南水北调中线工程自通水以来，渠道内壁由藻类、细菌、真菌、原生动物及其胞外分泌物与有机、无机沉积物共同构成的生物膜，其生长演变规律及潜在的水质与工程风险一直是亟待厘清的关键科学问题。中国科学院水生生物研究所李敦海研究员团队以该全长约1432 km的世界最大跨流域调水工程为对象，开展了涵盖生物膜群落组装、底栖藻类增殖、污染物截留、病原菌/抗生素抗性基因富集及生物腐蚀风险等系列研究（图1），为大型调水工程的微生物风险识别、水质安全保障及工程设施运维提供了新的科学依据。

图1 中线渠道生物膜研究框架示意

团队沿主渠道布设固定监测断面，发现生物膜微生物群落的组装主要由扩散限制与同质选择驱动，细菌与真核微生物表现出不同的环境响应规律——真核微生物对水动力条件和温度变化更为敏感。理化环境、空间距离与生物相互作用共同塑造了群落的空间关联结构（Huang et al., 2025, Sci Total Environ.）。针对低营养人工渠道特有的藻类增殖问题，研究发现底栖藻类呈春季硅藻门占优到秋季绿藻门占优的演替格局，水温、可溶性活性磷与硝酸盐是主要驱动因子。团队进一步基于叶绿素荧光参数（F_v/F_m、rETR_max）构建了高精度的藻类增殖预测模型，为底栖藻类异常增殖的早期预警提供了可行工具（Tang et al., 2026, Environ. Res.）。

在污染物风险方面，团队系统揭示了中线工程渠道水体、生物膜和沉积物中微塑料的时空分布特征，发现微塑料丰度总体低于其他典型内陆水体，主要以小粒径PET纤维为主，且能够随水流长距离迁移。发现生物膜是微塑料的重要"汇"，水温、流量和丝状藻类显著影响截留效率；团队自主研发的车载式边坡生物膜清除设备对生物膜的清除效率达约90%，为输水系统中微塑料的削减提供了工程可行的新路径（图2）（Huang et al., 2021）。

图2 团队研发的边坡生物膜机械清除设备

更重要的是，生物膜同时充当潜在病原菌与抗生素抗性基因的"库"。宏基因组分析鉴定出279个潜在病原相关ASV（平均相对丰度3.40%），其群落组装以随机过程为主，总氮为最大单因子贡献（解释率6.13%）；高流速、高溶解氧渠段中其相对丰度显著偏低（Huang et al., 2026, Biofouling）。干渠生物膜中共检出22类抗生素抗性基因，以多重耐药基因为主导，其中MacB、TaeA等核心基因与转座子及插入序列高频共定位，具备较高的潜在迁移风险，且夏秋季生态风险更高（Tang et al., 2026, J. Clean. Prod.）。此外，宏基因组分析还识别了与氮、硫循环及混凝土生物腐蚀相关的微生物和代谢潜力，发现硫氧化菌（Thiobacillus）、硫酸盐还原菌（Desulfovibrio）及相关氮硫循环基因在上游渠段富集，提示长期服役的混凝土输水结构存在潜在生物腐蚀风险（Huang et al., 2026, Biofouling）（图3）。

图3 输水渠道生物膜双重风险界面示意

上述系列成果先后发表于Science of the Total Environment、Environmental Research、Journal of Cleaner Production、Biofouling等期刊。第一作者为水生所博士研究生黄顺（已毕业）、汤一帆，通讯作者为李敦海研究员和汪志聪副研究员。研究得到国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金等项目的资助。

综合来看，输水渠道生物膜是连接水质安全与工程耐久性的双重风险界面。未来，团队将围绕生物膜功能活性的原位验证、高分辨率长期监测与生物膜长效控制技术继续开展研究，为这一世纪工程的水质保障与长效安全运行提供科学支撑。

论文链接：

1. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.149464

2. https://doi.org/10.1016/j.envres.2026.123907

3. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148001

4. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2025.178827

5. https://doi.org/10.1080/08927014.2026.2742367