《Water Research》：Inorganic Nitrogen in Inflowing Water Governs Dissolved Organic Matter Transformation Regulated by Sediments in Recipient Basin
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水调工程通过改变水化学和微生物群落影响受体盆地DOM组成，长期培养实验表明光照和硝态氮是关键驱动因素，基因组分析揭示narG等基因调控DOM芳香化及分子量变化，为工程水质评估提供新机制。
王大伟|黄娜|侯欣|陈琳|蒋一兰|刘书涵|朱世书
中国江苏省南京市210098，河海大学环境学院，教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室
摘要
频繁的水资源调拨项目显著影响了地表系统的生物地球化学过程和水质，但目前对于接收流域的沉积物如何响应流入的水体以调节溶解有机质（DOM）的动态转化仍知之甚少。本研究系统地进行了长期培养实验，模拟了中国东平湖接收沉积物与不同来源的水体之间的相互作用。结果表明，在75天的培养期间，DOM的芳香性和分子量出现了显著差异和异质化，其中阳光照射和无机氮水平是驱动生物地球化学转化的关键因素。宏基因组分析证实，流入水中的无机氮浓度控制了微生物群落的演替，变形菌门和蓝细菌对氮水平的变化有明显的响应。此外，硝酸盐和氨氮影响了异化硝酸盐还原活性，并对富含羧酸的脂环分子（CRAM）的代谢产生了正反馈作用，从而调控了DOM的芳香化或腐殖化过程。特别是，DOM的组成特征主要由关键功能基因的丰度和活性决定，包括。本研究为水资源调拨项目在决定接收流域中溶解有机碳池方面的作用提供了新的见解，增强了对其水质响应的生物地球化学理解。
引言
溶解有机质（DOM）是最活跃和反应性最强的有机碳库，其分子组成高度异质且多样，对维持生态平衡具有重要的生物地球化学调节作用（Cao等人，2025；Ren等人，2026；Xu等人，2024a）。近年来，由于水资源分布不均和供需不平衡，全球水资源短缺问题日益严重，这促使了跨流域调水项目（IBWDPs）的发展（Yan等人，2023）。这些项目的实施显著改变了水文模式和水动力特性，进而影响了河流和湖泊的组成特征（Xu等人，2024a）。例如，南水北调东线工程通过京杭大运河及其支流优化了水资源分配（OSNPCC，2016），这可能促进了接收流域中DOM的转化，改变了水质和生物群落的演替（Zhang等人，2025b；Zhou等人，2023）。特别是，东线工程向北方输送了有机碳浓度低但芳香性高的水体，导致芳香化合物的选择性降解或损失（Zhou等人，2023）。DOM的浓度或组成与北方接收地区的供水安全密切相关。因此，研究流入水体中DOM的转化过程及其对接收流域的影响对于全面评估东线工程的环境影响至关重要。
东线工程的应用还可以增强水文连通性，从而改变相互连接的湖泊中溶解有机碳（DOC）库的变异性、化学组成和生物可利用性（Zhou等人，2023）。其中一个主要原因是，由调水引起的改变的水文和水动力条件通过影响微生物群落调节了DOM的生物转化过程（Li等人，2020；Wang等人，2022）。先前的研究发现，南水北调中线工程下游的水体中微生物丰度和多样性高于上游，微生物的累积作用与化学转化共同重塑了沿输水路径的DOM复杂性和高芳香性（Zhang等人，2025b）。然而，目前尚不清楚接收流域中沉积物的微生物过程如何控制DOM的组成特征并决定其在东线工程过程中的转化模式。
内陆水体中DOM的化学组成和多样性主要由细菌和古菌群落的组成决定（Li等人，2023b）。在水文系统受到干扰的情况下，这一过程尤为重要。最近的研究表明，大规模的水资源调拨显著促进了水体交换，改变了接收流域的水动力条件，进一步促进了底部沉积物的再悬浮（Lu等人，2024；Wang等人，2023）。这些悬浮颗粒可作为微生物的优良载体，同时也是有机碳库生物地球化学循环的热点，强调了水文调节在调控DOM转化中的关键作用。然而，越来越多的人认识到，DOM的功能多样性和复杂性与其微生物基因组大小有关（Davenport等人，2025）。特别是碳代谢过程，而非微生物群落本身，在调控DOM的分子组成中起主导作用（Wang等人，2021）。接收沉积物中的细菌功能基因及其调控的代谢途径，如三羧酸（TCA）循环、氨基酸代谢和腐殖化过程，可能参与了表层DOM组成的形成（Yu等人，2022）。在这种情况下，需要进一步阐明北方沉积物中细菌代谢与南方流入水体中DOM结构特征之间的机制联系。
本研究系统地使用东线工程沿线相互连接的湖泊的流入水体和接收流域的沉积物进行了培养实验。本研究的目标是：1）探讨接收流域沉积物对流入水体的响应及其在调节输入DOM组成特征中的作用；2）通过以基因组为中心的宏基因组分析，阐明决定微生物群落演替和接收流域中优势细菌类群变化的关键水质因素；3）通过分析相关代谢途径和功能基因，揭示DOM特征变化的机制。这项工作为东线工程流入水体中DOM的生物地球化学转化及其在北方接收流域中的微生物代谢机制提供了新的见解。
研究地点和样品采集
东线工程是中国北方解决水资源短缺问题的重要策略（Hu等人，2022b；Zhou等人，2023）。该工程可以从江苏省江都的长江取水，流经洪泽湖、高邮湖、罗玛湖、南泗湖和东平湖等关键湖泊。因此，它具有较长的输送距离、众多的输水节点和大规模的泵站群。
流入水体中DOM的沉积物驱动的动态转化
如图1a所示，在阳光照射下，使用接收沉积物进行培养的最初4天内，表层总荧光强度（TFI）显著增加。这可能是由于沉积物对流入水体质量的快速响应，以及光化学的协同作用（见图S3）。相比之下，在4至75天的光照培养期间，TFI值的增加较为缓慢。
结论
东线工程作为缓解北方地区水资源短缺的关键项目，是中国国家水网的重要组成部分。我们的培养实验表明，东线工程输送的表层水中氮水平的变化导致接收流域中DOM的特征出现差异，其芳香性和分子量显著增强。光化学反应性（即早期光漂白）进一步加剧了微生物介导的芳香化过程。
作者贡献声明
王大伟：概念构思、撰写——审稿与编辑、资金获取。黄娜：撰写——初稿、审稿与编辑、方法学、可视化。侯欣：数据管理、调查。陈琳：验证、监督。蒋一兰：监督、项目管理。刘书涵：正式分析、软件应用。朱世书：撰写——初稿、审稿与编辑。
作者贡献声明
王大伟：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。黄娜：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法学。侯欣：调查、数据管理。陈琳：验证、监督。蒋一兰：监督、项目管理。刘书涵：软件应用、正式分析。朱世书：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家重点研发计划（2024YFC3214200）和国家自然科学基金（52579062）的财政支持。
