重金属污染对不同生境中微生物群落结构的影响_何一凡.pdf
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1、Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44,No4 Apr,2023重金属污染对不同生境中微生物群落结构的影响何一凡1,2,肖新宗3,王佳文2*(1 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安710048;2 北京大学环境科学与工程学院,北京100871;3 中国南水北调集团中线有限公司,北京100038)摘要:重金属污染严重危害了生态系统中微生物群落的多样性和组成结构,然而目前关于重金属污染对“地表水-沉积物-地下水”这 3 种生境中微生物群落结构的影响差异知之甚少
2、 以唐河污水库地表水、沉积物和地下水为研究对象,基于 16SrNA 高通量测序技术分析对比不同生境下微生物群落多样性和组成差异,揭示了 3 种栖息地中微生物群落结构的主要驱动因素 结果表明,不同生境中微生物群落的多样性具有显著差异,地下水微生物 多样性显著高于沉积物微生物和地表水微生物;不同生境中的微生物物种组成也具有显著差异,地表水中 Pedobacter、Hydrogenophaga、Flavobacterium 和 Algoriphagus 丰度较高,沉积物中 Ornatilinea、Longilinea、Thermomarinilinea 和 Bellilinea 等重金属耐受菌占据主
3、要优势,而 Arthrobacter、Gallionella 和 Thiothrix 是地下水中的标志性物种;理化因素和重金属变量共同驱动了 3 种生境中微生物的群落结构变化,pH、NO3-N和 Li 是影响地表水微生物群落结构的主要因素,TP、NH+4-N、Cr、Fe、Cu 和 Zn 显著影响沉积物中微生物的群落结构,而地下水中微生物群落与 pH 呈弱相关关系,几乎不受重金属污染的影响 整体上,重金属污染对不同生境微生物群落结构的影响大小为:沉积物 地表水 地下水 研究结果将为重金属污染环境的生态修复及可持续发展提供重要科学依据关键词:重金属污染;微生物;地表水;沉积物;地下水中图分类号:X
4、172文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2103-10DOI:1013227/j hjkx202205041收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-06-26基金项目:国家自然科学基金项目(52209078)作者简介:何一凡(1997 ),女,硕士研究生,主要研究方向为重金属污染防治,E-mail:1103790718 qq com*通信作者,E-mail:wwjjww pku edu cnEffects of Heavy Metal Pollution on the Structure of Microbial Communities inDiffere
5、nt HabitatsHE Yi-fan1,2,XIAO Xin-zong3,WANG Jia-wen2*(1 State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid egion,Xian University of Technology,Xian 710048,China;2 College of Environmental Sciences andEngineering,Peking University,Beijing 100871,China;3 Middle oute of China South-to-North Water
6、 Diversion Group,Beijing 100038,China)Abstract:Heavy metal pollution seriously threatens the diversity and composition of microbial communities in various ecosystems However,little is known about the effects ofheavy metal pollution on the structure of microbial communities in the three habitats of“s
7、urface water-sediment-groundwater”Here,with help of 16S rNA high-throughputsequencing technology,the diversity and composition of microbial communities,as well as the underlying controlling factors,were investigated and compared among the surfacewater,sediment,and groundwater of the Tanghe sewage re
8、servoir The results showed significant differences in the diversity of microbial communities among different habitats,with the highest diversity observed in groundwater rather than surface water or sediment Meanwhile,microbial communities also displayed distinct compositions among thethree different
9、 habitats Specifically,Pedobacter,Hydrogenophaga,Flavobacterium,and Algoriphagus were dominant in surface water;metal-tolerant bacteria such asOrnatilinea,Longilinea,Thermomarinilinea,and Bellilinea prevailedin sediment;and Arthrobacter,Gallionella,and Thiothrix were abundant in groundwater Furtherm
10、ore,physicochemical factors and metal variables jointly determined the microbial community structure in the three habitats Among the influencing factors,pH,NO3-N,and Liwere the main factors affecting the microbial structure in surface water;TP,NH+4-N,Cr,Fe,Cu,and Zn significantly impacted microorgan
11、isms in sediment;and only pH(not metal pollutants)was weakly associated with the microbial composition in groundwater Overall,heavy metal pollution significantly shaped the microbial communitystructure in sediment,followed by that in surface water and groundwater These results provide important scie
12、ntific guidance for the ecological restoration and the sustainabledevelopment of heavy metal-polluted ecosystemsKey words:heavy metal pollution;microbes;surface water;sediment;groundwater随着城市化和工业化的快速发展,大量含有毒重金属的工业废水排放到环境中,对生态环境和人类健康构成了严重威胁1 微生物是生态系统中多样性最丰富和分布最广泛的生命形式之一,在物质循环和能量运输中发挥着关键作用,是生态系统中生物化学循
13、环的重要驱动力之一2 外界环境干扰会显著影响微生物群落结构的变化,甚至改变整个生态系统的物质循环和能量流动过程3 不同生境中微生物的组成、多样性和对环境的响应始终是微生物生态学与环境学研究的重点 有研究表明,长期累积的重金属污染,由于其固有的毒性和生物累积性,会严重危害微生物群落的组成结构和代谢功能4 例如,Cu、Zn 和 Cd 等重金属污染使鄱阳湖表层水体中的部分微生物生长受到抑制,降低了微生物群落的多样性5;Cd、Cu 和 As 等重金属污染会导致土壤微生物群落的整体丰度下降但重金属耐受菌的丰度增加,过量重金属会抑制微生物的基质代谢和呼吸活动6;Cr、Pb 和 Zn 污染的黄金峡沉积环境科
14、学44 卷物中,重金属含量与硝化菌、拟杆菌和疣微菌的丰度呈现出显著的负相关关系,但绿弯菌的生长可能得到了促进7 然而,目前的研究主要集中在单一类型生境如污水8,9、地下水10,11、地表水12、土壤13,14 和沉积物15 等,鲜见研究同步调查重金属污染对不同生境中微生物群落结构的影响白洋淀是华北平原最大的以植物为主的淡水湿地,在洪水储备和维持生态平衡等方面发挥重要作用16 唐河污水库位于白洋淀上游,用于储存和管理来自保定市和附近村庄的工业和城市废水,是白洋淀淡水湿地的最后一道防线17 有研究表明,工业污染等外源输入导致污水库的沉积物环境已被Fe、As、Zn 和 Cu 等多种重金属污染18,这
15、些污染物可能会通过地表径流进入白洋淀,从而严重影响白洋淀的生态安全19 更重要的是,长期的重金属污染对表层水和周边地下水的生态环境以及微生物结构的影响,目前仍不清楚 鉴于此,同步调查重金属污染对唐河污水库“地表水-沉积物-地下水”这 3种栖息地中微生物的影响,是深入揭示唐河污水库中重金属污染危害的关键本研究将基于 16S rNA 高通量测序方法,调查唐河污水库的“地表水-沉积物-地下水”这 3 种生境中的微生物群落结构特征,进一步明确不同生境中微生物群落结构的驱动因素,揭示污水库重金属污染对不同生境的影响,以期为唐河污水库生态修复和白洋淀生态系统的可持续发展提供科学依据1材料与方法1.1样点布
16、设及样品采集研究区域位于河北省保定市的唐河污水库(384743 384752N,1154011 1154222E),采样面积约 0.75 km2,该区域属温带大陆性季风气候,多年平均气温约 13,年平均降雨量约为513.6 mm,年平均蒸发量约为1 773.40 mm20 本研究于 2018 年 11 月共设置 5 个采样点,分别采集了沉积物、地表水和地下水样品(图 1)每个站点使用无菌 PET 瓶收集 10 L 的水进行水样的采集;同时,在同一站点使用采泥器采集水体之下对应的表层沉积物样品,用 PE 自封袋和 50mL 无菌离心管进行密封保存;此外,在站点周边深度 20 m 左右的浅层含水层
17、新建监测井同步采集了地下水样本 所有采集的样品分为两份,一份用于微生物的分子生物学鉴定,另一份用于环境指标分析将用于分子生物学鉴定的样品保存在 80冷冻,将用于环境指标分析的样品在 4左右保存对所有样品均测定了其环境指标,包括理化指图 1采样点位置分布示意Fig 1Distribution of sampling sites标和重金属含量 具体地,在采样现场,使用 YSI-85水质分析仪(YSI,USA)测定 pH,同时,参照之前的研究方法和相关的标准21,在实验室测定总氮(total nitrogen,TN)(HJ 636-2012)、总磷(totalphosphorous,TP)(HJ 6
18、32-2011)、氨氮(ammonianitrogen,NH+4-N)(HJ 535-2009)和硝氮(nitratenitrogen,NO3-N)(GB/T 7480-1987)等理化指标此外,参照相关的测定标准(HJ 677-2013,HJ 680-2013,HJ 766-2015),测定样品中铁(Fe)、铬(Cr)、砷(As)、铜(Cu)、锌(Zn)和锂(Li)等重金属元素的含量22 1.2DNA 提取、PC 扩增和 Illumina MiSeq 测序对于所有环境样品,使用 FastDNA SPIN 土壤试剂盒(MP Biomedicals,USA)分别提取环境 DNA,具体过程根据说明
19、书进行操作 采用细菌的通用引物338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3)和806(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)扩 增 16SrNA 基 因 的 V3-V4区23 扩 增 产 物 使 用AxyPrepDNA 凝胶提取试剂盒(Axygen Biosciences,USA)从 2%的 琼 脂 糖 凝 胶 中 纯 化,并 用QuantiFluorTM-ST 蓝 色 荧 光 定 量 系 统(Promega,USA)进行定量检测,纯化后的产物按等比例混合同时,本研究使用无菌水代替 DNA 开展了 3 个阴性对照实验,以监测 DNA 提取和 PC 扩增过程中可能出现的任
20、何污染,为后续 Illumina MiSeq 测序数据的真实性和准确性提供保证 最终,质检合格的扩增产物采用 Illumina MiSeq PE250 平台进行测序,测序结束后,使用 Trimmomatic 和 VSEACH 软件对原始FASTQ 序列进行质控24,25,高质量的序列使用VSEACH 软件按照 97%的相似度阈值进行 OTUs(operational taxonomic units)聚类,并对 OTU 序列参考 Silva 16S rNA 数据库进行物种注释26 1.3统计学分析利用 Mothur 软件计算各样品中微生物的 多样性,包括 Chao1、Shannon-Wiener
21、 和 Coverage 指40124 期何一凡等:重金属污染对不同生境中微生物群落结构的影响数 采用非度量多维尺度分析(NMDS),基于 Bray-Curtis 距离,对样本间的 beta 多样性差异进行可视化分析,进一步使用相似性分析(ANOSIM)来检验分组间微生物群落的差异,NMDS 和 ANOSIM 均使用 软件的 vegan 工具包完成 同时,使用 circlize工具包对门水平上的微生物群落组成进行可视化使用线性判别分析效应(linear discriminant analysiseffect size,LEfSe)分析识别微生物群落在 3 种生境的生物标记物(biomarker)
22、,以 LDA 判别阈值(LDA得分)大于 4,且 P 值小于 0.05 为标准进行筛选使用 Excel 2021 对环境变量进行整理,为优化分析,利用 PIME PEMANOVA+6.0 软件对每个环境变量进行标准化,使其平均值为 0,标准差为 127 利用 SPSS 26.0 软件通过 Kruskal-Wallis 检验分析环境变量在不同生境的差异,显著性水平的参数选取 0.05 探究微生物群落与环境变量的关系时,为避免共线性的问题,首先通过 VIF 方差膨胀因子分析将自相关性较高(VIF 10)的环境变量(包括理化指标和重金属指标进行剔除),随后利用vegan 工 具 包 进 行 典 范
23、对 应 分 析(canonicalcorrespondence analysis,CCA)进一步判断环境变量对微生物群落的影响 采用 SPSS 26.0 软件计算微生物属与环境变量之间的 spearman 相关性,并使用 软件的 pheatmap 工具包绘制热图进行可视化2结果与分析2.1微生物群落多样性在唐河污水库的 5 个站点,同步研究了地表水、沉积物和地下水中的微生物群落 利用 Illumina16S rNA高通量测序技术,对 15 个微生物样本进行测序,共产生了2 109 119条序列,所有样本的覆盖率(coverage)为0.971 0.012,表明在当前测序深度下可以很好地揭示细菌
24、群落的绝大部分物种 对所有高质量的序列进行聚类后,此次调查共得到5 108个OTUs 如图2(a)所示,地表水、沉积物和地下水分别含2 645、3 020和4 213个 OTUs,3 组样本共有的 OTUs有1 577,而地下水有1 264个特有的 OTUs,远远超过地表水(170)和沉积物(451)中特有的 OTUs 数量图 2不同生境中微生物群落的 OTUs 数量和 多样性Fig 2OTUs number and diversity of microbial communities in different habitats如图 2(b)所示,不同样本中微生物群落的 多样性具有显著差异 地
25、下水样本的微生物丰富度和多样性(Chao1:2 952.84 712.95,Shannon:8.37 1.59)远高于地表水中的微生物丰富度和多样性(Chao1:2 099.87 386.21,Shannon:5.37 1.01)和沉积物中的微生物丰富度和多样性(Chao1:2 410.78 155.61,Shannon:7.65 0.29)基于非度量多维尺度分析(NMDS)和相似性分析(ANOSIM),发现 3 种生境中微生物群落组成存在显著差异(=0.96,P=0.001,图 3)2.2微生物群落组成对所有 OTUs 进行注释,共鉴定出微生物1 102属,隶属于 50 门、105 纲、17
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