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城市河流与沉积物的微生态特征:受那些环境因素影响?如何控制富营养化?


研究背景

众所周知,在河流生态系统的不同时空尺度上,微生物群落的组成分布是截然不同的。城市河流是一种主要受陆地环境影响的空间异质生态系统。含有有机和无机污染物的居民区污水显著改变了淡水的基本参数,比如PH、温度、溶解氧含量和透光性,从而将进一步重塑细菌群落结构。污水处理系统可以看作一个刺激微生物生长的富营养化环境,这些微生物可能在生理上适应这种环境。另外,污水也对河流造成微生物污染,它对细菌群落的多样性和功能具有关键性影响。在一定程度上,河流细菌群落的空间分布也与景观地形和水文相关。河谷宽度,水文连接和流速的变化可以直接影响水的停留时间和水稀释能力。这些因素与维持细菌在陆地或污水源和原始群落平衡过程有关,以及通过掠夺或竞争使群落趋于稳定,从而间接或直接影响微生物群落功能。因此,在河流的空间分布和微生物群落多样化的背景下,了解微生物群落对生态系统的健康和功能的监测至关重要。


研究目的

本研究的目标如下:

1. 研究城市河流沿线细菌群落的空间变化;

2. 揭示导致微生物群落动态变化的主要环境因素;

3. 确定微生物群落对城市排放的响应,以及水电站的建设在微生物组成和代谢功能等方面的影响。


研究方法

测序技术:Illumina MiSeq高通量测序平台

测序模式:微生物组细菌16S rRNA基因V4-V5区测序

实验对象:嘉陵江南充段上游至下游的地表水样本和沉积物样本

实验设计:从下列地点分别收集离岸10米地方的地表水样本:南充市上游(1W),水电站上游(2W),水电站下游(3W),排水口附近(4W),河的一个城市分支(5BW),城市河流的中流(6W),河的一个城市分支(7BW),南充市下游(8W)。在1、7、8离岸边1.5m深的相应位置水中采集沉积物,分别命名为1S、7BS和8S。每个样品取3个重复。

 

嘉陵江(南充段)的城市区域采样点的位置和分布。实心点代表河流的采样点,空心点表示沉积物的采样点。


研究结果

1、水样和沉积物的理化性质分析

所有水样温度范围为25.0~28.0°C,pH值范围为7.91~8.22。各样本水样NO3和NO2含量存在显著差异(P<0.05),支流5BW中的NO3和TP含量比主干河流中的高。取自住宅区污水的7BW中,NH4+和TP的浓度最高。这些元素的高浓度会导致淡水的富营养化,尤其是在7BW处,藻类过度繁殖和恶臭明显,观察到明显的富营养化现象。支流氨化污染样本7BS中,NH4+和TP含量显著高于主要河流中棕色样本1S和黑泥8S。地表水含量为2.07~10.04 mg/L,含量最低为7BW(市区分枝)。嘉陵江下游(8W)和城市支流(7BW)的地表水中DOC含量明显高于嘉陵江上游或中下游(P<0.05)。三种沉积物样品中DOC含量显著高于城市支流沉积物7BS(P<0.05)。上游1W的Zn和Cr浓度为2.78,比下游8W高2.79倍。铁含量在6W处最高。


2、细菌群落的多样性特征

首先利用实时定量PCR技术定量分析地表水和沉积物样品中细菌16S rRNA基因的空间丰度。嘉陵江水中细菌16S rRNA基因的拷贝数明显不同。水样和沉积物中细菌数量分别是2.07×1010~32.080×1010copies/L和3.15×107~5.24×109copies/g(干重)。细菌16S rRNA基因的拷贝数从上游7.99×1010 copies/L(1W)增加到下游32.8×1011 copies/L(8W),增加了4倍。水电厂下游样品(3W)的细菌含量比上游样品(1W、2W)高。细菌丰度最高的是7BW和7BS样品,丰度分别是1.15×1012 copies/L和5.66×1011 copies/g(干重),而最低丰度是5.84×107 copies/L的5BW样品。

本研究进一步利用Illumina MiSeq测序平台,在整体群落水平进行16S rRNA基因高通量测序,以描述在流动的河流中微生物群落多样性和物种组成相对比例的变化。从8个水样和3个沉积物样本中获得了477,597条高质量序列,平均读长约为392 bp。这些高质量序列在97%的序列相似性水平被聚类为31,588个OTU。地表水和沉积物样品各自检测到的OTU平均数为3122和2204个OTU。Chao 1多样性指数分析表明,两条支流(5BW和7BW)的细菌丰富度低于主干道河流样品,Shannon多样性指数也呈现相同趋势。Shannon多样性指数分析还发现,主干道河流样品的多样性指数值在7.34~7.89之间变化,河流上游的多样性最低(1W)。沉积物细菌群落的Shannon多样性指数显著高于对应的水样。


3、水样和沉积物中细菌群落结构和组成

在全部的水和沉积物样本中,占优势地位的细菌是Proteobacteria(51.2%)、Actinobacteria(16.4%)、Cyanobacteria(12.1%)和Bacteroidetes门(9.2%),共占细菌序列的88.9%。此外,AcidobacteriaFirmicutesChloroflexi门也相对较丰富,但样本间差异较大。Cyanobacteria是最丰富的门,在1W和2W中分别有34.0%和32.2%的序列。水通过水电站后,占主导地位的群体从Cyanobacteria变成了Proteobacteria门。在所有水样中,最主要的蛋白酶菌是Betaproteobacteria(高达61.8%),其次是AlphaproteobacteriaGammaproteobacteriaDeltaproteobacteria。城市地区的水样(3W至7BW)中,BetaproteobacteriaGammaproteobacteriaFlavobacteria的丰度相对较高,主要是因为BurkholderialesPseudomonadalesFlavobacteriales依次增加。4W样品中Firmicutes丰度显著高于其他水样,主要原因是Bacilli明显增加(P<0.05)。


(A)水样和沉积物样本中细菌在门水平的分类学组成和分布图;(B)细菌在纲水平的分类学组成和分布图;(C)古菌在属水平的分类学组成和分布图;(D)水样和沉积物样本在属水平的主成分分析图。PC1PC2对样本差异贡献率分别为45.08%17.06%


4、水样和沉积物样本中细菌群落的Metastats分析

本研究采用了metastats分析法对水样和沉积物样本进行了两两比较,发现了水样和沉积物样本分别有14个和19个门在上下游样本之间存在显著差异。虽然两个分支样本在门水平上群落结构非常相似,但是他们在属水平有175个存在显著差异(P<0.05)。Metastats检验鉴定了一些具有显著差异的细菌类群,如ProteobacteriaActinobacteriaCyanobacteriaBacteroidetes门,同时还观察到AcidovoraxActinetobacterAeribacillusAeromonas属的显著差异。 

门和属水平metastats分析

 

不同样品之间存在显著差异的门和属分析图


5、细菌代谢功能预测

利用PICRUSt分析,发现主要功能基因家族与细胞进程、代谢、人类疾病、环境信息处理、遗传信息处理和生物体系统相关。在第三等级代谢通路上被分成328个KEGG功能分类,其中包含与抗生素生物合成、氮、磷酸盐、硫、碳固定、异生物降解代谢相关的代谢基因和通路。在所有样品中,抗生素-内酰胺、四环素和链霉素的生物合成基因在上游水样(1W)中含量最高。两个支流样本(5BW和7BW)中,与氮代谢相关的基因数量最多,而与磷酸盐代谢相关的基因数量最少。与硫、碳固定代谢相关的基因数目相对稳定。作为多环芳烃生物降解的关键中间体,与苯甲酸酯和氨基苯甲酸生物降解相关的异生物质降解基因在所有样品中是最丰富的。城市支流(5BW、7BW)中萘降解菌的活性比嘉陵江中下游(4W、6W、8W)更高。

利用PICRUSt进行功能预测分析

 

6、水细菌群落与环境变量的多变量相关分析

6个与细菌群落组成显著相关的因素,能解释群落总体信息的77.5%。相比于其他因素,TP(P = 0.002)、Zn(P = 0.004)和NO3(P = 0.036)是对细菌群落组成最重要的影响因素。TP、NO3和Fe可以解释群落总体信息的63.0%(P<0.05)。只有25%的总细菌群落组成的变化与NO2、DO和DOC相关。NO3对古菌群落影响最大(P=0.008),解释了35%的差异。

 

基于细菌(A)和古菌(B)群落结构和理化因素的RDA冗余分析。


总结

本研究表明,由TP、NO3-、DO、金属(Fe,Zn)和水电站等组成的环境因素,对整体城市河流淡水和沉积物中的微生物群落的多样性和组成的影响巨大。同时,还发现在同一地区的支流和主干之间,细菌和古菌群落组成存在显著差异。水电站的建设导致上游蓝藻含量(32.2%)显著高于下游蓝藻(10.3%)。该研究表明,利用水、沉积物或生物膜对城市河流的微生态系统进行研究,对于了解微生物生态功能以及精确管理水质控制至关重要。同时,本研究也为其他城市河流的相关研究提供了典型的资料和数据支持,对拓展城市淡水微生物生态学的认识具有重要意义和贡献。


文章索引:

Lan Wang , Jing Zhang , Huilin Li , Hong Yang , Chao Peng , Zhengsong Peng and Lu Lu(2018).Shift in the microbial community composition of surface water and sediment along an urban river. Science of the Total Environment 627 (2018) 600–612.

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718302444

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