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生态修复河流微生物群落组成及影响因素研究.pdf
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1、生态修复河流微生物群落组成及影响因素研究王革林1,于鲁冀1,王莉1,范鹏宇3,刘萌硕1,黎亚辉1,谷立坤2*1.郑州大学2.河南工程学院3.郑州大学综合设计研究院有限公司摘要为明确生态修复类型河流的微生物群落结构、功能及其影响因素,以许昌市清潩河为例,采用高通量测序的方法研究生态修复措施对河流水体和沉积物微生物群落结构的影响,并在此基础上分析碳氮硫功能菌群在生态修复措施中的净化作用及水体病原菌分布状况。结果表明:在人类干扰较少的河段,近自然河岸带对陆源污染起着较好的拦截效果,生态滤坝设施的截留和复氧能力有助于河流对化学需氧量(COD)的去除;城区段河流受人类活动影响水质变化较大,生态修复措施净
2、化效果不明显;城郊段人类干扰较少,河流自净能力提升,总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)等指标逐渐恢复原有水平。清潩河沉积物中微生物多样性和丰富度均高于水体,且变形菌门(Proteobacteria)是沉积物和水体中的优势物种。部分河段参与氮循环的蓝藻菌门(Cyanobacteria)相对丰度达到 4.7%,说明清潩河仍存在富营养化河段。清潩河水体中相对丰度最高的致病菌群为不动杆菌(Acinetobacter),而沉积物中相对丰度最高的致病菌群为梭状芽孢杆菌属(Clostridium)、黄杆菌属(Flavobacterium)和拟杆菌门(Bacteroidetes),其中拟杆菌门在城区段相对丰度
3、最高。Spearman 相关性分析表明,水体中微生物多样性与温度、pH、COD 有显著相关性(P0.05),城郊段沉积物中微生物群落结构的主要影响因子为 NH4+-N、总氮(TN)和 TP。生态修复河流城区段微生物丰度和多样性较高,致病风险大;城郊段碳氮硫功能菌群丰度高,是物质循环的主要场所。关键词清潩河;微生物;多样性;群落结构;环境因子中图分类号:X82文章编号:1674-991X(2023)04-1562-11doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20220876Study on the composition and influencing factors of
4、microbial community inecological restoration riversWANGGelin1,YULuji1,WANGLi1,FANPengyu3,LIUMengshuo1,LIYahui1,GULikun2*1.ZhengzhouUniversity2.HenanUniversityofEngineering3.ZhengzhouUniversityComprehensiveDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.AbstractInordertoclarifythemicrobialcommunitystructure,functi
5、onandinfluencingfactorsofecologicalrestorationrivers,theQingyiRiverinXuchangCitywastakenasanexample,andhigh-throughputsequencingmethodswereusedtostudytheinfluenceofecologicalrestorationmeasuresonthemicrobialcommunitystructureofriverwaterandsediment,andthenthepurificationeffectofcarbon,nitrogenandsul
6、furfunctionalbacteriainecologicalrestorationmeasuresandthedistributionofwaterbornepathogenicbacteriawereanalyzed.Theresultsshowedthat:Intheriversectionswithlesshumaninterference,thenear-naturalriverbankhadagoodinterceptioneffectonland-sourcepollution,andtheinterceptionandoxygenationcapacityofecologi
7、calfilterdamscouldhelptherivertoremovechemicaloxygendemand(COD).Thewaterqualityoftheurbanriversectionwasgreatlyaffectedbyhumanactivities,andthepurificationeffectofecologicalrestorationmeasureswasnotobvious.Inthesuburbanriversection,humaninterferencewasless,theriversself-purificationcapacitywasimprov
8、ed,andthetotalphosphorus(TP)andammonianitrogen(NH4+-N)indicatorsgraduallyreturnedtotheoriginallevel.ThemicrobialdiversityandrichnessoftheQingyiRiversedimentwerehigherthanthatoftheoverlyingwater,andProteobacteriawasthedominantspeciesinsedimentandwater.TherelativeabundanceofCyanobacteria,whichparticip
9、atedinthe收稿日期:2022-09-01基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项项目(2015ZX07204002-004;2012ZX07204004-001)作者简介:王革林(1994),男,硕士研究生,主要从事河流生态修复,*责任作者:谷立坤(1978),男,博士,主要从事环境样品微生物生态学研究,Vol.13,No.4环境工程技术学报第13卷,第4期Jul.,2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月王革林,于鲁冀,王莉,等.生态修复河流微生物群落组成及影响因素研究 J.环境工程技术学报,2023,13(4)
10、:1562-1572.WANGGL,YULJ,WANGL,etal.StudyonthecompositionandinfluencingfactorsofmicrobialcommunityinecologicalrestorationriversJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology,2023,13(4):1562-1572.nitrogencycle,reached4.7%,indicatingthattheQingyiRiverstillhadeutrophicriversections.Themostabundantpathogen
11、icbacteriaintheQingyiRiverwaterwasAcinetobacter,whilethemostabundantpathogenicbacteriainsedimentwereClostridium,FlavobacteriumandBacteroidetes,amongwhichBacteroideteswasthemostabundantin the urban section.Spearman correlation analysis showed that there was a significant correlation betweenmicrobiald
12、iversityinwaterandtemperature(T),pH,COD(P清洁段,在沉积物中相对丰度表现为城郊段城区段,说明城郊段是脱氮和硫还原的主要场所。绿弯菌门和酸杆菌门是已知指示污染物的微生物,其在城郊段 Q14 点位水体中的相对丰度最高,分别达到 1.5%和 0.9%,而在沉积物中相对丰度表现为城区段城郊段,说明城区段污染最为严重。在属水平上对清潩河水体和沉积物中的微生物进行分析,结果如图 3 所示。由图 3(a)可知,清潩河水 体 中 不 动 杆 菌 属(Acinetobacter)、hgcl_clade、Candidatus_Aquiluna、Limnohabitans 和
13、Polynucleobacter 等属类微生物占总体属水平微生物的 0.6%。不动杆菌属是污水细菌群落的核心类群,有指示水体污染的作用,其在 Q14 点位水体中相对丰度高达 0.61%,表明城区段水体污染物浓度较高。表 1 清潩河流域水体理化指标Table1PhysicalandchemicalindexesofwaterbodiesinQingyiRiverbasin采样点pH水温/DO浓度/(mg/L)COD/(mg/L)NH4+-N浓度/(mg/L)NO3-N浓度/(mg/L)NO2-N浓度/(mg/L)TN浓度/(mg/L)TP浓度/(mg/L)Q1(增福庙水库)8.6627.39.2
14、92.500.0130.410.0056.980.020Q2(高铁桥生态滤坝)8.2527.89.995.760.0130.220.0046.870.010Q3(段黄庄观景台)8.6729.210.102.500.0130.100.0047.680.020Q4(八一路生态滤坝)9.3729.612.0622.400.0130.100.0047.840.030Q5(长社路赵庄桥)9.5429.413.1717.760.0870.100.0047.730.040Q6(建设路生态浮岛)10.0130.213.5333.760.3900.100.0168.800.070Q7(建设路生态滤坝)10.04
15、30.612.2241.440.3370.340.0139.130.070Q8(人民路生态浮岛)10.0830.511.9830.400.2750.100.0023.070.050Q9(英刘闸上游)10.4331.613.2136.480.3480.540.0023.070.005Q10(葛天大道生态滤坝)8.4534.07.6761.120.3370.270.00811.540.230Q11(杜村寺闸前后)9.1431.112.3830.880.0454.260.0059.450.040Q12(关庄闸上游)9.0831.013.1319.680.0455.810.00510.630.005Q
16、13(关庄闸下游30m)7.6228.94.4519.920.1086.360.00711.270.050Q14(关庄闸下游200m)7.6828.05.0712.400.0766.060.00710.840.040Q15(关庄闸生态滤坝)7.6428.05.479.840.0135.760.00710.790.040Q16(禄马桥下游500m)7.9628.88.019.280.0135.990.00610.470.005Q17(县道007)8.0328.67.992.500.0765.180.00510.140.050图 2 清潩河沉积物理化指标Fig.2Physicalandchemic
17、alpropertiesofsedimentsintheQingyiRiver第4期王革林等:生态修复河流微生物群落组成及影响因素研究1565另外,hgcl_clade 和 CL500-29_marine_group 与蓝藻密切相关,在增福庙水库 Q1 点位水体中相对丰度分别达到了 0.19%和 0.02%,说明水库水体存在蓝藻异常增殖的风险。此外,Limnohabitans 属细菌在富营养化水体和磷循环中起重要作用,在城郊段各点位相对丰度皆达到 0.04%以上,说明城郊段是磷循环的主要场所。清潩河沉积物中微生物多样性指数较大,但各物种相对丰度较低,如图 3(b)所示,通过对前 23 的优势物
18、种进行分析发现,丰度较高的Smithella、硫杆菌属(Thiobacillus)、RBG-16-49-21、厌氧绳菌属(Anaerolinea)和 Leptolinea,相对丰度仅为 0.08%。硫杆菌属具有反硝化作用,其相对丰度在上下游分别为 0.01%和 0.11%,表明下游反硝化能力比上游更强。图 3 水体和沉积物属水平群落组成分析Fig.3Analysisofgenuslevelcommunitycompositioninwaterandsediment 2.3水体和沉积物中微生物多样性与差异性2.3.1细菌群落丰富度和多样性对清潩河清洁段、城区段和城郊段微生物多样性指数进行研究及
19、OUT 聚类分析,结果显示,清潩河水体和沉积物中 OTU 数目分别为 2626 和8619 个,Coverage 指数均高于 0.99,说明清潩河水质状况由差转好的过程可以通过微生物多样性指数的变化来反映18。根据表 2 可知,Q16 采样点的1566环境工程技术学报第13卷Chao 指数最高(2530.4),Shannon-Wninner 指数较低(5.13),表明该采样点微生物多样性较低,但丰富度较高;相比之下,Q2 采样点的 Shannon-Wninner 指数最高(6.99),Chao 指数较低(1386.8),说明该采样点物种多样性较高,但丰富度较低。Pearson 相关分析显示,S
20、hannon-Wninner 指数与 pH 呈显著正相关(R=0.915,P0.05),与总溶解性固体物质(TDS)(R=0.970,P0.01)、NO3-N(R=0.936,P0.01)呈极显著负相关,而 Chao 指数与 Shannon-Wninner 多样性指数呈显著正相关(R=0.738,P城郊段清洁段。3讨论清潩河上游承接五虎赵水库、唐寨水库和增福庙水库,水质较好,整体达到地表水类标准。清潩河清洁段(Q1Q3)河道设有近自然河岸带,并在Q2 点位设有生态滤坝,该河段水体受到人类干扰活注:*表示在 0.05 水平下相关性显著;*表示在 0.01 水平下相关性显著。图 5 清潩河微生物群
21、落结构与环境因子相关性分析Fig.5CorrelationanalysisofmicrobialcommunitystructureandenvironmentalfactorsintheQingyiRiver第4期王革林等:生态修复河流微生物群落组成及影响因素研究1569动的影响较小,除 TN 和 TP 浓度有些许增加外,其他指标几乎没有变化。当清潩河进入城区段(Q4Q12)时,受人类活动的影响,水体 COD、TDS、TN 和 TP 的浓度急剧升高,其中 Q7 和 Q10 采样点受周围医药企业、重金属行业制造厂和污水处理厂废水的影响,水质尤其差;而在城郊段(Q13Q17),水体中污染物浓度显
22、著下降,这表明关庄闸生态浮岛及生态滤坝等设施在水质净化方面发挥了一定的作用。沉积物污染物浓度的变化趋势与水体基本一致,在城区段 OM 占比、TP、TN 和NH4+-N 浓度显著增加,表明城区生活污水的排放对河流水质产生了很大的影响,并在水-沉积物界面吸附沉降。清潩河微生物多样性在空间上分布具有差异性,有研究表明微生物多样性受 COD、pH 和温度的影响19-20,与本文结论一致。Q1 采样点水质较好,微图 6 沉积物微生物群落主要功能类群Fig.6Mainfunctionalgroupsofsedimentmicrobialcommunities图 7 清潩河水体和沉积物致病菌群丰度Fig.7
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- 关 键 词:
- 生态 修复 河流 微生物 群落 组成 影响 因素 研究
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