黄土高原水体浮游微生物及沉积微生物研究进展

何浩然，潘保柱*，余 珂，赵耿楠，孙智薇

(1.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，中国陕西西安710048;2.北京大学深圳研究生院环境与能源学院，中国广东深圳518055)

黄土高原是我国四大高原之一，是世界上面积最大的黄土分布区，同时也是世界上水土流失问题突出的地区之一，其水生态脆弱。黄土高原上的河流以黄河流域河流为主，黄河位于我国中西部，是我国第二大河，其因高含沙、高悬浮颗粒物浓度而出名[1]。湖泊主要由咸水湖和淡水湖组成，其中以盐湖居多;水库以多个大中型水库为主，兼具发电、灌溉、供水等多种功能。黄土高原上流淌着的河流、湖泊及水库孕育着丰富多样的细菌、古菌等微生物，这些微生物的群落结构与功能特征、随时空变化的动态变迁以及与环境之间的关联对指示生态现状及解决环境问题有重要作用。研究黄土高原不同水体浮游及沉积微生物的生态指示作用，可为区域水生态现状评估、水生态演变预测及水环境保护与管理提供基础依据。

1 黄土高原范围内水体研究概况

早在19世纪，Pumpelly[2]在我国考察之后认为黄土是由黄河沉积而成，即黄土是水成的，开启了近代以来人们对黄土高原的认识。之后，奥勃鲁契夫[3]对我国黄土高原地区进行了考察，提出黄土风成的观点。20世纪初，专家学者们又以不同目的对黄土高原进行了系统的考察研究[4～8]。经多方考察，人们虽然对黄土高原有了比较全面的认识，但对黄土高原的界限划分说法不一。之所以称其为黄土高原，首先是因为该地区与其他高原和周边区域有明显差异，相对独立，自成一体，是一个独特的“狭义”自然地理单元。如1934年，Cressey[9]认为银川、呼和浩特、张家口等地区与其旁边的高原地区巴音浩特、蒙古高原、坝上高原等有明显的差异，具有特殊的地理景观，应将其划入黄土高原。其次，地质地貌学家们从地质特征[10～12]、地貌构造[13～15]的角度对黄土高原的范围进行了一系列的探讨和划分，这对黄土高原的划分也是“狭义的”。“黄土高原”本身作为一个地质地貌概念，划分其范围时需首要关注黄土分布的连续性、黄土层厚度(一般≥50 m)、地层发育完整程度以及是否具备黄土堆积、剥蚀、物理等典型地质地貌特征。此外，黄土高原作为一个区域单位，在划分时需要兼顾区域生态系统的完整性与综合性，如生态工程[16]、水土流失[17]、水量[18～19]、土壤植被等[20～21]，从而全面了解“广义”上的黄土高原。但是，黄土高原区域内自然因素复杂多变，不同地方侵蚀状况有所不同，黄土层堆积厚度差异大。而且，因不同环境条件的影响，黄土地层发育的完整程度不一。综上所述，本文以黄土的分布连续性、广泛性以及黄土高原的典型地质地貌特征为主，从水系完整性角度出发[22]，选择国家发展改革委等部门印发的《黄土高原地区综合治理规划大纲(2010-2030年)》中对黄土高原的划分范围[23]。这时黄土高原即为“广义”黄土高原地区，涉及日月山以东，太行山以西，阴山以南，秦岭以北。该区域位于 33°41′～41°16′N，100°54′～114°33′E，包括陕、甘、宁、青、晋、蒙、豫7个省和341个县市，分布有多个重要且具有鲜明特征的河流湖库。目前，学者们已经对部分河流湖库的水文、环境与生态展开了研究[24～35]，相关结果如表1所示。其中，针对河流的研究开展较广泛，且已经通过鱼类、底栖动物和浮游植物等生物指标对生态系统健康状况进行了评估;针对湖库的研究主要立足于湖泊或水库本身的特点如富营养化、干旱、水利工程应用等与生态、环境的关系，将生物指标与水生态结合的研究较少。可见，一些生物指标虽然已经被应用于黄土高原的水生态研究，但作为水生态系统生产者、消费者以及分解者，更是多种水生态过程参与者的微生物，尚没有很好地被纳入黄土高原水生态研究中，因此有必要开展黄土高原水体的微生物生态指示作用的研究。

2 浮游微生物及沉积微生物的生态指示作用

随着我国经济水平的提高、工农业的发展以及人口数量的增加，人们对于水资源的需求也日益提高，如何正确高效地监测与评价水生态现状成为我们必须面对的问题。当前水生态系统健康评价的主要方法有指标体系评价法和指示物种评价法[36～38]。指标体系评价法选取水文、水质、地貌等多个指标，但所选取指标种类多样，参考标准不一，使得评价结果不统一。指示物种法高效、连续，利用不同生物的敏感反应直接指示特定生态现状，在实际应用中运用较为广泛[39]。用于生态指示的指示物种一般主要有浮游藻类、底栖动物、鱼类等。水体微生物作为自然界重要的组成部分，主要由悬浮于水体中生活的浮游微生物和沉积物中栖息的沉积微生物两大部分组成。它们也是水生态过程的驱动者，数量大、种类丰富、遗传信息多样、分布广泛，能对环境变化作出敏感反应，从而预测环境变化、指示生态现状。目前微生物的生态指示作用主要有3方面。1)群落结构特征指示作用:通过检测分析微生物致病种、优势种及整个菌群结构随环境变化的动态排列组合来反映水环境现状与水生态系统健康状况;2)功能指示作用:通过分析微生物自身生理功能合成的指示性活性组分以及在生物地球化学循环过程中的代谢方式、功能基因来指示物质循环、转化过程中的不同生态控制因子;3)生物完整性指数(index of biological integrity，IBI)指示作用:结合多种微生物参数，如结构参数、生境质量、物种耐受度等，构建生物完整性指数，对生态现状作出综合指示。

2.1 微生物群落结构特征指示作用

利用群落结构参数来指示水环境状况的方法最早由美国生态学家Cairns等[40]提出。微生物群落结构包含微生物群落物种组成、生物量及多样性，物种组成往往能直观反映微生物群落的生活环境。对于致病微生物来说，因含量少、不易检测，常常通过指示微生物来侧面反映其污染。如:大肠菌群能够指示水体中肠道致病菌沙门氏菌(Salmonella)的污染[41]; 箘类大肠菌群和噬 体能指示河流水体受粪便污染的程度[42～43]。2012年，王风芹等[44]研究了贾鲁河底泥微生物群落结构，结果显示致病性优势菌属弓形杆菌属的存在指示了贾鲁河水体病原污染现状。对于耐污种来说，食酸菌属多存在于重金属含量较高的环境[45]，指示环境中重金属污染;束缚杆菌属主要存在于有机质丰富的污染河流中[46]，指示河流中有机质污染。2008年，郑小红等[47]研究玄武湖水华暴发期和衰退期细菌群落变化情况时，在水华暴发期检测到了16种细菌，主要为具备降解藻类特性的厚壁菌门(Firmicutes);而衰退期检测到了6种细菌，主要为具备吸收溶解性有机物特性的γ变形菌(γ-Proteobacteria)。暴发期的优势菌种类明显多于衰退期，而不同特性优势菌种类指示了水华暴发期与衰退期藻类状态与有机物浓度的变化。

表1 黄土高原水体主要研究进展Table 1 Main research progress of water bodies at the Loess Plateau in recent years

一定空间内微生物的生物量与多样性的变化能直观地反映环境变化。土壤、湖泊等环境中的微生物生物量能很好地指示环境现状以及变化趋势[48～49]。2006 年，冯峰等[50]以武汉市东湖沉积微生物为研究对象，以测定的磷脂含量表征沉积微生物生物量，讨论了微生物量垂向分布与碳、氮、磷的相关性。结果显示，所选取的不同采样点沉积物中微生物量的垂向分布与总有机碳(total organic carbon，TOC)存在显著相关关系(P＜0.01)。同年，周伟华等[51]在研究三亚湾浮游细菌的生物量分布特征时发现，三亚湾细菌的生物量从河口到外海逐渐减小的原因是陆源有机污染物质在河流中的输送和外海扩散。2010年，冯胜等[52]对太湖水华过程中浮游细菌的生物量与群落多样性的动态变化的研究表明，太湖水华发生的过程中，由于浮游植物数量的增加，营养物质供应充足，所以细菌数量增加。细菌多样性先减少后增加指示了细菌分解作用产生的有毒物质抑制了部分藻类的生长，使藻类产生了优势种，多样性降低的藻类提供的营养物质趋于单一化，细菌多样性也相应降低;在水华的衰退期，藻类逐渐消散衰败，为细菌提供了充足的营养物质，细菌多样性升高。对于跨度较长的河流，其不同河段微生物生境差异明显，微生物群落结构会产生不同排布。2012年，孙海美等[53]对布吉河上游和下游不同采样点细菌进行了聚类分析，发现上游和下游微生物群落组成的聚类现象明显不同，这主要由于从上游到下游污染物质增多，导致化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)含量增高，从而对微生物有一定的选择作用。污染物质沉积、水生植物的群落结构组成等也会影响微生物群落。2015年，沈烁等[54]通过对塘西河表层沉积物微生物群落结构及其多样性的研究发现，塘西河沉积物细菌群落结构特征在不同河段作出的响应反映了塘西河的生态现状与城镇化程度:塘西河表层沉积物微生物群落丰度表现为中游＞下游＞上游，多样性表现为上游＞下游＞中游;同时，在塘西河水厂的排水口附近，由于水生植物的结构单一，微生物多样性相对较低。2016年，王佳等[55]研究浑河底泥微生物群落结构时认为，在沈阳市地区的浑河河段中微生物群落结构较复杂，特别是下游地区。这指示沈阳市区内的工业废水和生活污水的排放对浑河水质产生的污染已累积至沉积物中，使该河段沉积微生物群落结构发生变化。陈兆进等[56]于2017年对丹江口水库浮游细菌群落结构与环境因子的相关性进行分析时指出，水温、pH、氨氮、透明度为浮游细菌的主要环境影响因子。同年，宋昂等[57]对特殊岩溶化水库——五里峡水库中浮游好氧不产氧光合细菌(aerobic anoxygenic phototrophic bacteria，AAPB)分布与环境因子的相关性进行分析时表明，浮游AAPB相对丰度的变化能很好地指示有机碳的变化情况，并且揭示了AAPB在CO2-水-碳酸盐岩特殊体系中的代谢作用。另外，沉积微生物的响应规律不仅反映了沉积环境的变化，也反映了水体与沉积物垂直交互的状态。如沉积物中革兰氏阴性菌/革兰氏阳性菌(G-/G+)指标能很好地表征河流水体中营养要素差异导致的微生物群落结构变化[58]。

2.2 微生物功能指示作用

2.2.1 微生物的生理功能指示

微生物的生理功能指示作用是指微生物通过生理过程合成具有指示作用的活性物质，包括具有催化功能的酶、能量物质三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)、胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)及类脂物，它们不仅能指示环境现状，还能指示古环境演变。其中，酶作为催化剂，积极参与着多种生化反应过程。如水解酶中的碱性磷酸酶和脲酶由于具有专一性，与水环境中氮磷元素的含量息息相关，研究表明碱性磷酸酶活性能够指示磷酸盐转化速率[59～61]。氧化还原酶通常指示了氧化还原程度和有机质状况，富营养化湖泊沉积物的有机质含量高，氧化还原酶活性强;另外，氧化还原酶的活性还可以指示有机质转化为腐殖质的能力，腐殖质影响藻类细胞的生长，因此，氧化还原酶活性可以反映藻类的生长状态[62]。ATP是生物能量的中转站，微生物在利用营养物质进行生命活动时，随着营养物质的转化，释放出ATP，通过检测ATP的含量能够指示营养物质的转化水平。Yang等[63]研究发现，河滨土壤微生物的ATP含量越高，污染物质丁草胺的降解速率越快。刘杰等[64]的研究表明，ATP活性微生物量反映了松花江流域水环境的营养程度，松花江流域沉积微生物的ATP与有机质、总磷及总氮含量呈正相关，与硝氮含量呈负相关。因此，可以通过沉积物ATP微生物量不同的响应情况来反映氮形态的变化。

生态系统中的气候与环境随时都与生物发生着相互作用，尤其是适应能力很强的微生物。微生物的进化演变、繁衍生息及与古气候、古环境的相关关系有助于了解生命起源与进化、古气候与古环境演变。微生物和其分泌的EPS相互聚集形成的微生物膜，在粘结沉积物之后会形成微生物席成因沉积构造(microbially induced sedimentary structures，MISS)。当前，湖泊、湿地、冰海中均有微生物席的存在[65～66]。MISS由微生物膜与沉积物粘结产生，因此其与不同时期沉积物的构造特点可能存在一定联系。2011年，汤冬杰等[67]的研究提及MISS与水动力、微生物席结构等有关，MISS作为一种原生状态的化石，可以指示古地形的变化。“三域学说”将生物界分为真核生物、细菌、古菌三个域[68]，其中细菌和古菌合成的类脂物分布广泛，且基本碳骨架稳定，是反映古环境和古气候的稳定依据[69]。不同微生物产生不同的类脂物，在某个时期的某种优势类脂物的较高占比，指示了该时期同一条件下的优势类群。此外，利用微生物合成的脂类还可以指示古环境状况及生物对古环境的适应情况。二醚化合物可以由嗜盐古菌合成，二醚化合物碳链的饱和程度能够指示湖泊的盐度大小[70]。2010年，Finkelstein等[71]通过研究发现干旱环境中的微生物席存在更多的蜡酯，并且与干旱程度有一定的关系，这可能指示了早期陆生微生物对环境的适应机理。

2.2.2 微生物的生物地球化学循环功能指示

生物地球化学循环是指生物圈中的各种化学元素通过生物化学作用在生物圈中的转化和运动过程，是微生物行使其功能的又一重要体现。微生物参与的碳循环、氮循环等过程在生物地球化学循环中占有重要地位。与碳循环过程有关的产甲烷菌在海底沉积物、湖泊底泥等厌氧环境中都有分布。Strapo等[72]研究发现在海峡里产甲烷菌主要利用氢气产能代谢。而在不同生境海域的沉积物中，相关研究证实产甲烷菌通过利用甲酸完成代谢[73]。产甲烷菌代谢方式的变化很好地指示了产甲烷微生物所处生境的变化。近些年来，由于硝化、反硝化过程产生的N2O是一种很重要的温室气体，因此氮循环过程倍受重视。在氮循环过程中，起重要作用的厌氧氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea，AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)相比，更能适应低溶解氧的条件，属于淡水、海洋厌氧环境中N2O的主要贡献者[74～77]。合理调整溶解氧的水平在一定程度上可以为合理利用AOA及控制N2O产生量提供帮助，进而为气候变化的预测提供基础数据。2015年，Yan等[78]研究了三峡大坝对微生物功能的影响，发现沿河流方向的不同河段，参与氮循环的微生物功能基因有一定差异。这提示微生物行使氮转化功能机制的不同与河流不同河段水生态状况的差异有一定联系。

2.3 微生物生物完整性指数指示作用

在气候、水文及环境因素等非生物指标指示生态状况逐渐显露出不全面的短板后，生物指标的配合全面地指示了生态状况。广受关注的由多参数构成的生物完整性指数评价法，综合了结构参数、功能参数及生境参数等多项指标，将参数值与参考标准值比较，以指示水生态系统的健康程度。1981年，Karr[79]第一次使用生物完整性指数对生态系统状况进行了评价，之后研究者们通过鱼类完整性指数(fish index of biotic integrity，F-IBI)、着生藻类完整性指数(phytoplankton index of biotic integrity，P-IBI)、底栖无脊椎动物完整性指数(benthic index of biotic integrity，B-IBI)3种主要指数来评价水生态系统健康。而完整的生态系统还应包括微生物，在环境恶化、生态退化的情况下，微生物展现出更强大的适应与响应能力，将微生物纳入生物完整性指数的构建有其独特的优势。对比其他生物完整性指数的构建过程，物种丰富度、群落组成、生物敏感性、生境质量等作为微生物的生物参数已被用来指示生态环境状况[80～82]。2013年，黄艺等[83]已经很好地建立浮游细菌生物完整性指数(bacterioplankton index of biotic integrity，BP-IBI)评价体系，并利用该体系对滇池流域入湖河流进行了生态系统健康评价，结果表明BP-IBI对土地利用方式、水源类型以及污染来源与河道类型都有很好的指示作用，填补了微生物在生物完整性指数构建过程中的空缺。总的来讲，基于微生物建立的生物完整性指数指示水生态现状已成为必然趋势。

3 黄土高原水体浮游及沉积微生物研究

黄土高原地区分布着我国西北地区多个河流湖库，地区水体水少、水浑、水污染等问题明显，水生态健康状况直接影响黄河流域生态安全和区域经济发展[16]。悬浮水体最先受水体环境扰动的影响，因而悬浮于水体中生活的浮游微生物对水环境状况的变化反应直接、敏感。沉积物是众多污染物质的汇集地，生境复杂，沉积微生物群落种类丰富，是水环境变化长期稳定的“检测仪”。黄土高原不同河流湖库的气象、水文及地理要素等方面的差异，以及丰富多样的河流湖库水体及沉积环境，使浮游及沉积微生物的群落呈现出千差万别的特征。研究黄土高原河流湖库浮游及沉积微生物，对全面了解黄土高原地区特殊的水生态现状、气候演变规律及微生物资源的开发利用情况有重要意义。

3.1 黄土高原河流浮游微生物研究

发达的农业生产与家畜粪便、生活、医疗、工业等污废水的乱排乱放，使得黄土高原上的河流水体可能已经受到不同程度的病原微生物污染。病原微生物的及时检测与应急指示对黄土高原地区的居民生命健康及农业、畜牧业发展具有直接作用。黄土高原上的河流流经西北、华北多个地区，不同河段污染结构复杂，微生物生境迥异，再加上多条河流为季节性河流，且微生物资源的发掘也有待深入，因此，有必要开展黄土高原地区河流微生物的研究，以及时掌握该地区水生态现状。王超等[84]采用荧光定量PCR的方法测定了子牙河主要河段氨氧化微生物AOA和AOB的丰度。结果表明，不同河段水体与沉积物中的氨氧化微生物丰度差异指示了不同河段溶解氧水平、生活污水污染程度、流速大小、制药废水污染程度及重金属的污染程度;部分由于大量制革废水导致的重金属污染河段的AOA和AOB丰度没有明显降低，这指示了AOA和AOB对重金属的耐受性。刘睿等[85]采用末端限制性片段长度多态性(terminal-restriction fragment length polymorphism，T-RFLP)技术对渭河干流以及黑河、泾河两大支流的浮游微生物多样性及物种丰度进行了研究。结果显示，渭河干流细菌的Shannon多样性指数在2.05～2.91，并且由夏季平水期到冬季枯水期微其生物多样性并未显著降低，推断渭河水体随着温度降低有较强的微生物活性并且有较好的自我恢复能力。进一步在属水平上对渭河水体的细菌群落物种组成和相对丰度进行分析后发现，渭河干流及其支流黑河水体中未能确定的物种丰度比例均占50%以上，提示渭河流域存在丰富的有待开发的微生物资源。此外，黄土高原上的黄河干流及部分支流周边由于水土流失导致氮磷流失[86～87]，而地区具有山地草原、农田、人工乔木林、河谷荒地以及城市化用地等多样的土地利用方式，在这种情况下，有必要开展基于浮游微生物构建的生物完整性指数研究，以期指示不同环境因素和不同土地利用方式对黄土高原上河流生态系统的影响及IBI指数在退化生态系统恢复中的作用。目前，针对黄土高原河流浮游微生物生态指示作用的研究主要集中于对典型河流的微生物群落结构特征的指示作用，而针对微生物功能指示作用和IBI指数指示作用的研究有待深入。

3.2 黄土高原湖库浮游微生物研究

黄土高原上的湖泊以盐湖居多，伴有淡水湖分布，典型的有黄河流域最大的湖泊——乌梁素海和中国最大的沙漠淡水湖——红碱淖等，水库数目众多，功能各异。这些湖库中的浮游微生物广泛参与着湖库水体活性元素的生物转换和化学循环过程。目前，人们针对黄土高原湖库的研究主要集中在乌梁素海。近年来，超负荷氮磷元素的输入，已经使乌梁素海富营养化问题广受关注。而在这种生态状况特殊的湖泊中，适宜生存的优势微生物有其特殊的适应机制与响应模式。2010年，赵春霞等[88]通过传统分离培养的手段以及16S rRNA测序分析发现，分离出的41个菌株中有17株属于γ变形菌，克隆比例高，这反映乌梁素海不同的极端营养水平造就了γ变形菌不同的克隆形态。2010年，金一荻等[89]的研究指出乌梁素海可培养微生物的优势类群为变形菌门，该菌可能积极地参与着乌梁素海的物质循环，同时该研究还获得了可能具有抗辐射能力的恐球-栖热菌类群(Deinococcus-Thermus)的菌株。另外，特殊的高占比微生物AAPB对水体营养程度的变化反应敏感，但是与水体营养水平的相关关系说法不一，近年来是学者们研究的重点。乌梁素海含有较高水平的有机质和营养物质，在这种条件下AAPB丰度及多样性的变化情况对乌梁素海生态状况具有指示意义。何一平等[90]通过构建pufM基因克隆文库研究了乌梁素海水体中AAPB的多样性，发现在乌梁素海的低盐环境中AAPB多样性较高，这可能指示了乌梁素海这个富营养化湖泊生态系统的稳定维持机制。同时，不同碳源对AAPB丰度及多样性的影响研究也为AAPB在不同碳源供应条件下的适应机制及在碳循环过程中的作用提供了依据[91]。此外，张胜男等[92]通过构建16S rRNA基因克隆文库研究了乌梁素海浮游细菌群落结构，结果显示δ变形菌(δ-Proteobacteria)的丰度随着营养盐水平的升高逐渐减小，提示该类菌的丰度变化可指示富营养化程度。目前，针对黄土高原湖库浮游微生物的研究主要集中在富营养化湖泊乌梁素海浮游微生物优势菌群与湖泊本身明显的富营养化特征之间的关系，且仅停留在群落结构的指示作用，尚未进行到功能指示作用和IBI指数指示法。同时，对沙化淡水湖红碱淖及其一些代表性水库的浮游微生物的研究还较少。理论上，在这种相对封闭的特殊环境下，这些湖库可能存在特殊的微生物资源，而且微生物也可能有特殊的生存方式及适应机制。

3.3 黄土高原河流沉积微生物研究

黄土高原上的河流沉积环境易受沿岸农业生产活动、植被、土地利用类型、水文、泥沙等多重因素的影响，部分河流干流及支流的生态状况季节性差异大。河流沉积物不断进行的动态吸附与沉降，使得其中的营养丰富，微生物活动活跃。因此，有必要通过研究建立一些沉积微生物参数与黄土高原河流营养水平之间的关系，以便及时掌握河流沉积环境的营养状况，如:微生物合成的水解酶活性、AAPB的群落结构多样性等都可以指示水体营养水平。城市化的加剧、工农业的发展，使得黄土高原河流不同河段的污染来源与污染结构不一，不同区域的沉积环境一定程度上代表了该区域的污染现状，沉积微生物经过长时间稳定的响应展现出的结构差异显示了该河段水环境状况长时间的累积效应，这时基于分子生物学技术测定河流沉积物中群落结构组成，有利于发现不同时空条件下的优势物种以及菌群整体的变化规律，进而指示环境状况的时空演变规律。沉积微生物的结构特征与环境因子息息相关，黄土高原上的河流水文现象独特、泥沙特点显著，季节性特征明显，不同时期驱动沉积物微生物群落结构的关键影响因子不同，比如:上覆水在丰水期较枯水期与沉积物有更剧烈的交换作用，提示水质理化因子可能成为沉积微生物群落动态变化的主要环境推动力[93]。2018年，Pei等[94]通过高通量测序技术和实时荧光定量PCR技术分析了重金属污染条件下黄河甘肃段工业区河岸土壤微生物的结构组成与功能基因表达情况。结果表明，重金属污染组中厚壁菌门和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度高于未受污染组，这与Miao等[95]2015年的研究结果一致;另外，在铬污染的样本中，铬还原相关功能基因chrA与yieF的表达水平高出数倍。以上信息提示细菌群落的相对丰度与功能基因的表达水平均指示了重金属污染状况。黄土高原不同河段沉积物的微生物结构参数和黄土高原河流生态系统之间能够建立起多种关系，且不同的参数匹配不同河段水生态状况。但目前来看，针对黄土高原河流沉积微生物功能及IBI指数指示作用的研究还较为匮乏，积极探索沉积微生物功能特征及各种生物参数的指示作用对黄土高原河流生态健康的准确评估具有重要意义。

3.4 黄土高原湖库沉积微生物研究

黄土高原上的湖库总体上受周边发达的能源化工、农业生产等因素影响，可能已经出现了污染、营养水平超负荷等环境问题。在本来就相对静止的湖库生态系统中，沉积物作为多种物质稳定的源与汇，其作用更加重要。微生物作为湖库沉积环境中污染物质与营养物质沉积的长期响应者，对指示沉积环境状况具有长期性、稳定性。目前，大多研究往往只集中在黄土高原地区的土壤微生物结构与功能指示作用，如相关报道显示:黄土高原土壤微生物多样性与黄土高原碳储量有很好的相关性[96];黄土高原土壤微生物功能多样性能够较好地响应黄土丘陵沟壑区地形的变化及其对生态过程的影响[97]。在此之前，刘国彬等[98]进行了坡地不同利用方式下土壤微生物酶活性和微生物生物量特征研究;贾国梅等[99]进行了黄土高原弃耕地自然恢复过程中微生物活性的动态研究。此外，相关研究还通过分析土壤微生物生物量氮磷比，很好地指示了黄土高原土壤生态系统的养分限制[100～101]。在土壤微生物相关研究的基础上，利用湖库沉积微生物的群落结构与功能指示黄土高原生态现状也势在必行。毛海芳等[102]对比了乌梁素海和岱海两个富营养化湖泊中微生物量与有机碳的相关性，通过细胞磷脂含量的测定来反映微生物量，结果表明，岱海沉积物微生物磷脂含量是乌梁素海的1.27倍，活性有机碳含量是乌梁素海的1.72倍，这提示活性有机碳含量与沉积物中的微生物量存在一定联系。

微生物的生态指示作用不仅仅局限于对生态、环境现状的指示，还能够指示古环境、古气候。黄土高原是世界上面积最大、黄土分布最集中的地区，黄土连续而持久的沉积使得黄土高原湖库的沉积黄土成为了记录古气候的天然载体。比如:微生物产生的正构烷烃常为低碳数正构烷烃，由于抵抗气候变化能力强，可以指示一定时期的古气候状况。又如:微生物四醚膜脂化合物——甘油二烷基甘油四醚(branched glycerol dialkyl glycerol tetraether lipids，GDGTs)，作为一种生物标志化合物，由于其性质稳定，可以用来指示古气候的变化。目前，针对微生物合成的正构烷烃和GDGTs指示古环境的研究还只停留在土壤环境中。2011年，Peterse等[103]首次运用甲基化指数/环化指数(methylation of branched tetraethers/cyclisation of branched tetraethers，MBT/CBT)对黄土高原黄土-古土壤剖面进行了古气候重建，很好地反映了黄土高原地区的气候变化;2017年，Shen等[104]对秦安地区堆积土层正构烷烃的古环境指示意义进行了研究。可以看出，关于黄土高原地区水相沉积微生物古环境指示作用的研究还很少。而张晓军等[105]通过对乌梁素海小口湖区沉积微生物的研究得出，部分与已培养细菌同源性低且在属水平上不能进行分类的细菌指示了乌梁素海未知菌种的发掘潜力;此外，康鹏亮等[106]对金盆水库反硝化菌种群结构进行研究时所筛选出的优势混合菌种对未来我国城市湖库微生物修复具有指示性意义。

在沉积物这个巨大的生物宝库里，微生物数量庞大、种类丰富。对黄土高原不同水体沉积微生物的研究在指示生态现状、筛选优势菌种、提供未知菌源、丰富微生物资源库及发掘功能微生物方面扮演重要角色[107]。黄土高原的沉积微生物具有较大的开发利用空间。今后，需要全面深入地进行黄土高原河流、湖库沉积微生物生态指示作用的研究，为全面开发黄土高原地区不同环境中微生物资源，预测黄土高原地区水生态变化趋势，掌握黄土高原地区气候演变过程打下坚实基础。

4 以陕西省黄土高原水体为研究对象的展望

由黄土高原地区浮游及沉积微生物两大生态类群的相关研究总结可以看出，基于浮游微生物和沉积微生物对黄土高原河流湖库开展的水生态指示研究总体上较少，已有的研究多集中于渭河、乌梁素海、金鹏水库等典型河流湖库及土壤环境，在悬浮水体和沉积底泥环境中的研究较少。此外，虽然两大生态类群的群落结构指标指示作用研究相对较多，但大多数研究仅停留在单一结构指标阶段，多为基础研究，以功能指标与基于多参数构建的IBI指数为切入点对水生态健康状态进行评价的研究匮乏，相比于国内外利用生物参数综合指标法评价水生态的研究较为滞后。

以陕西省的河流湖库为研究对象开展微生物研究是由于陕西省作为西北地区的政治、经济、文化中心，属于典型黄土高原地区，省内两大水系——渭河、汉江及二者支流的水环境状况对陕西省乃至整个西北地区的水资源利用和经济发展具有重要意义。此外，陕西省境内的湖泊红碱淖是我国最大的沙漠淡水湖，也是陕西省最大的湖泊，但是由于人为因素干扰程度的增加，红碱淖的水生态现状值得关注。黑河水库、石头河水库、石砭峪水库等作为陕西省主要水源水库，供应着西安市在内的大部分地区的饮水。近些年来，由于水库环境的特殊状态，以及周边工、农业发展的干扰，水源水库的生态状况必须引起足够的重视。因此，以陕西省黄土高原水体为研究对象有助于以点带面，为西北旱区水生态健康评估奠定良好基础。

综上所述，以陕西省黄土高原水体为对象开展浮游及沉积微生物两大类群生态指示的研究，未来我们需要集中于以下几点:1)陕西省境内的黄土高原水体微生物群落结构特征及对环境变化的响应机制;2)陕西省境内黄土高原水体的微生物功能机理，微生物在不同环境下的适应机制及与生态、环境的潜在联系;3)特殊微生物、优势微生物以及关键微生物资源的开发利用及其在陕西省黄土高原水体中的特殊作用;4)陕西省黄土高原水体微生物在区域物质循环、能量流动中的独特作用;5)分子生物学方法在陕西省黄土高原微生物生态指示过程中的应用;6)微生物参数、环境参数等多参数结合的综合指标评价体系对黄土高原水体的水生态健康评估。这些均旨在为未来变化莫测的西北地区水生态问题提供基础依据，以便有针对性地开展区域水环境管控和治理工作。