重金属的可降解物质和可降解物质以及生态健康风险进行曼特尔分析

进展二：生物膜介导的矿区污染河流中重金属的生物积累和营养转移

重金属可以从自然来源和人为来源进入河流环境，其中，与铅（Pb）-锌（Zn）矿相关的冶炼活动是环境中金属污染的主要贡献因素。这些有毒金属可以通过消耗进入食物链，并在生物体中进行生物放大，对湖泊和溪流中的水生生物构成直接威胁。生物膜是嵌入在自我产生的胞外聚合物物质（EPS）基质中的微生物组合，其具有高度结构复杂性的特征，可以吸附重金属，并修改其生物利用度。然而，很少有研究量化了生物膜在金属转移到更高营养水平中的贡献。大部分研究只关注少数金属从周围的生物膜向主要消费者或捕食者的营养转移，这限制了通过受污染生物膜的食物网对生物放大过程的评估。我们研究利用碳氮稳定同位素比值，研究生物膜在采矿污染河流系统中金属生物积累和营养转移中的作用，为评估金属开采污染河流中水、镉、铬、铜、铅、镍、锌和水生生物的积累，评估食物网中这些金属的营养转移动态，研究生物膜对食物网中金属和营养转移的贡献。结果表明，生物膜是主要的基础碳源，尤其是在春季，而在夏季，消费者利用更多样的食物来源。这可能是因为在食物来源匮乏的春季，食用生物膜可以提高捕食者的摄食效率。由于金属在生物膜和底栖生物及其化学形式中的浓度较高，因此金属倾向于沿着食物链进行生物稀释。虽然食物对鱼类重金属积累没有显著影响，但以生物膜为主要碳源的鱼类含量显著高于依赖C4植物的As（p= 0.048）和Pb（p=0.007）水平，表明膳食途径对金属在水生生物体中生物积累的重要性。该研究突出了生物膜在水生食物网的营养传递和金属动力学中的关键作用。对生物膜基质中重金属的进一步生物利用度和毒理学测试，对于更好地理解生物膜相关金属对水生生物和整体生态健康的风险至关重要。研究结果以“Biofilm-mediated Heavy Metal Bioaccumulation and Trophic Transfer in a Mining-contaminated River”为题发表在Water Research（IF=11.4）上。云南大学国际河流与生态安全研究院硕士研究生闻晨为论文第一作者，骆霞副研究员为通讯作者。研究院陈礼强研究员以及西班牙加泰罗尼亚技术中心Nuno Caiola研究员合作完成。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424013861

图2 春季和夏季碧江流域δ13C和δ15N及潜在食物来源

进展三：流域自然生物膜内细菌和真菌群落对生物可利用性金属的生态反馈

生物膜作为细菌和真菌在河流中存在的主要形式，在初级生产和污染监测中发挥着关键作用，探索重金属污染胁迫下生物膜的微生物群落组装将有助于更好地了解其对极端环境的生态响应机制。目前关于重金属与微生物之间相互作用的研究主要集中在总金属含量的变化上，而金属生物有效组分可能才是驱动微生物群落在重金属胁迫下结构和生态反应发生变化的关键因素。以铅锌矿区流域内的附着生物膜为研究对象，深入探讨了大规模矿区影响下生物膜中细菌和真菌群落结构和多样性的关键驱动因素，并揭示了不同重金属污染条件下细菌和真菌群落的生态响应。结果表明：生物膜中的多样性、优势细菌类群和细菌结构受生物可利用重金属组分的影响，其中Ni-F3（17.96%）和Pb-F4（16.27%）是影响细菌群落结构的主要因素。真菌群落结构和α多样性更易受理化参数（pH和营养元素）的影响。偏最小二乘路径模型显示，影响生物膜中细菌和真菌群落的环境因素：水质>金属形态>总金属含量。扩散限制是细菌（56.9%）和真菌（73.4%）组装中最关键的生态过程。细菌异质性选择的比例（39.5%）高于真菌（26.2%），随着重金属污染程度的增加而增加。细菌群落具有较高的迁移率（0.48）和生态漂移比例（3.6 %），使其更容易逃避环境压力。与细菌群落相比，真菌群落具有更多的关键物种、更大的生态位宽度（23.24±13.04 vs.9.72±5.48）、更高的组织水平和更稳定的共现网络，这使它们能够更好地适应高环境污染水平。研究结果以“Response of bacterial and fungal communities in natural biofilms to bioavailable heavy metals in a mining-affected river”为题发表在Water Research（IF=11.4）上。云南大学国际河流与生态安全研究院硕士研究生李春艳为论文第一作者，骆霞副研究员为通讯作者。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135424013691

图3 铅锌矿区流域细菌和真菌群落的驱动因素(a)偏最小二乘路径建模。实红色线条，积极效果；灰色虚线表示负面影响。线粗与路径系数成正比。(b)水质、总金属和金属组分对细菌和真菌群落的影响。

以上研究均得到国家自然科学基金、云南省基础研究计划——优秀青年项目及云南省“千人计划”后续项目经费的资助。

来源：国际河流与生态安全研究院

编辑：张懿淼 责任编辑：李哲