再生水补水对城市河流水体细菌群落的影响研究

再生水补水对城市河流水体细菌群落的影响研究

张璐

天津中水有限公司  天津市 300400

摘要：随着我国城市的快速发展，环境污染日益严重，水资源日趋紧张，为了创造良好水环境、促进循环型城市发展进程的重要举措。为了探明再生水补水对河流水体细菌群落结构的影响，以珠江某支流再生水补水河段为例，基于IlluminaMiseq测序平台探究河流水体不同空间细菌群落结构的差异，并借助单因素方差分析、Spearman相关分析和典型对应分析(CCA)方法分析河流水体细菌群落结构空间差异的形成原因。

关键词：再生水;城市河流;细菌;群落结构;环境因子

引言

随着城市的发展，城市中多数河道变成区域纳污河流，一些河道甚至出现了“无水断流，有水皆黑”的现象，再生水补水是解决这一现象的关键。再生水作为城市的稳定再生水源，在缓解深圳市地表水资源短缺，城市雨源性河道生态基流间歇性缺水等问题发挥了重要作用。然而，再生水补水会影响河道中营养物和污染物的原有状态，其可以改变河道水体环境及污染物迁移路径，进而影响河道水质及底泥的理化性质。另外，河道水质及底泥的理化指标特别是营养物和污染物的变化将对底泥微生物群落结构有显著影响。

1材料与方法

研究河流位于广东省西部，生态景观再生水补水工程于2019年3月建成，再生水补水段全长约8．05km。研究区位于热带气候边缘，年平均气温22℃，年平均降水量约1600mm，年降水总量的80%集中在4—10月。研究河流补给水源主要为再生水、大气降水和上游水库生态下泄水，其中共设有上下游两个常态化再生水补水口(间隔约5km)，上游日补水量约4万m3，下游日补水量约5万m3，补水水质为Ⅴ类水。研究河流通过雨污分流、控源截污、生态补水及生态修复等措施较大程度解决了水体污染问题，基本消除了外源污染，水体水质主要受再生水及降水影响。

1．1样品采集与处理

2019年9月在补水口上下游布设8个采样点，每个采样点均采集3个平行样，采用有机玻璃采样器在水面下1/4水深处采集水样，单个采样点采集约1L水样，置于干净无菌有机玻璃瓶中，对样品编号后带回实验室。样品分为两部分，一部分水样用0．22μm滤膜过滤，截留物用于生物分析;另一部分水样进行水质常规检测，其中总有机碳(TOC)采用总有机碳分析仪(TOC－90)测定，氨氮(NH+4－N)、总氮(TN)、总磷(TP)采用紫外可见光分光光度计测定，硝酸盐及亚硝酸盐采用离子色谱仪(ICS－90)测定，溶解性总固体(TDS)采用质量法测定。

1.3数据分析

通过IlluminaMiseq测序平台对采集的水样进行细菌多样性检测，采用Vsearch软件，根据序列的相似性，以97%的序列相似度进行可操作性分类单元(OTUs)划分，获得OTUs数量。根据OTUs的数量、韦恩图以及α－多样性指数进行生物多样性分析，采用不同水平细菌群落结构柱状图进行细菌群落结构分析。

2结果与分析

2.1细菌群落多样性

通过Miseq高通量测序，对西乡河8个样点底泥97%的高质量序列相似度进行OTUs划分，共取得18470条OTUs，所有样点底泥的OTUs数量最高为2726条，最低为1967条。所有样本文库的覆盖度为92．72%～97．74%，说明测序能够深度揭示西乡河河道底泥中微生物群落的真实情况。由Chao1多样性指数显示，上游XN1、补水点XN2样点及河道下游感潮河段的Chao1指数较低，说明下游底泥中微生物丰度较低;XN4、XN5、XN6样点的Chao1指数较高，表明底泥中微生物丰度较好。另外，底泥样品的Simpson指数在0.80～0.90之间，其中XN4、XN5和XN6样点Simpson指数值较高，说明这3处河道底泥具有相对较丰富的群落结构。由Shannon细菌群落多样性指数可知:西乡河河道8个底泥样品中的Shannon指数变化范围较大，XN1样品Shannon指数最低，为4.67，说明XN1处的细菌多样性最低;除此之外，在入珠江口的2个点(XN7和XN8)底泥Shannon指数也较小，分别为5.33和5.42，且数值相差较小，说明珠江口处细菌的多样性存在较小的差异。

2.2细菌群落与关键环境因子相关性分析

基于河流水体菌属及水质数据，对菌属与水体理化数据进行主成分分析(PCA)及Spearman相关性分析，探究再生水补水对河流水体细菌的环境影响，绝大多数菌属解释显示在PC1轴上，PC1轴解释总变异的83．7%，PC2轴解释总变异的13.6%。采样点T8与其他采样点的细菌群落为互异点，主要原因是T8受感潮影响较大，采样点T4、T5、T6细菌群落具有较高相似度，采样点T1、T2细菌群落结构也具有较高相似度。水体理化性质与细菌群落有较大关联，采样点T4、T5、T6红细菌属和采样点T8陶厄氏菌属与无机氮含量具有显著相关性，这两种菌属均属于反硝化细菌，对降低无机氮含量有一定促进作用;pH值、TDS、TOC是采样点T7细菌群落的主要影响因子。

3讨论

3.1再生水补水对河流水体细菌多样性的影响

细菌菌群种类和数量与水体水质直接相关。引再生水补水河段水体有机物含量大幅增加，无机离子相对减少，水体环境变化较大，细菌菌群种类及其群落结构在空间上具有明显差异。根据多样性分析结果，补水口处采样点T1、T6、T7、T8的Chao1指数、辛普森指数、香农多样性指数较大。随着离补水口距离越来越远，再生水对水体细菌多样性的影响减小。另外，细菌群落结构中的优势菌属及主要菌属与再生水水质密切相关，在再生水作用下补水口处具有较高的克隆文库覆盖度和较丰富的细菌群落结构，说明再生水对补水口处细菌群落结构的影响极为显著，与细菌多样性指数计算结果一致。由于再生水中的碳、氮、磷、有机质等营养物质可以促进水体中细菌的生长和繁殖，因此再生水中的无机元素和有机质是补水口处细菌多样性、丰富细菌群落结构产生的直接原因。沿着水流方向，采样点T2～T5细菌多样性和相对丰度呈下降趋势，下游(T6～T8)细菌多样性和相对丰度相对上游增大，其主要受补水水质和珠江口处潮水顶托影响。受潮水顶托影响，珠江水倒灌入河，大量底泥及珠江水中的悬浮物进入河流，导致河流水体TDS急剧升高，进而提高了水体中细菌多样性和相对丰度。

3.2再生水补水对河流水体细菌的环境影响

细菌群落结构的变化是碳、氮、磷和有机物等物质自然循环转化的结果，并在物质降解过程中发挥着重要作用。营养物质在环境中的迁移、转化致使细菌群落结构在时空上存在显著差异。再生水中含有多种形态的氮素，这对补水口处植物根际的硝化、反硝化和氨化过程具有促进作用。补水口处占克隆文库21.3%的红细菌属和陶厄氏菌属克隆与水环境中氮素有关，这两种NIRs型反硝化细菌对补水口处硝酸盐的降解起重要作用。氮素通过生物固氮作用(植物根际固氮)进入生物圈，并由反硝化作用重新回到大气中，实现氮素循环。

结束语

河流水体中优势菌属及主要菌属与再生水水质密切相关，再生水中碳、氮、磷和有机物含量高导致补水口细菌类群显著增多，是补水口细菌具有丰富群落结构的直接原因。

参考文献

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