金沙江攀枝花段沉積物中化學元素與微生物分布

摘要：金沙江是中國重要的水電基地，為明確金沙江下游梯級水電站全面運行之前沉積物營養和重金屬元素以及微生物的空間分布特征，以金沙江攀枝花段為例，分析了該河段倮果大橋、三堆子、馬店河、迤資村和拉鲊5個斷面沉積物中總氮、總磷、重金屬等化學元素含量、微生物群落組成以及化學元素與微生物之間的相互關系。結果表明：① 金沙江沉積物中TN、TP、V、As、Cu、Pb和Zn含量分別為115～415，640～1 560，246～337，0.98～2.27，28.9～68.4，6.1～12.3，51.5～92.5 mg/kg，其中倮果大橋沉積物的TN和TP含量最高，馬店河沉積物重金屬含量最高。② 通過16S rDNA分析結果表明，沉積物中相對豐度最高的3種菌屬為節桿菌、大理石雕菌和鞘氨醇單胞菌；豐度和連接度最高的3種細菌門均為變形菌門、放線菌門和綠彎菌門，3者共占所有連接度的78.5%。③ 各環境因子對細菌的影響程度從大到小依次為pH，As，TN和V。沉積物中重金屬V含量和馬西利亞菌屬的相對豐度呈現顯著正相關關系（plt;0.05），沉積物中P和V具有潛在的累積風險。

關 鍵 詞：沉積物； 總氮； 總磷； 重金屬； 微生物群落； 金沙江攀枝花段

中圖法分類號： X522；X172

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.02.004

0 引 言

金沙江全長約3 500 km，流經青海、西藏、四川和云南4個省份。金沙江特別是其下游河段水能資源蘊藏巨大，是全國重要的水電基地，整個江段規劃有27級梯級水庫。目前，在金沙江下游建有烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩4座大型水電站^［1］。梯級水電站在提供清潔能源的同時，也改變了區域氣候^［2］，繼而對其所在江河的水文、水力學、地勢地貌、河流和陸地生態系統產生了顯著影響。

金沙江下游是長江流域的重點產沙區，攀枝花至屏山區間輸沙模數高達2 200 t·km^-2·a^{-1 ［3］}。金沙江下游梯級水庫的建設與運行減緩了河道水體流速，從而增加了泥沙沉積。同時，由于梯級水庫的調節，金沙江兩岸形成大量的消落帶^［4］。攀枝花市是中國重要的釩鈦產業基地，礦產資源豐富，采礦、鋼鐵、冶金等工礦產業發達，并且處于中國“西電東送”戰略骨干電源——烏東德水電站的運行影響區，金沙江、雅礱江兩江交匯于此。金沙江攀枝花河段作為市內主要的工業廢水受納水體，水文水環境關系復雜，存在一定程度的重金屬污染風險。已有研究表明，大型庫區消落帶的土壤/沉積物與上覆水之間可以通過吸附/脫附、沉積/再懸浮等過程發生氮磷和重金屬等要素的交換^［5-6］，對上覆水體的生態系統產生重要影響。目前，有關金沙江沉積物氮磷、重金屬等時空分布的研究尚不多見^［7-10］。

微生物群落在水生態系統中的生源要素和外源物質生物地球化學循環過程中扮演著重要角色。沉積物中微生物影響沉積物中元素的形態^［11］，也是生態系統的碳、氮、硫及鐵等元素形態轉化的主導者^［12］。氮磷等生源要素含量是塑造水體生態環境的關鍵因素。本文以金沙江攀枝花段5個斷面沉積物中的氮、磷、重金屬與微生物群落組成為重點，研究金沙江沉積物中的氮磷和重金屬含量及微生物的群落組成，這不僅有助于了解金沙江下游梯級水電站全面運行之前河流中顆粒態氮磷和重金屬的負荷現狀，而且可為進一步揭示金沙江沉積物中各種元素的生物地球化學循環規律提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

沉積物采樣時間為2021年3月，取樣斷面包括倮果大橋（26°36′6″N，101°47′20″E）、雅礱江河口（26°36′25″N，101°48′6″E）、三堆子（26°35′28″N，101°49′54″E）、馬店河（26°28′37″N，101°55′20″E）、迤資村（26°26′39″N，101°52′56″E）和拉鲊（26°22′24″N，101°55′41″E），監測點分布見圖1。沉積物采集后迅速放入干冰中，并在24 h內運回到實驗室。采集到的沉積物分為兩部分，其中一部分樣品直接用于微生物多樣性分析，另一部分樣品采集后置于陰涼、干燥、無污染的通風處風干，揀出植物殘體、石子和貝殼等雜物后，研磨過200目篩，最后置于棕色瓶中，放在陰涼避光處備用，用于氮磷和重金屬含量分析。

1.2 分析方法

沉積物總磷（TP）采用NY/T 88—1988《土壤全磷測定法》進行分析；總氮（TN）采用LY/T 1228—2015《森林土壤氮的測定》中半自動凱式定氮儀法進行分析測定。重金屬采用HJ 766—2015《固體廢物 金屬元素的測定 電感耦合等離子體質譜法》進行測定。使用環境標準樣品GSD-9和GSS-8進行質控。

采用DNA試劑盒（FastDNA SPIN Kit for soil，MP Biomedicals，USA）對沉積物中微生物DNA進行提取，使用Nanodrop 2000（ThermoFisher Scientific，USA）測定DNA濃度。將基因中16S rDNA片段通過PCR擴增，正向和反向的引物分別為338F（5′ACTCCTACGGGAGGCAGCAG 3′）和806R（5′GGACTACHVGGGTWTCTAAT 3′）。PCR擴增條件為95 ℃預變性3 min，接下來按95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，一共循環27次，最后一次循環時以72 ℃延伸10 min結束。PCR擴增后獲得的序列由上海美吉生物公司測定，測定的16S rDNA在Silva數據庫（http：∥www.arb-silva.de）進行比對，比對結果通過I-sanger（http：∥www.i-sanger.com）進行分析。5個樣品測定的基因序列數量在37 948～56 768范圍內，在后續分析中，按97%相似度進行OTU聚類分析。

2 結果與分析

2.1 金沙江攀枝花段沉積物TN和TP含量

如圖2所示，金沙江沉積物中TN含量在115～415 mg/kg之間，整體呈現出上游高、下游低的特點。金沙江沉積物中TP含量在640～1 560 mg/kg之間，最大值出現在倮果大橋斷面，三堆子斷面沉積物的TP含量相對較低。

2.2 金沙江攀枝花段沉積物重金屬含量

金沙江攀枝花段沉積物中重金屬呈現不同的空間分布特征（圖3）。其中，Cu（28.9～68.4 mg/kg）、Pb（6.1～12.3 mg/kg）和Zn（51.5～92.5 mg/kg）含量與前人報道的數值47～89 mg/kg（Cu）、21～42 mg/kg（Pb），51.5～92.5 mg/kg（Zn）相近^［8］，且顯著小于其岸邊道路揚塵的重金屬含量^［13］。馬店河斷面沉積物中的Cu、Pb、Zn和As含量均顯著高于其他斷面。這主要是由于馬店河斷面接近攀枝花的釩鈦產業園區，工業園區污水的排放和生產運輸中的揚塵均會造成重金屬在馬店河斷面的累積。不同斷面的Ⅴ濃度值在246～337 mg/kg，小于攀枝花路邊揚塵顆粒中的Ⅴ含量^［13］。沉積物中As的含量在0.98～2.27 mg/kg，小于長江干流背景值的Ⅰ級值（5 mg/kg），說明As不是金沙江沉積物中的主要污染物。

2.3 金沙江攀枝花段沉積物微生物多樣性

沉積物中OTU數量依次為迤資村（1 131）lt;倮果大橋（1 253）lt;馬店河（1 349）lt;拉鲊（1 870）lt;三堆子（1 892）。Venn圖表明5個沉積物樣品共有的OTU數目為463（圖4）。獨有OTU數目最多的沉積物來自拉鲊斷面（226）和馬店河斷面（217）；獨有OTU數目最少的沉積物來自迤資村斷面（34）。金沙江5個沉積物細菌群落的Shannon指數分別為迤資村（5.1）lt;倮果大橋（5.2）lt;馬店河（5.6）lt;三堆子（6.0）lt;拉鲊（6.2），不同斷面沉積物中的微生物多樣性存在顯著差異（plt;0.05）。

如圖5所示，在門分類水平上，金沙江攀枝花段沉積物中主要的細菌包括變形菌（Proteobacteria）、放線菌（Actinobacteriota）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌（Acidobacteriota）、厚壁菌（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidota）、黏球菌（Myxococcota）、巴氏桿菌（Patescibacteria）、寶石單胞菌（Gemmatimonadota）和藍細菌門（Cyanobacteria）。迤資村斷面的放線菌門相對豐度最高，其他4個斷面的變形菌門相對豐度最高。這與中國其他河流和湖泊沉積物中的微生物群落組成相似^［14］。雖然藍細菌門（Cyanobacteria）在金沙江沉積物中是相對豐度較高的細菌，但是仍低于嘉陵江沉積物中的含量^［15］。Arthrobacter，Marmoricola，Sphingomonas，norank_f_norank_o_norank_c_KD4-96和Nocardioides為豐度最高的細菌屬。

從圖6可以看出，金沙江沉積物中細菌連接度最高的是變形菌門、放線菌門和綠彎菌門，其連接度分別占44.62%，24.73%和9.14%，這主要是由于上述細菌門的相對豐度較高。雖然硝化螺旋菌門（Nitrospirae）的相對豐度不高，但是其連接度所占比例較高（1.08%）。由于硝化螺旋菌門在環境氮循環中扮演著重要角色，因此一定程度上解釋了金沙江攀枝花段沉積物中TN含量并未高于長江其他河段含量。

沉積物的TN和TP含量與相對豐度前10的細菌屬之間不存在顯著性相關關系（表1）。除V以外，其他重金屬與豐度前10的細菌屬不存在顯著相關關系（pgt;0.05）。沉積物pH與Arthrobacter、Sphingomonas和Rubellimicrobium之間都存在顯著的正相關關系（plt;0.05）。冗余分析（Redundancy analysis）結果表明，環境因子對細菌的影響程度從大到小依次為pH，As，TN和V。

此外，大理石雕菌屬（Marmoricola）和類諾卡氏菌屬（Nocardioides），鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）和微紅微球菌屬（Rubellimicrobium），norank_f_norank_o_norank_c_KD4-96和norank_f_norank_o_Vicinamibacterales之間存在顯著正相關關系（plt;0.05）。

3 討 論

金沙江攀枝花段沉積物TN含量小于中國其他主要河段沉積物中TN含量，如香溪河庫灣（890～1 080 mg/kg）^［16］、珠江口（1 203～2 365 mg/kg）^［17］、渭河陜西段（1 980～10 550 mg/kg）^［18］。TP含量略高于長江干流重慶段（478～1 349 mg/kg）、澎溪河（600～1 450 mg/kg）和長江干流湖北段沉積物中TP含量（362～1 034 mg/kg）^［19-21］；明顯高于嘉陵江、烏江（503～763 mg/kg）和香溪河（567 mg/kg）沉積物中的TP含量^［21-22］；明顯低于渭河陜西段沉積物中TP的含量（5 910～15 970 mg/kg）^［18］。上述結果表明，金沙江攀枝花段TN內源負荷較小，但是TP內源負荷較嚴重。由于金沙江攀枝花段上覆水中TN和TP濃度均較低^［9］，因此，當下游烏東德水庫完成蓄水后，TP的內源釋放將成為上覆水中磷元素的主要來源之一。

鉛、鋅在自然界里特別在原生礦床中共生極為密切，它們具有共同的成礦物質來源和十分相似的地球化學行為，因此沉積物中Pb和Zn的含量之間存在顯著正相關關系（Pearson系數0.991）。

沉積物中V含量高于長江干流重慶—宜昌段沉積物中V的含量^［23］，與前人報道的金沙江河漫灘沉積物中V含量接近（279～622 mg/kg）^［7］，表明金沙江沉積物中V含量較穩定，且顯著高于全球頁巖V的平均含量（140 mg/kg），也高于攀枝花地區V的土壤背景值（170 mg/kg）^［13］。

雖然沉積物的pH與其TN、TP和重金屬含量之間不存在顯著相關關系，但是pH影響了沉積物的細菌群落組成，這與文獻中報道的pH對其他河湖沉積物中細菌組成的影響相一致^［15］。pH可以通過影響微生物的生長、代謝和資源利用等，影響微生物群落的結構和組成。冗余分析表明：在測定的5種重金屬中，As對沉積物細菌群落的影響最大。然而，單因素分析顯示豐度前10的細菌屬與As含量之間并不存在顯著相關關系（pgt;0.05）。文獻報道變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidota）在黃水溪石門雄黃礦河段中為優勢菌群^［24］。

重金屬V和馬西利亞菌屬（Massilia）呈現顯著正相關關系。Kang等報道，在攀枝花釩鈦尾礦區種植白羊草后，土壤中形成了馬西利亞菌屬的富集，表明馬西利亞菌屬對重金屬V有一定的耐受性^［25］。因此，金沙江馬店河段沉積物中存在耐釩菌群，可以用于其他釩污染介質的生物修復菌種。目前，已有研究者從攀枝花尾礦堆淤泥篩選了兩種耐釩菌株，分別為微桿菌Exiguobacterium sp.和芽孢桿菌Bacillus sp.^［26］。

4 結 論

（1） 金沙江攀枝花段沉積物的TN含量與長江干流重慶段和湖北段的含量相近，TP的含量高于長江干流其他河段以及烏江等支流的含量，存在一定的累積風險。

（2） 由于距離攀枝花釩鈦工業園區較近，馬店河斷面沉積物中重金屬含量最高。As含量低于長江干流背景值，因此As并不是沉積物中的主要污染物。沉積物中Cu、Pb和Zn的分布特點相似，V含量高于攀枝花土壤背景值和全球頁巖背景值。

（3） 不同斷面的微生物組成存在顯著差異，TN和TP與相對豐度前10的細菌屬之間不存在顯著相關關系，沉積物的pH和As含量對細菌群落組成影響最大。沉積物中的馬西利亞菌屬是釩污染介質的潛在生物修復菌種。

在后續研究中，通過分析化學元素形態含量和功能基因豐度間的關系，可以為厘清生物地球化學循環過程（例如砷、汞的甲基化，氮磷的形態轉化等）提供依據。

參考文獻：

［1］ 荊柱，李肖男，何小聰，等.金沙江下游梯級水庫群協同防洪調度策［J］.人民長江，2023，54（9）：33-40.

［2］ 徐火清，周佳，孫然好，等.金沙江下游梯級水電站對區域氣候的影響分析［J］.人民長江，2023，54（2）：132-140.

［3］ 田銳，舒衛民，阮燕云，等.2021年金沙江下游梯級水庫蓄水實踐研究［J］.水利水電快報，2022，43（10）：37-40，60.

［4］ 孫龍，盧濤，孫濤，等.金沙江下游典型庫區消落帶植被恢復模式［J］.生態學報，2023，43（2）：826-837.

［5］ 劉偉，周斌，王丕波，等.沉積物再懸浮氮磷釋放的機制與影響因素［J］.科學技術與工程，2020，20（4）：1311-1318.

［6］ 柳肖竹，劉群群，王文靜，等.力擾動對河口沉積物中重金屬再釋放的影響［J］.生態與農村環境學報，2020，36（11）：1460-1467.

［7］ 王蕾，滕彥國，王金生，等.攀枝花尾礦庫溪流中釩的分布及化學形態［J］.環境化學，2009，28（3）：445-448.

［8］ 徐爭啟，倪師軍，庹先國，等.火焰原子吸收光譜法分析沉積物中重金屬元素的形態［J］.分析試驗室，2006，25（4）：1-4.

［9］ 楊玖，代佼.金沙江流域攀枝花段主要污染物特征分析［J］.環境科學導刊，2016，17（2）：61-66.

［10］管義偉，李銀波，陳露欣，等.金沙江下游梯級水庫夏冬季垂向水體理化特征研究［J/OL］.人民長江，1-16［2024-12-17］.http：∥kns.cnki.net/kcms/detail/42.1202.TV.20240930.1721.004.html.

［11］ZHOU C，MIAO T，JIANG L，et al.Conditions that promote the formation of black bloom in aquatic microcosms and its effects on sediment bacteria related to iron and sulfur cycling［J］.Science of the Total Environment，2021，751：141869.

［12］馬巧麗，杜歡，劉楊，等.紅樹林濕地硫酸鹽還原菌的多樣性及其參與驅動的元素耦合機制［J］.微生物學報，2022，62（12）：4606-4627.

［13］YANG J，TENG Y，SONG L，et al.Tracing sources and contamination assessments of heavy metals in road and foliar dusts in a typical mining city，China［J］.Plos One，2016，11（12）：e0168528.

［14］李鵬洋，安啟睿，王新皓，等.遼河四平段流域河流沉積物微生物群落多樣性和結構分析［J］.環境科學，2022，43（5）：2586-2594.

［15］薛玉琴，徐飛，劉坤和，等.面源污染誘導嘉陵江沉積物中細菌群落結構與功能異變［J］.環境科學，2022，43（5）：2595-2605.

［16］張敏，徐耀陽，邵美玲，等.三峽水庫香溪河庫灣底泥中總氮、總磷含量的時空分布［J］.應用生態學報，2009，20（11）：2799-2805.

［17］岳維忠，黃小平，孫翠慈.珠江口表層沉積物中氮、磷的形態分布特征及污染評價［J］.海洋與湖沼，2007，38（2）：111-117.

［18］張臺凡，宋進喜，楊小剛，等.渭河陜西段沉積物中總磷、總氮時空分布特征及其影響因素研究［J］.環境科學學報，2015，35（5）：1393-1399.

［19］孫文彬，杜斌，趙秀蘭，等.三峽庫區澎溪河底泥及消落區土壤磷的形態及吸附特性研究［J］.環境科學，2013，34（3）：1107-1113.

［20］高飛，張旭.三峽庫區澎溪河水體和沉積物中磷的形態分布［J］.華中農業大學學報，2016，35（3）：72-76.

［21］尹真真，趙麗，彭昱，等.三峽庫區重慶段總磷污染來源解析及控制對策［J］.環境工程技術學報，2018，8（1）：51-57.

［22］聶小倩，郭強，李曉玲，等.香溪河消落區及上緣土壤磷素的時空分布特征［J］.環境科學與技術，2014，37（11）：7-14.

［23］郭威，殷淑華，徐建新，等.三峽庫區（重慶—宜昌段）沉積物中釩的污染特征及生態風險評價［J］.環境科學，2016，37（9）：3333-3339.

［24］李文旭，何劍汶，劉璟，等.黃水溪砷環境地球化學遷移行為及其細菌群落分析［J］.環境科學研究，2019，32（6）：966-973.

［25］KANG X，CUI Y，SHEN T，et al.Changes of root microbial populations of natively grown plants during natural attenuation of V-Ti magnetite tailings［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety 2020，201：110816.

［26］伏媛，李迅，余雪梅，等.耐釩微生物的分離鑒定及其去釩能力分析［J］.江蘇農業科學，2020，48（10）：287-292.

（編輯：劉 媛）

Distribution of chemical elements and microorganisms in sediments of Panzhihua section of Jinsha River

FAN Hao¹，LU Jingying²，ZHANG Xu³

（1.Water Resources Protection Research Institute of Changjiang River，Wuhan 430051，China； 2.Three Gorges Construction （Group） Co.，Ltd.，Chengdu 610095，China； 3.School of Resources and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Abstract： The Jinsha River is the largest hydropower base in China.In order to clarify the spatial distribution characteristics of sediment nutrients，heavy metal elements and microorganisms before the full operation of the cascade hydropower stations in the lower reaches of the Jinsha River，we analyzed the content of chemical elements including total nitrogen （TN），total phosphorus （TP），heavy metals，and the microbial community composition，as well as the interrelationships among them in the sediment from five sections of the Panzhihua Reach，Jinsha River，namely Luoguo Bridge，Sanduizi，Madianhe，Yizi and Lazha sections.The results revealed that：① The sediments in the Jinsha River contained TN levels ranging from 115 to 415 mg/kg，TP levels ranging from 640 to 1 560 mg/kg，and heavy metal levels of V，As，Cu，Pb，and Zn ranging from 246 to 337 mg/kg，0.98 to 2.27 mg/kg，28.9 to 68.4 mg/kg，6.1 to 12.3 mg/kg，and 51.5 to 92.5 mg/kg，respectively.The sediments at Luoguo Bridge had the highest TN and TP contents，while the Madianhe sediments had the highest heavy metal contents.② Further analysis using 16S rDNA revealed that the three most abundant genera in the sediments were Arthrobacter，Marmoricola，and Sphingomonas.The three most abundant bacterial phyla were Proteobacteria，Actinobacteriota，and Chloroflexi，which accounted for 78.5% of all connectivity.③ Redundancy analysis showed that pH，As，TN，and V were the most influential environmental factors on the bacteria.Additionally，there was a significant positive correlation （plt;0.05） between the V content in the sediments and the relative abundance of Massilia.Comparative content analysis showed that P and V in sediments had potential cumulative risks.

Key words： sediments； total nitrogen （TN）； total phosphorus （TP）； heavy metal； microbial community； Panzhihua section of Jinsha River