劉幸春，王洪杰，王亞利，王英俊，劉玲,#

1. 河北大學(xué)雄安生態(tài)環(huán)境研究院，保定 071002 2. 河北大學(xué)生命科學(xué)與綠色發(fā)展研究院，保定 071002 3. 河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，保定 071002 4. 河北雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境局，雄安新區(qū) 071000

城市河流水體、沉積物理化性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)組分(氮、磷和有機(jī)碳等)受人類(lèi)活動(dòng)廢物排放的影響而發(fā)生變化[1]。沉積物是河流生態(tài)系統(tǒng)中污染物質(zhì)重要的“源”和“匯”，上覆水水質(zhì)變化或環(huán)境擾動(dòng)會(huì)影響沉積物中污染物的富集或釋放，進(jìn)而改變河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微生物是維持河流生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵，對(duì)河流營(yíng)養(yǎng)組分碳、氮和磷的遷移轉(zhuǎn)化以及污染物降解有一定作用，但是微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)極易受到河流環(huán)境變化的影響[2-5]，因此，通過(guò)研究河流微生物特征可以為解析微生物生態(tài)功能和評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況提供基礎(chǔ)信息。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高通量測(cè)序技術(shù)在微生物的群落結(jié)構(gòu)特征研究方面得到了廣泛的應(yīng)用[6]，已有許多學(xué)者分析了濕地、湖泊、水庫(kù)、河流和海洋等環(huán)境中的微生物群落結(jié)構(gòu)變化[7-10]。河流接納不同類(lèi)型的排放廢水(如生活污水、農(nóng)業(yè)廢水和工業(yè)尾水等)，造成河流水質(zhì)空間分布條件變化，進(jìn)而影響河流微生物群落結(jié)構(gòu)[11]。研究表明，河流微生物優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)為變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、藍(lán)藻門(mén)和厚壁菌門(mén)[12]。水體氮污染嚴(yán)重且碳氮比(C/N)較低的條件下，芽孢桿菌、反硝化細(xì)菌等微生物的豐度下降[13-15]；此外，劉睿等[16]研究發(fā)現(xiàn)渭河枯水期中游水體中的微生物由于受到總懸浮固體(TSS)、總磷(TP)、C/N的影響，微生物多樣性下降。除了氮、磷和有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之外，重金屬也可能對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生影響，研究發(fā)現(xiàn)柘皋河重金屬Cu和Cd濃度比南淝河低，而細(xì)菌群落多樣性相對(duì)較高[17]，江玉梅等[18]探討鄱陽(yáng)湖四大河流河口重金屬對(duì)底泥微生物群落的影響時(shí)得出，重金屬Cu和Cd和門(mén)、屬水平微生物顯著相關(guān)，且變形菌門(mén)(Proteobacteria)對(duì)這2種重金屬的耐受性最強(qiáng)。也有研究表明，沉積物微生物群落和重金屬?zèng)]有關(guān)系，只受到物理指標(biāo)(pH、溫度等)的影響[19-20]，袁瑞強(qiáng)等[21]得出引水更容易導(dǎo)致河流沉積物中硫桿菌屬(Thiobacillus)、芽孢桿菌(Bacillus)和乳球菌(Lactococcus)的變化，并且引起這種變化的主要因素是有機(jī)質(zhì)、總氮和總鉀含量。

保定府河作為白洋淀關(guān)鍵入淀河流之一，干流河長(zhǎng)47.1 km，最后在建昌匯入白洋淀西側(cè)的藻苲淀，其水質(zhì)好壞直接影響白洋淀水生態(tài)環(huán)境。近些年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)生產(chǎn)擴(kuò)大，人口膨脹，農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水增加，府河接收自然雨水之外的廢水類(lèi)型不斷變化，因此在河流不同空間區(qū)域內(nèi)具有不同微生物群落，以維持其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。對(duì)府河的研究主要包括水質(zhì)評(píng)價(jià)、有毒有機(jī)污染物的篩查、污染源分析、重金屬污染分析及潛在污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等，陳杰[22]研究發(fā)現(xiàn)，影響府河水質(zhì)的環(huán)境因子主要為化學(xué)需氧量(COD)、TN和氨氮(NH3-N)，水質(zhì)達(dá)到劣五類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)；胡國(guó)成等[23]發(fā)現(xiàn)保定府河沉積物受到重金屬Zn、Pb、Cu和Cd的影響較大，主要是由于生活污水、沿河金屬冶煉以及工業(yè)廢水導(dǎo)致。目前，針對(duì)府河微生物優(yōu)勢(shì)種群以及影響微生物群落變化主要環(huán)境因子有待深入研究。

探索微生物群落結(jié)構(gòu)特征不僅有助于了解府河污染程度和預(yù)測(cè)河流生態(tài)系統(tǒng)變化，而且在發(fā)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)功能微生物方面有重要作用。本研究對(duì)夏季(7月)府河上、下游水體、沉積物理化性質(zhì)、微生物空間分布及影響微生物種群的主要環(huán)境因子進(jìn)行分析，為府河環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)提供微生物方面的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)深入開(kāi)展白洋淀流域入淀河流微生物群落多樣性的研究具有借鑒意義。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 采樣點(diǎn)分布與樣品采集

根據(jù)府河自身特點(diǎn)、支流匯入點(diǎn)及收納污水的特點(diǎn)，沿府河上、下游依次選取16個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行對(duì)比分析，其中上游設(shè)F1～F9共9個(gè)采樣點(diǎn)，下游設(shè)F10～F16共7個(gè)樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)F1、F6和F7為自然河道-府河交叉口，主要接納污水處理廠排水，F(xiàn)6為黃花溝匯入府河交叉點(diǎn)，承接魯崗和銀定莊污水處理廠排水，F(xiàn)7為金線河匯入府河交叉點(diǎn)，承接清苑區(qū)污水處理廠排水；F2、F4、F5和F9分別為城市和農(nóng)村排污口；F10為入新區(qū)點(diǎn)位；F11和F12點(diǎn)位主要接納農(nóng)田廢水；F15和F16分別位于白洋淀大橋和入淀河流南劉莊，其他采樣點(diǎn)(F3焦莊、F8望亭、F13橋北、F14西向陽(yáng))為村莊河流。采樣點(diǎn)F1一畝泉河和F3焦莊很難收集到相應(yīng)的沉積物樣本，因此沉積物樣本有14個(gè)。各采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

水樣的采集：府河平均水深<5 m，使用有機(jī)玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣3 L，并在采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度、pH和溶解氧的測(cè)定，之后將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室存放置4 ℃冰箱，并在48 h內(nèi)完成預(yù)處理。沉積物的采集：用抓斗式采泥器采集0～20 cm的沉積物約2 kg，放入無(wú)菌聚乙烯自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，將樣品分為2個(gè)部分，一部分存放于4 ℃冰箱用于理化指標(biāo)分析，一部分存放于-20 ℃冰箱用于提取DNA[24]。

1.2 分析檢測(cè)方法

在采樣現(xiàn)場(chǎng)分別用便攜式溶解氧測(cè)定儀(上海雷磁，JPBJ-608)、便攜式pH計(jì)(上海雷磁，PHBJ-260F)測(cè)定水體溫度和pH；上覆水TN、NH3-N、COD和TP均采用紫外可見(jiàn)智能多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀(北京連華，LH-3BA)測(cè)定[25-26]，總有機(jī)碳(TOC)采用總有機(jī)碳分析儀(上海艾力蒙塔，vario TOC cube)測(cè)定。沉積物樣品經(jīng)過(guò)冷凍干燥后研磨過(guò)篩，用凱氏定氮儀(濟(jì)南海能，K1160)測(cè)定TN，用總有機(jī)碳分析儀(上海艾力蒙塔，vario TOC cube)測(cè)定有機(jī)碳；原子熒光光度計(jì)(北京博暉，RGF-6200)測(cè)定重金屬汞(Hg)和砷(As)[27]；用原子吸收分光光度計(jì)(北京普析，TAS-990)測(cè)定重金屬鉻(Cr)[28]、銅(Cu)、鋅(Zn)[29]、鉛(Pb)、鎘(Cd)[30]和鎳(Ni)[31]。所有樣本均經(jīng)過(guò)3次重復(fù)分析。

圖1 采樣點(diǎn)位分布圖Fig. 1 Distribution of sampling points

1.3 高通量測(cè)序分析

微生物高通量測(cè)序送檢之前，水樣經(jīng)過(guò)孔徑為0.22 μm的微孔濾膜過(guò)濾，濾膜和沉積物分別放入離心管中，存放在干冰中送測(cè)至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司。用E.Z.N.A.? Soil DNA Kit(Omega Bio-tek公司，美國(guó))土壤試劑盒對(duì)過(guò)濾后的濾膜和適量沉積物提取DNA，擴(kuò)增區(qū)域?yàn)榧?xì)菌的16S rDNA V4～V5區(qū)，引物為515F(5’-GTG CCA GCM GCC GCG G-3’)和907R(5’-CCG TCA ATT CMT TTR AGT TT-3’)，引物上會(huì)接上特異的barcode用于擴(kuò)增后序列歸類(lèi)分析，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerase chain reaction, PCR)產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收PCR產(chǎn)物，并使用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。高通量測(cè)序由Illumina Miseq PE300測(cè)序系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[32]。所有樣品序列進(jìn)行OTU劃分、多樣性分析和主坐標(biāo)分析(principal co-ordinates analysis, PCoA)，采用生態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件(CANOCO)對(duì)樣品97%相似性的樣品OTU數(shù)據(jù)與環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用R語(yǔ)言制作熱圖(heatmap)描述群落物種組成及物種的豐度信息。根據(jù)beta多樣性距離矩陣進(jìn)行層級(jí)聚類(lèi)(hierarchical clustering)分析，然后使用非加權(quán)組平均法聚類(lèi)分析(unweighted pair-group method with arithmetic mean, UPGMA)構(gòu)建樹(shù)狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同環(huán)境樣本中群落組成的相似或差異程度。而對(duì)不同樣本間的差異程度，則是通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)間的距離體現(xiàn)的，非度量多維尺度分析(non-metric multidimensional scaling, NMDS)獲得樣本的空間定位點(diǎn)圖。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行組間顯著差異性檢驗(yàn)，并且利用SPSS 24.0對(duì)微生物豐富度和多樣性與環(huán)境因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性進(jìn)行。利用R語(yǔ)言進(jìn)行方差分解分析(variance partitioning analysis, VPA)、冗余分析(redundancy analysis, RDA)及作圖，其他統(tǒng)計(jì)分析和作圖由Origin 2018完成。

2 結(jié)果(Results)

2.1 水體和沉積物的物理化學(xué)性質(zhì)分析

府河流域理化性質(zhì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，府河地表水呈弱堿性，pH在7.38～8.06之間(表1)；府河水體COD含量整體達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，但是上游點(diǎn)位COD含量顯著高于下游，其中府河橋(F4)COD含量達(dá)到(92.77±40.22) mg·L-1。TOC濃度在2.93～5.89 mg·L-1范圍之間，與COD結(jié)果一致，也是在F4府河橋點(diǎn)位(5.89±0.02) mg·L-1濃度最高。上游TP含量顯著高于下游，其中護(hù)城河支流(F2)嚴(yán)重超標(biāo)，TP含量高達(dá)(0.96±0.03) mg·L-1。上游NH3-N含量除F6為(1.76±0.06) mg·L-1，其余點(diǎn)位均為劣Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，各點(diǎn)位TN含量較高。

府河下游的沉積物理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果如表2所示，沉積物中TN含量整體較高，有機(jī)質(zhì)含量在21.58～42.83 g·kg-1范圍之間，F(xiàn)13橋北村點(diǎn)位有機(jī)質(zhì)含量顯著高于其他點(diǎn)位。與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)[33]規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，下游沉積物重金屬Cd、Cr和Ni含量在府河入新區(qū)段(F10)點(diǎn)位優(yōu)于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，其他點(diǎn)位優(yōu)于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，各點(diǎn)位As含量均優(yōu)于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而Pb含量均優(yōu)于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cu含量在F10點(diǎn)位優(yōu)于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，膳馬廟村北(F11)高于Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他點(diǎn)位屬于Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Zn在F11和李莊(F12)高于Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他點(diǎn)位均符合Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將重金屬含量均值與河北省土壤背景值[34]進(jìn)行比較，可得Cd、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn分別是河北土壤背景值的4.50倍、5.23倍、1.36倍、5.62倍、1.40倍和5.13倍。

2.2 水體和沉積物細(xì)菌群落多樣性和差異性分析

2.2.1 水體和沉積物細(xì)菌群落豐富度和多樣性

對(duì)府河地表水和沉積物樣本序列進(jìn)行OTU聚類(lèi)分析，并且按照最小樣本序列進(jìn)行抽平，府河地表水中共有3 270個(gè)OTU，沉積物中共有5 272個(gè)OTU。進(jìn)一步計(jì)算地表水和沉積物α多樣性指數(shù)，結(jié)果如表4所示，水體中Chao和Shannon指數(shù)在府河橋(F4)點(diǎn)位最高(分別為2 110.72和4.99)，細(xì)菌群落和物種有較高的多樣性，物種最豐富；Chao指數(shù)在橋北村(F13)斷面最低(866.26)，而望亭(F8)斷面Shannon指數(shù)最低(3.11)。此外，地表水微生物α多樣性指數(shù)與環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，豐富度Chao指數(shù)與pH顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.515，P<0.05)，與TOC(r=0.608，P<0.05)、COD(r=0.680，P<0.01)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與溫度(T)也存在正相關(guān)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)豐富度Chao指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)具有顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.748，P<0.01)。

沉積物所有樣品Coverage指數(shù)均>0.95，說(shuō)明本次測(cè)序結(jié)果可以真實(shí)反映沉積物樣品中微生物的真實(shí)情況。Chao指數(shù)最高值在新金線河支流(F7)點(diǎn)位(3 740.71)，在南劉莊(F16)(1 938.14)群落豐富度最低。Shannon指數(shù)最大值和最小值分別位于F2和F15(數(shù)值分別為6.62和5.38)。Pearson相關(guān)性分析得出Shannon多樣性指數(shù)與pH顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.771，P<0.05)，與Cu呈顯著正相關(guān)(r=0.786，P<0.01)，也得出豐富度Chao指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)具有顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.828，P<0.05)。

表1 府河水體理化指標(biāo)Table 1 Physical and chemical indexes of surface water in Fuhe River

表2 府河下游沉積物各項(xiàng)理化指標(biāo)Table 2 Physical and chemical indexes of the sediment in the downstream of Fuhe River

表3 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Standard value of soil environmental quality (mg·kg-1)

表4 水體和沉積物樣品在97%水平下的豐富度和多樣性指數(shù)Table 4 Richness and diversity index of water and sediment samples at 97% level

2.2.2 水體和沉積物細(xì)菌群落差異性分析

基于unweighted Unifrac采用PCoA分析衡量樣本間群落物種組成的差異性[35]，樣本點(diǎn)距離越近，群落結(jié)構(gòu)越相似，由圖2(a)可知，上下游水體和沉積物樣本分布在不同的位置，細(xì)菌群落組成存在顯著性差異(P<0.05)；對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行層級(jí)聚類(lèi)分析，結(jié)果(圖2(b))顯示水樣F1～F9聚為一類(lèi)、F10～F16聚為一類(lèi)，沉積物中聚類(lèi)雖然略有不同，但是在上游F1～F9和下游F10～F16之間也存在差異。

圖2 水體和沉積物的PCoA(a)及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)聚類(lèi)分析(b)注：S表示地表水；N表示沉積物。Fig. 2 PCoA analysis (a) and cluster analysis of bacterial community structure (b) of water and sedimentNote: S stands for surface water; N stands for sediment.

由圖2可知，水體細(xì)菌多樣性和豐富度與沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在一定相關(guān)性。水體中細(xì)菌群落多樣性越高，相應(yīng)的沉積物中也具有較高的微生物多樣性，但是沉積物微生物群落不一定影響水體微生物種群和群落多樣性。如，水樣F4中Chao和Shannon指數(shù)最高，相應(yīng)的F4沉積物中Chao和Shannon指數(shù)水平也較高。此外，結(jié)合表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉積物和水體中Chao和Shannon指數(shù)與上覆水水質(zhì)條件(COD、TN和TP等)成負(fù)相關(guān)，Chao和Shannon指數(shù)越高，水體的理化性質(zhì)越差，相反，這2個(gè)指數(shù)越低，水質(zhì)越好。

2.3 細(xì)菌群落組成分析

2.3.1 府河水體細(xì)菌群落組成

利用Miseq測(cè)序技術(shù)研究府河水體和沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，府河地表水樣品共檢出49個(gè)門(mén)，112個(gè)綱，294個(gè)目，493個(gè)科和970個(gè)屬。變形菌門(mén)(Proteobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、藍(lán)藻菌門(mén)(Cyanobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)和厚壁菌門(mén)(Firmicutes)是水樣中主要的菌門(mén)，約占總體的96.96%(圖3(a))。變形菌門(mén)是府河上覆水的第一優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，絕大位點(diǎn)豐度超過(guò)40.40%。但是在望亭(F8)、西向陽(yáng)村(F14)、新大橋斷面(F15)變形菌豐度最低，而藍(lán)藻菌門(mén)成為第一優(yōu)勢(shì)菌，其豐度分別為53.42%、35.85%和39.34%。在府河入新區(qū)段(F10)點(diǎn)位優(yōu)勢(shì)菌為擬桿菌門(mén)(48.07%)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)下游放線菌的豐度比上游高。

府河水樣中屬水平微生物結(jié)構(gòu)分布如圖3(b)所示，norank_f_norank_o_Chloroplast、黃桿菌屬(Flavobacterium)、unclassified_f_Burkholderiaceae、單胞菌屬(Arenimonas)、噬氫菌屬(Hydrogenophaga)、Limnohabitans和新鞘脂菌屬(Novosphingobium)是上覆水樣中主要的屬類(lèi)微生物，約占總體屬水平微生物的54.07%。一畝泉河支流(F1)、府河入新區(qū)段(F10)和膳馬廟村北(F11)點(diǎn)位的黃桿菌屬豐度顯著比其他點(diǎn)位高；上游unclassified_f_Burkholderiaceae、噬氫菌屬、Limnohabitans和新鞘脂菌屬比下游高。

2.3.2 府河沉積物細(xì)菌群落組成

府河沉積物微生物物種比水樣物種較多樣豐富，共檢出62個(gè)門(mén)，141個(gè)綱，358個(gè)目，601個(gè)科和1 155個(gè)屬。由圖4(a)可知，沉積物樣品中主要的門(mén)水平微生物為變形菌門(mén)(Proteobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)，約占總體微生物門(mén)類(lèi)的79.17%。府河沉積物微生物空間分布分析結(jié)果顯示，在整個(gè)府河水域變形菌門(mén)豐度在37.50%～56.63%之間，其中李莊(F12)豐度最高。此外，綠彎菌門(mén)是府河沉積物中第二優(yōu)勢(shì)菌。上游酸桿菌門(mén)和擬桿菌門(mén)豐度比下游高。

如圖4(b)所示，在屬水平上對(duì)府河沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沉積物優(yōu)勢(shì)菌屬占比較低，豐度相對(duì)較高的菌屬為norank_f_Steroidobacteraceae、硫桿菌屬(Thiobacillus)、norank_c_Subgroup_6、norank_f_Anaerolineaceae和硫堿螺旋菌屬(Thioalkalispira)，約占總體屬水平微生物的20.56%。其中，硫桿菌是自養(yǎng)反硝化菌，在上下游豐度分別為24.44%和53.21%。

圖3 府河水體門(mén)(a)和屬(b)水平細(xì)菌群落熱圖Fig. 3 Heatmap of bacterial community at phylum (a) and genus (b) level of Fuhe River surface water

圖4 府河沉積物門(mén)(a)和屬(b)水平細(xì)菌群落柱形圖Fig. 4 Columns of bacterial community at phylum (a) and genus (b) level of Fuhe River sediment

2.4 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系

2.4.1 府河水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

環(huán)境因子的變化對(duì)菌群產(chǎn)生一定的影響，不同菌屬受不同環(huán)境因子的影響程度不同。本研究對(duì)府河水體優(yōu)勢(shì)菌屬和環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(RDA)，進(jìn)一步探究水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。如圖5(a)所示，RDA分析分別解釋了45.94%和17.59%的水體細(xì)菌群落和環(huán)境因子的關(guān)系，共解釋了細(xì)菌屬水平63.53%的分布差異。環(huán)境因子對(duì)樣點(diǎn)細(xì)菌群落的影響程度，取決于樣點(diǎn)垂直投射于代表環(huán)境因子的射線之后離原點(diǎn)的距離，距離越遠(yuǎn)，影響程度越大。由圖5(a)可知，NH3-N、TN、TP和pH是影響府河水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主要環(huán)境因子，其中pH對(duì)F10點(diǎn)位的微生物影響程度最大，TN、NH3-N和TP對(duì)F3的微生物影響程度最大。典型細(xì)菌群落與環(huán)境因子分析發(fā)現(xiàn)，黃桿菌屬和單胞菌屬與pH呈正相關(guān)，與TN和NH3-N呈負(fù)相關(guān)。此外，研究發(fā)現(xiàn)府河水體中噬氫菌屬、新鞘脂菌屬與TN、NH3-N和TP成正相關(guān)。

2.4.2 府河沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系

對(duì)府河沉積物優(yōu)勢(shì)菌屬和環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析，重點(diǎn)研究下游沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與重金屬的相關(guān)性。沉積物RDA分析分別解釋了46.49%和28.40%的細(xì)菌群落和環(huán)境因子的關(guān)系，共解釋了微生物屬水平74.89%的分布差異(圖5(b))。結(jié)果顯示，pH、TN和Cd對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大。優(yōu)勢(shì)菌屬硫桿菌和norank_f_Anaerolineaceae與TN呈負(fù)相關(guān)，優(yōu)勢(shì)菌屬norank_c_Subgroup_6和pH呈正相關(guān)。

2.5 府河沉積物細(xì)菌群落主要功能類(lèi)群

分析了府河沉積物中硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌和甲烷氧化菌4種主要功能微生物在府河空間分布情況，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，府河下游沉積物中硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌豐度顯著高于上游。在府河上游主要的功能硝化菌是硝化螺旋菌綱(Nitrospira, 2.82%)，下游氧化NH3-N的功能硝化菌為硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae, 2.75%)和硝化螺旋菌綱(1.67%)。在整個(gè)府河流域硫桿菌屬是主要的反硝化菌，在府河上游其相對(duì)豐度比例大約為24.44%，而在下游F12和F15，硫桿菌屬相對(duì)豐度達(dá)到16.65%和17.71%。硫酸鹽還原菌中脫硫盒菌科(Desulfarculaceae)在各采樣點(diǎn)均有一定的豐度，而脫硫桿菌屬(Desulfobacterium)在府河上游豐度較高，脫硫桿菌科(Desulfobacteraceae)是下游主要的硫循環(huán)菌。甲基桿菌屬(Methylobacter)是府河沉積物中主要的甲烷氧化菌，在F2和F15甲基桿菌屬的相對(duì)豐度達(dá)到0.22%和0.16%。

3 討論(Discussion)

府河上游點(diǎn)位承接污水處理廠排水及生活污水，河流污水生物處理不理想，排放廢水中有機(jī)物質(zhì)含量較高，進(jìn)入府河之后導(dǎo)致上游點(diǎn)位COD和TOC含量升高。從整體結(jié)果可知，府河上游受生活污水及工業(yè)污水的影響，N、P污染嚴(yán)重，其中，位于排污口附近的F2護(hù)城河點(diǎn)位，受到附近3家中等規(guī)模醫(yī)院的生活污染和醫(yī)用廢水污染，其水質(zhì)最差；而下游各污染物含量較低，表明水體有一定的自凈能力。府河下游膳馬廟村北(F11)和李莊(F12)2個(gè)點(diǎn)位沉積物受到附近農(nóng)田化肥農(nóng)藥污染，重金屬含量較高，并且重金屬含量高于河北土壤背景值，表明府河沉積物存在Cd、Pb、Cu和Zn重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。

河流細(xì)菌多樣性在空間分布上存在一定的差異，眾多研究得出微生物多樣性受到溫度、pH和有機(jī)碳等的影響[36-37]，這與本研究結(jié)論一致。F4府河橋點(diǎn)位流經(jīng)城市，多年受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，水質(zhì)復(fù)雜多變，因而可能導(dǎo)致細(xì)菌豐度較高。望亭(F8)和橋北村(F13)斷面物種多樣性最低，可能是因?yàn)檫@2個(gè)點(diǎn)位存在特定菌類(lèi)的富集，限制其他物種的生長(zhǎng)，導(dǎo)致多樣性和豐富度偏低。沉積物護(hù)城河支流(F2)和新金線河支流(F7)點(diǎn)位相對(duì)于其他采樣點(diǎn)有較高的微生物豐富度和多樣性，其主要原因可能是這2個(gè)點(diǎn)位是護(hù)城河和新金線河支流匯入點(diǎn)，受到支流匯入的擾動(dòng)較大，導(dǎo)致此處微生物物種活性較高、群落結(jié)構(gòu)多樣。府河水體和沉積物群落差異性分析結(jié)果表明，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無(wú)論是水體還是沉積物在上下游均存在一定差異，有學(xué)者對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河流的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上下游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有明顯差異，接收生活污水的上游區(qū)域具有降解芳香族化合物的微生物屬，而受藻華影響的下游藍(lán)藻細(xì)菌豐度較高[36]，與本研究結(jié)果相符。并且在府河部分?jǐn)嗝?如F2、F4和F7等)水體污染嚴(yán)重，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，可能會(huì)導(dǎo)致不必要微生物的繁殖和生長(zhǎng)，影響水體自凈能力，進(jìn)而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。

已有研究表明，變形菌門(mén)、放線菌門(mén)和厚壁菌門(mén)是典型的淡水菌門(mén)[37]。府河優(yōu)勢(shì)菌存在一定的空間異質(zhì)性。藍(lán)藻菌具有固氮能力，對(duì)水體N循環(huán)起著重要作用，上游F8以及下游F14、F15點(diǎn)位氮磷含量較其他點(diǎn)位低，這可能與優(yōu)勢(shì)菌藍(lán)藻菌的作用有關(guān)。屬于擬桿菌的噬細(xì)胞菌的增多與水華的發(fā)生有關(guān)[38]，擬桿菌門(mén)的豐度和富營(yíng)養(yǎng)化可能有潛在的關(guān)系[39]。已知放線菌可以分解許多有機(jī)物，如芳香化合物、氰等毒性強(qiáng)的化合物，在污水及有機(jī)固體廢物的生物處理中有積極的作用，下游放線菌的豐度比上游高說(shuō)明在府河上游水體中難降解有機(jī)質(zhì)隨著水體流動(dòng)逐漸累積至下游。沉積物細(xì)菌屬水平物種多樣性更高，檢測(cè)出在分類(lèi)學(xué)譜系中沒(méi)有科學(xué)名稱的物種，Wang等[37]對(duì)贛江南充段、林海等[38]對(duì)媯水河進(jìn)行細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征研究時(shí)，也得出了相似結(jié)論。黃桿菌屬屬于擬桿菌門(mén)，是一類(lèi)廣泛存在于淡水水體中的優(yōu)勢(shì)菌[40]，并且可以降解藻類(lèi)有機(jī)物或生物聚合物。在上游豐度顯著較高的unclassified_f_Burkholderiaceae和Limnohabitans隸屬于伯克氏菌科，能降解有機(jī)農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯，新鞘脂菌屬可降解有機(jī)污染物和多環(huán)芳烴，特別在焦莊(F3)這幾種菌豐度最高，因?yàn)镕3點(diǎn)位附近有汽車(chē)配件園，沿岸有家庭式小作坊，受工業(yè)污染影響較大。

圖5 水體(a)和沉積物(b)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境因子的RDA分析Fig. 5 RDA analysis of bacterial community and environmental factors in water (a) and sediment (b)

圖6 沉積物細(xì)菌群落主要功能類(lèi)群注：(a)硝化細(xì)菌；(b)反硝化細(xì)菌；(c)硫酸鹽還原菌；(d)甲烷氧化菌。Fig. 6 Relative abundance of key functional groups of sediment bacterial communityNote: (a) Nitrifying bacteria; (b) Denitrifying bacteria; (c) Sulfate-reducing bacteria; (d) Methanotrophs bacteria.

變形菌門(mén)是所有點(diǎn)位沉積物樣品中的第一優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，與以往對(duì)河流、海洋沉積物微生物優(yōu)勢(shì)菌群研究結(jié)果一致[38,41]。F12變形菌豐度最高，而該點(diǎn)位Chao指數(shù)較低，可能與李莊河面較寬有關(guān)，水體流動(dòng)緩慢限制微生物遷移，使得此位點(diǎn)微生物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定而單純[38]。沉積物中第二優(yōu)勢(shì)菌綠彎菌的主要功能是以二氧化碳為碳源進(jìn)行光合作用產(chǎn)生能量[42]，但是由于在兼性厭氧條件下進(jìn)行光合作用而不產(chǎn)生氧氣，也不能進(jìn)行固氮[43]，因此，府河上游氮濃度比下游高，也可能和沉積物中綠彎菌門(mén)的豐度變化有關(guān)。上游城市段擬桿菌門(mén)的高豐度可能是居民區(qū)未經(jīng)處理的含有硝酸鹽、氨和糞便等污染物廢水造成的，因?yàn)閿M桿菌常在沉積物中表現(xiàn)出較高的豐度，并且該菌是一種致病菌，常見(jiàn)于人和動(dòng)物體內(nèi)[44]。沉積物屬水平上的硫桿菌可以從地下水和被污染的地表水中去除硝酸鹽，同時(shí)還可以修復(fù)硝酸鹽含量高的廢水，府河水體流速緩慢，為沉積物中反硝化菌提供較好的缺氧環(huán)境；norank_c_Subgroup_6隸屬于酸桿菌門(mén)，是一種嗜酸菌，府河上游pH比下游偏低，所以該菌在上游豐度(40.24%)高于下游豐度(21.91%)。

府河水體中NH3-N、TN、TP和pH是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。黃桿菌屬和單胞菌屬與pH呈正相關(guān)，與TN、NH3-N呈負(fù)相關(guān)。有研究表明，黃桿菌屬是淡水水體中具有反硝化能力的優(yōu)勢(shì)菌，對(duì)生存環(huán)境條件pH較為敏感[43]，盡管本研究府河水體pH變化差異小，但是在某些位點(diǎn)由于其pH波動(dòng)促進(jìn)了黃桿菌屬和單胞菌屬的活性。水體中噬氫菌屬、新鞘脂菌屬與TN、NH3-N和TP成正相關(guān)，NH3-N、TN和TP在不同程度上可以提高噬氫菌屬、新鞘脂菌屬的豐度，表明噬氫菌屬、新鞘脂菌屬對(duì)河流內(nèi)氮、磷等有機(jī)污染物變化具有較好的適應(yīng)性。劉峰等[7]發(fā)現(xiàn)汾河入黃河口水體微生物群落結(jié)構(gòu)的變化主要受pH和溶解氧(DO)的影響；也有研究表明，人為的氮素污染是影響密云水庫(kù)入庫(kù)河流水體微生物群落組成的主要因素[45]，與本研究結(jié)論一致。沉積物中pH、TN和Cd對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)影響較大，趙思穎等[46]得出pH、TN及TP對(duì)鄱陽(yáng)湖底泥微生物群落結(jié)構(gòu)有影響，且底泥中營(yíng)養(yǎng)成分和微生物多樣性呈正相關(guān)，也有研究報(bào)道，Cd、Cu和鄱陽(yáng)湖底泥變形菌門(mén)有顯著相關(guān)性，其中Cd和隸屬于變形菌門(mén)的5個(gè)有重金屬修復(fù)作用的屬呈正相關(guān)[18]，這進(jìn)一步支持了本研究的結(jié)果。優(yōu)勢(shì)菌屬硫桿菌和norank_f_Anaerolineaceae與TN呈負(fù)相關(guān)，硫桿菌主要參與反硝化過(guò)程，當(dāng)含氮高的廢水排入河流，氮素的去除率會(huì)提高，norank_f_Anaerolineaceae隸屬于綠彎菌門(mén)，綠彎菌門(mén)不能固氮。優(yōu)勢(shì)菌屬norank_c_Subgroup_6隸屬于酸桿菌，和pH呈正相關(guān)，這與酸桿菌是生長(zhǎng)緩慢的寡營(yíng)養(yǎng)菌、其豐度受pH影響大的研究結(jié)果相符[47]。

綜合分析，本研究揭示了府河水質(zhì)條件的變化極大影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，污染程度高的上游水體和沉積物中細(xì)菌群落豐富度高于下游，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水體細(xì)菌多樣性和豐富度與沉積物具有相關(guān)性。整個(gè)空間分布中變形菌是上覆水和沉積物中的第一優(yōu)勢(shì)菌，其中上覆水區(qū)域中擬桿菌門(mén)、藍(lán)藻菌門(mén)和放線菌門(mén)豐度也較高，而沉積物中除了變形菌，綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和擬桿菌門(mén)也是府河底泥細(xì)菌中優(yōu)勢(shì)菌；進(jìn)一步屬水平分析發(fā)現(xiàn)上覆水中黃桿菌和新鞘脂菌以及底泥中硫桿菌在整個(gè)細(xì)菌群落中相對(duì)豐度最高。此外，發(fā)現(xiàn)府河pH、NH3-N、TN和TP顯著影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，而沉積物pH、TN和Cd對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響最大。