水生生态系统的自净能力是一项重要的生态系统服务。然而,城市化的发展扰乱了自然的水循环,导致了水体自净能力的降低。探讨城市雨水径流对受纳水体自净能力的影响,有助于更好地认识和理解水陆连接对于受纳水体中的微生物群落和生态系统过程的作用,为河湖治理、雨水管理原则的制定以及绿色基础设施的设计提供参考。为了探究水陆连接对于河流自净能力的影响,本研究以城市雨水径流向河流的输入表征有效的水陆连接,并以受纳水体微生物群落的结构组成变化及其对氮和难降解污染物关键代谢过程的变化表征水体自净能力的变化。以制备土壤浸提液的方式模拟城市雨水径流,开展室内模拟实验,并运用宏基因组学、宏蛋白组学和宏代谢组学等手段,基于对不同土壤浸提液添加体积占比(0%、5%、20%)和不同培养时间(第0和48 h)的五组样本0-0h、SW-0h、0-48h、5-48h和20-48h中所鉴定到的1671623条ORF序列、9742个蛋白质组和4618种代谢物,展开生物信息学分析,以研究受纳水体微生物群落和关键代谢过程的变化。在反应96 h的过程中,水样中氮的监测分析结果如下:在添加5%、20%体积土壤浸提液的处理组中,总氮、硝态氮、氨氮的浓度均显著低于纯河水处理组,表明土壤浸提液的输入未造成受纳水体水质的劣化;同时,添加5%和20%体积土壤浸提液处理组中氨氮和硝态氮相关性分别为-0.980(P<0.01)和-0.971(P<0.01),数值比空白组的相关系数(-0.967(P<0.01))的数值更接近于1,这表明,添加土壤浸提液可能增强了受纳水体中氨氮和硝态氮的化学转化过程。对五组样本的1671623条ORF序列的物种分类学注释和KEGG功能注释进行分析,发现土壤浸提液输入后,受纳水体中与氮代谢和难降解污染物(如内分泌干扰因子双酚A、聚乙烯、多环芳烃等)降解相关的16个微生物属(如亚硝化螺菌属、亚硝化球菌属和鞘氨醇单胞菌属等)的相对丰度增加,同时,添加土壤浸提液的样本中氮代谢和难降解污染物降解相关的19个功能基因(如assimilatory nitrate reductase、nitrous oxide reductase和catechol 2,3-dioxygenase等)的表达更高。这从基因层面表明,土壤浸提液的输入可能提高了受纳水体微生物群落氮代谢能力和难降解污染物的降解能力。对五组样本的9742个蛋白质组进行差异分析发现,发现参与氮代谢和多环芳烃、双酚A、聚苯乙烯、聚乙烯等难降解污染物降解代谢途径的9个功能蛋白(如nitrite oxidoreductase、glutamate synthase、catechol 2,3-dioxygenase等)在添加了土壤浸提液的样本5-48h和20-48h中相对于纯河水处理组0-48h上调(FC≥1.5,P<0.05),且这些功能蛋白所匹配到的菌属如假单胞菌属、伯克霍尔德菌属、苯基杆菌属等均为已知的多环芳烃降解细菌。这从蛋白质层面证明,土壤浸提液的输入促进了受纳水体微生物群落氮代谢和难降解污染物降解相关的功能蛋白的表达,提升了受纳水体微生物群落的氮代谢能力和对难降解污染物的降解能力。对五组样本识别到的4618种代谢物进行分析,鉴定到了参与氮代谢途径中尿素循环相关的三种代谢产物(氨基甲酸、碳酸氢盐和氨甲酰磷酸)和参与难降解污染物降解过程的六种中间代谢产物。其中,在添加土壤浸提液的样本5-48h和20-48h中,参与尿素循环的氨甲酰磷酸和多环芳烃降解的2种中间产物儿茶酚、甲基儿茶酚的表达量相对于纯河水样本0-48h上调(FC>1.5,P<0.05),且儿茶酚和甲基儿茶酚的高表达量与宏蛋白质组学分析中负责催化裂解儿茶酚的功能蛋白表达量的上调是一致的。这从宏代谢组学层面印证了,在输入土壤浸提液的受纳水体中,参与氮同化、能量生产以及多环芳烃的降解途径更为活跃。总之,以上实验结果表明,土壤浸提液输入能够通过增加水体中与氮代谢和难降解污染物降解相关的微生物属、功能基因、功能蛋白的数量以及促进相关代谢过程的进行,增强受纳水体自净能力相关的生物学过程。初步证明了土壤浸提液(即模拟城市雨水径流)在提升水生生态系统自净能力方面的作用。