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汾河太原段沉積物中細(xì)菌群落的分布特征

2023-04-29 03:38:29王倩甄志磊王春玲馬浩天孫鐿銘曹凱麗
水生態(tài)學(xué)雜志 2023年3期
關(guān)鍵詞:汾河沉積物重金屬

王倩 甄志磊 王春玲 馬浩天 孫鐿銘 曹凱麗

摘要:分析汾河太原段沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),探討細(xì)菌群落與典型環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系,豐富河流沉積物細(xì)菌群落資料,并為汾河太原段生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)提供依據(jù)。于2020年10月枯水期,在汾河入城口至清徐段布設(shè)11個(gè)采樣斷面,采集汾河太原段表層沉積物,共采集到10份樣本。采用Illumina高通量測(cè)序技術(shù)分析沉積物細(xì)菌豐度和群落結(jié)構(gòu),利用主成分分析(PCoA)、冗余分析(RDA)和相關(guān)性分析等方法探討沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分布特征以及主要影響因素。結(jié)果表明,10個(gè)斷面表層沉積物中5 422個(gè)細(xì)菌OTUs分屬于61門140綱346目580科1 073屬。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在斷面fh6、fh7、fh8、fh9、fh10、fh11 和fh4相似度較高,fh1和fh2斷面相似度較高,而fh3斷面與其他斷面差異顯著。除fh3,沉積物細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門均為變形桿菌門(Proteobacteria),次優(yōu)勢(shì)菌門為綠彎菌門(Chloroflexi),優(yōu)勢(shì)菌綱為γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)。Pearson相關(guān)性分析表明,TN、OM和Pb與OTUs、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)相關(guān)性顯著。TN、OM和Pb是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。RDA和Spearman分析表明,變形桿菌門(Proteobacteria)豐度與TN和OM呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與Pb和Ni呈正相關(guān)(P<0.05);綠彎菌門(Chloroflexi)與Cr呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與OTC和TC呈顯著正相關(guān)(P<0.01);放線菌門(Actinobacteria)與TN、OM和Cu呈負(fù)相關(guān)(P<0.05);厚壁菌門(Firmicutes)與pH呈負(fù)相關(guān),與TP呈正相關(guān)(P<0.05)。

關(guān)鍵詞:沉積物;細(xì)菌群落;重金屬;抗生素;汾河

中圖分類號(hào):Q938.8? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? 文章編號(hào):1674-3075(2023)03-0110-10

流經(jīng)城市的河水是城市水源重要的貢獻(xiàn)者(Othman et al,2012)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快,城市河流生態(tài)系統(tǒng)污染問題日益突出。沉積物是城市河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是該流域陸源污染物的“匯”,也是水體各種污染物的“源”和“匯”(于小彥等,2020)。工業(yè)區(qū)和居民區(qū)附近的河流是排放廢水的主要匯集地。這些廢水中含有大量的重金屬、抗生素、有機(jī)污染物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),改變了河水和沉積物的環(huán)境特性以及細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)(Wang et al,2018)。

沉積物中的細(xì)菌群落在調(diào)節(jié)生物地球化學(xué)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)(例如C、N、P)中發(fā)揮著重要作用,有助于恢復(fù)和維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的健康和平衡(王曉麗和其勒格爾,2020)。同時(shí),沿河水體的物理化學(xué)性質(zhì)的空間變化也會(huì)影響細(xì)菌群落的多樣性和群落結(jié)構(gòu)的變化(Ge et al,2020)。因此,細(xì)菌群落變化可以作為評(píng)價(jià)生態(tài)狀況的指標(biāo)。然而,對(duì)城市河流沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的空間分布仍缺乏深入了解。

汾河是山西省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水的主要水源,是三晉人民的母親河。汾河太原段生態(tài)環(huán)境的保護(hù)不僅對(duì)太原市人民生活品質(zhì)有著重要的意義,也對(duì)下游人民的用水安全具有重要的影響。目前,針對(duì)汾河太原段土壤重金屬(劉勇等,2008)、河水及沉積物中PFOS和PFOA(東口朋寬等,2013)、水華藻類(王捷等,2018)以及沉積物重金屬與酶活性(裴海光等,2022)展開了大量的研究。然而,汾河太原段沉積物中細(xì)菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)類型仍不明確,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境影響因子的關(guān)聯(lián)特征仍不清晰。本文分析了汾河太原段沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),進(jìn)一步探討了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與典型環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系,以期為汾河太原段生態(tài)健康狀況評(píng)價(jià)及豐富河流沉積物細(xì)菌群落資料提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?研究區(qū)概況與樣本收集

汾河位于山西境內(nèi),是黃河的第二大支流,總流域面積約39 000 km2。發(fā)源于山西寧武縣管涔山麓,由北向南貫穿太原市全境。汾河太原段從汾河水庫出水后由蘭村入太原城區(qū),于清徐縣韓武出境,全長(zhǎng)188 km。太原市降水的年際變化較大,全年約70%的降雨量集中在6-9月,平常少雨干旱。汾河在太原段由北至南布建了7條橡膠壩,蓄水深度為2.5~4.0 m,平均水深為3.25 m。根據(jù)1965-2003年水文控制斷面資料(謝洪等,2017),蘭村月均徑流量為10.5 m?/s。由于太原段河道加深、加寬,流速明顯減小。

枯水期水體、底泥污染物受自然界降水影響小,更能夠反映河水受外來污染的真實(shí)狀況(Li et al,2018)。本研究于2020年10月枯水期采集了汾河太原段表層沉積物樣本。根據(jù)對(duì)汾河入城口處至清徐段實(shí)地考察,從下游至上游共布設(shè)11個(gè)采樣斷面(圖1),編號(hào)分別為fh1~fh11(fh5樣品未能獲取)。其中,fh2斷面河道改向,不能獲取河心樣品,僅收集到岸邊沉積物樣品;fh1~fh4分別位于郊區(qū)段的溫南社村橋、二壩橋、迎賓橋和晉陽橋下,周圍以耕地和居民用地為主;fh6~fh11分別位于城區(qū)段的祥云橋、南中環(huán)橋、南內(nèi)環(huán)橋、迎澤橋、漪汾橋、勝利橋下,周圍廣泛分布城鄉(xiāng)居民用地,污染物主要以徑流的方式輸入。每個(gè)采樣斷面使用抓斗式采泥器(聚創(chuàng)華業(yè)儀器;JC-W-801)采集表層5 cm沉積物,在同一斷面采集3份樣品,混合均勻后裝入密封袋中于液氮罐中保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。一部分樣品進(jìn)行冷凍干燥后過100目篩,用于后續(xù)指標(biāo)的檢測(cè);另一部分用于細(xì)菌群落的檢測(cè)。

1.2? ?化學(xué)指標(biāo)分析

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后研磨,稱取0.1 g樣品于50 mL比色管中,加入25 mL堿性過硫酸鉀溶液,在0.15~0.16 MPa壓力下保持120~124 ℃的溫度30 min,自然冷卻后過濾,濾液定容到100 mL,測(cè)得總氮(TN)、總磷(TP)和有機(jī)質(zhì)(OM)。其中,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法進(jìn)行測(cè)量、總氮采用紫外分光光度法、總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定(陳肖剛等,2012);沉積物中的銅(Cu)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、和鎳(Ni)的濃度用電感耦合等離子體-質(zhì)譜儀(ICP/MS)進(jìn)行測(cè)定(Hua et al,2017)。重金屬的回收率在89%~110%,標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5%以內(nèi)。

1.3? ?抗生素分析

稱取樣品3.0 g于50 mL離心管中,加入15.0 mL 0.1 mol/L Na2EDTA-Mcllvaine緩沖溶液(pH=4.0),渦旋30 s,振蕩10 min,超聲20 min,8 000 r/min離心5 min。移取上清液至另一離心管中,重復(fù)提取2次,合并上清液。加入10 mL正己烷,振蕩5 min,10 000 r/min離心5 min,移取下層溶液備用。

Waters Oasis HLB固相萃取柱依次用6 mL甲醇、6 mL 0.1 mol/L Na2EDTA-Mcllvaine緩沖溶液(pH=4.0)活化,移取全部備用液過柱,控制流速≤3 mL/min,水10 mL淋洗,抽干。甲醇8 mL洗脫,收集洗脫液,于40℃下氮?dú)獯蹈?,加入流?dòng)相1.00 mL溶解殘余物,超聲2 min,混勻后過0.22 [μ]m濾頭,供液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀測(cè)定。

選取磺胺類磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺甲噁唑(SMX)、磺胺二甲嘧啶(SMZ)、磺胺間甲氧嘧啶(SMM)、磺胺喹噁啉(SQ),四環(huán)素類四環(huán)素(TC)、金霉素(CTC)、土霉素(OTC),和多西環(huán)素(DOX)共9種抗生素,采用高效液相色譜-質(zhì)譜儀(Agilent 1100)對(duì)沉積物中目標(biāo)抗生素含量進(jìn)行分析檢測(cè)。

1.4? ?沉積物污染評(píng)估

地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)最早由德國(guó)學(xué)者M(jìn)üller提出,是利用重金屬實(shí)測(cè)濃度值和背景值的關(guān)系確定重金屬污染程度的參數(shù),計(jì)算公式如下:

Igeo=log2(Cn/1.5Bn) ①

式中:Cn為沉積物樣品中元素實(shí)測(cè)濃度值;Bn為元素的區(qū)域背景值;系數(shù)1.5是考慮到成巖作用引起的背景值變化的校正因子。本研究中Igeo分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):Igeo≤0為無污染;0< Igeo≤1為輕度污染;1< Igeo≤2為輕度-中度污染;2< Igeo≤3為中度污染;3< Igeo≤4為中度-重度污染;4< Igeo≤5為重度污染;Igeo>5為極度污染。

1.5? ?DNA提取和測(cè)序

根據(jù)E.Z.N.A.?soil DNA kit(Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.)說明書進(jìn)行總DNA 抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的提取質(zhì)量,PCR擴(kuò)增及其高通量測(cè)序使用細(xì)菌引物338F(5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3)和806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3),擴(kuò)增程序如下:95℃ 預(yù)變性3 min,27個(gè)循環(huán)(95℃ 變性30 s,55℃ 退火30 s,72℃ 延伸 30 s),然后72℃ 穩(wěn)定延伸 10 min,最后在4℃ 進(jìn)行保存(PCR儀:ABI GeneAmp? 9700型)。每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)。將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后使用2%瓊脂糖凝膠回收,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences,Union City,CA,USA)進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,2% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并用QuantusTM Fluorometer (Promega,USA)對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。利用Illumina公司的Miseq PE300/NovaSeq PE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

使用FASTP軟件(v0.20.0)對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控,F(xiàn)LASH軟件(v1.2.7)進(jìn)行拼接。使用UPARSE軟件(v7.1)以97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行操作分類單元(Operational Taxonomic Units,OTUs)聚類并剔除嵌合體。利用RDP classifier(v2.2)對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)Silva 16S rRNA數(shù)據(jù)庫(v132),設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

1.6? ?數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用EXCEL 2021對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(沉積物理化性質(zhì)、重金屬含量、抗生素含量)進(jìn)行初步處理。使用SPASS 17對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。Mothur 軟件(v1.30.2)對(duì)97%相似度的操作分類單元(OTU)做多樣性指數(shù)分析(Shannon、Simpson、Chao、Ace)。Heatmap圖及主坐標(biāo)分析(PCoA)由R語言(V3.3.1)的“Vegan和“gplots”包完成。冗余分析(RDA)采用CANOCO 5.0軟件。繪圖采用Origin 9.0完成。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?細(xì)菌群落的空間分布

汾河太原段沉積物樣品的高通量序列數(shù)范圍為35 772~54 169,平均為44 984。總共觀察到5 422個(gè)OTUs,相似度為97%。每個(gè)樣本的最大和最小OTUs分別為2 713、2 068個(gè),平均為2 297個(gè)。所有樣本的覆蓋率值(>95%)表明測(cè)序深度足以識(shí)別沉積物中的大多數(shù)細(xì)菌多樣性。采用Shannon和Simpson多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)(Chao和Ace)等4個(gè)α多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)細(xì)菌群落的多樣性和豐富度。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)分別為5.82~6.88、0.0026~0.0125。Chao指數(shù)和Ace指數(shù)分別為3 026~3 240、3 089~3 597(表1)。進(jìn)一步分析樣本間在細(xì)菌群落物種組成上的差異性,基于weighted Unifrac的PCoA分析衡量樣本間細(xì)菌群落物種組成的相似度。結(jié)果表明,10個(gè)采樣斷面主要分布在2個(gè)不同的位置(圖2)。PC1是造成樣品差異性最大的主坐標(biāo)成分,解釋度為45.36%,其次為PC2,解釋度為25.23%,對(duì)物種分布的總解釋量為70.59%。在PC1和PC2維度上,將采樣點(diǎn)分為2組,汾河城市段fh6、fh7、fh8、fh9、fh10、fh11 和fh4斷面細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似度較高為一組,fh1、fh2斷面相似度較高為一組,而fh3斷面離其他斷面相對(duì)較遠(yuǎn)。

5 422個(gè)細(xì)菌OTUs被劃分為61門140綱580科。沉積物樣品中的優(yōu)勢(shì)門(相對(duì)豐度> 5%)為變形桿菌門(Proteobacteria,40.63%)、綠彎菌門(Chloroflexi,18.41%)、放線菌門(Actinobacteria,9.84%)、擬桿菌門(Bacteroidetes,7.49%)、酸桿菌門(Acidobacteria,6.46%)、厚壁菌門(Firmicutes,4.80%),占總序列的85%以上(圖3)。各優(yōu)勢(shì)門的相對(duì)豐度分別為23.89%~51.29%、11.14%~26.72%、6.65%~17.07%、4.34%~11.69%、3.86%~8.42%和1.71%~11.86%。其中,除fh3的優(yōu)勢(shì)菌門為Chloroflexi(26.72%),次優(yōu)勢(shì)菌門為Proteobacteria(23.89%)外,其他采樣斷面均以Proteobacteria為優(yōu)勢(shì)菌門。且城區(qū)段沉積物中Proteobacteria的相對(duì)豐度高于郊區(qū)段;而Bacteroidetes和Firmicutes在郊區(qū)段沉積物中相對(duì)豐度較高。

綱水平上,細(xì)菌優(yōu)勢(shì)分類群(相對(duì)豐度> 5%)為γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、厭氧繩菌綱(Anaerolineae)、放線菌綱(Actinobacteria)、δ-變形桿菌綱(Deltaproteobacteria)、擬桿菌綱(Bacteroidia)、梭菌綱(Clostridia)、α-變形桿菌綱(Alphaproteobacteria)和KD4-96(圖3)。其中,只有fh3斷面的優(yōu)勢(shì)菌綱是Actinobacteria,其他采樣斷面均以Gammaproteobacteria為優(yōu)勢(shì)菌綱。城區(qū)段沉積物中Gammaproteobacteria相對(duì)豐度高于郊區(qū)段,而郊區(qū)段沉積物中Bacteroidia、Clostridia和Alphaproteobacteria相對(duì)豐度明顯高于城區(qū)段。

在科水平上,檢測(cè)到25組優(yōu)勢(shì)菌科(相對(duì)豐度> 2%),占總序列的37.29%~61.92%(圖3)。結(jié)果表明,25個(gè)細(xì)菌科中有12個(gè)為分類數(shù)據(jù)庫中的中級(jí)水平,由norank命名,推斷出有許多未知細(xì)菌分布于汾河的沉積物中。其中,嗜氫菌科(Hydrogenophilaceae)的檢出率較高,相對(duì)豐度為1.29%~14.30%,且城區(qū)段相對(duì)豐度明顯高于郊區(qū)段。其次是厭氧繩菌科(Anaerolineaceae,2.28%~11.82%)和紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae,1.50%~6.01%)。

2.2? ?沉積物中重金屬含量

汾河太原段沉積物重金屬濃度在不同采樣斷面的濃度差異明顯(圖4),重金屬總體含量呈現(xiàn)出城區(qū)段高于郊區(qū)段,fh3斷面濃度最低。

Cu、Zn、Pb、Cr、Ni的分布濃度分別為16.9~56.8、72.3~233.6、20.3~39.6、50.0~177.7、20.7~49.6 mg/kg。Cu在郊區(qū)段fh4斷面達(dá)到最大值,Zn和Pb的含量在城區(qū)段fh8斷面達(dá)到最大值,Cr和Ni分別在城區(qū)段入城口處fh11和fh10斷面達(dá)到最大值。平均濃度大小順序:Zn > Cr > Ni > Cu > Pb,5種重金屬的平均濃度均高于山西土壤背景值(史崇文等,1996)、中國(guó)水系沉積物背景值(鄢明才等,1995)和黃河水系沉積物背景值(洪松等,2006)。其中,Zn的平均濃度比中國(guó)水系沉積物背景值高2倍,Cr高出1.6倍(表2)。

汾河太原段沉積物中重金屬的地質(zhì)累積指數(shù)見表3。結(jié)果表明該地區(qū)沉積物均處于重金屬元素污染狀態(tài),城區(qū)段的fh6和fh11斷面受到Zn和Cr的輕-中度污染。

2.3? ?沉積物中抗生素的豐度和分布

汾河太原段沉積物中只在fh1、fh3、fh4、fh6和fh7 5個(gè)采樣斷面檢測(cè)出目標(biāo)抗生素,其余5個(gè)采樣斷面均未測(cè)出(圖5)。9種目標(biāo)抗生素在沉積物中只檢測(cè)到OTC、TC和SDZ,其中OTC和TC是沉積物中的主要抗生素??股乜倽舛确植挤秶鸀?~16.65 μg/kg,平均濃度為3.38 μg/kg。其中四環(huán)素類抗生素總濃度范圍為0~17.86 μg/kg,磺胺類抗生素總濃度范圍為0~0.0623 μg/kg。檢出的3種抗生素的平均濃度范圍為0.0062~2.778 μg/kg,檢出率范圍為10%~50%。沉積物中平均濃度最高的抗生素為OTC,且檢出率為50%。

2.4? ?細(xì)菌群落與環(huán)境因子的相關(guān)性

沉積物pH值為7.49~8.48,TN、TP和OM含量分別為0.55~3.37、0.53~0.90和12.23~76.08 g/kg(表1)。理化指標(biāo)、重金屬和抗生素與細(xì)菌群落多樣性之間的關(guān)系見表4。Pearson相關(guān)性結(jié)果表明,OTUs與TN、OM、Pb和Ni呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)。Shannon與TN、OM和Pb呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。Simpson與TN和OM呈顯著正相關(guān)(P<0.01),與Pb正相關(guān)(P<0.05)。其中TN、OM和Pb是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。汾河太原段沉積物理化指標(biāo)、重金屬和抗生素與門水平特定細(xì)菌豐度存在一定相關(guān)性(圖6A)。TN和OM是與沉積物門水平細(xì)菌種類相關(guān)性最高的2種因子。TN和OM含量與門水平最豐富的Proteobacteria豐度呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。

基于細(xì)菌群落與理化指標(biāo)的RDA分析(圖6B),Proteobacteria與TN和OM呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。Actinobacteria與TN和OM呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)。Firmicutes與pH呈負(fù)相關(guān),與TP呈正相關(guān)(P<0.05)。細(xì)菌群落與重金屬RDA分析中(圖6C),Proteobacteria與Pb和Ni呈正相關(guān)(P<0.05)。Chloroflexi與Cr呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),Actinobacteria與Cu呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)。細(xì)菌群落與抗生素RDA分析表明(圖6D),Chloroflexi與OTC和TC呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。

3? ?討論

3.1? ?沉積物中重金屬和抗生素的富集

隨著人類活動(dòng)對(duì)河流水質(zhì)環(huán)境的持續(xù)影響,沉積到河流沉積物中的環(huán)境污染物日益增多。據(jù)統(tǒng)計(jì),河流中99%以上的重金屬以多種形式沉積到沉積物中(Peng et al,2009)。因此,汾河太原段沉積物中重金屬的富集反映了整個(gè)太原市重金屬的來源和地位。在汾河太原段沉積物中,重金屬總體含量為城區(qū)段高于郊區(qū)段。Zn、Cr、Pb、Cu和Ni均處于污染狀態(tài),其中Zn和Cr部分樣點(diǎn)受到輕度-中度污染。Zn的平均濃度比中國(guó)水系沉積物背景值高2倍,Cr次之高1.6倍,表明存在大量外源輸入。這種現(xiàn)象可能是由于本研究采樣位置靠近交通干線,交通流量大,尾氣排放中含有大量Pb,汽車輪胎硬度添加劑、抗氧化劑和潤(rùn)滑油洗滌劑中含有Zn(李偉迪等,2019)。這些粉塵可經(jīng)大氣沉降作用對(duì)城市河流造成影響。汾河上游的太原北郊工業(yè)生產(chǎn)及城市污水排放導(dǎo)致汾河表層沉積物中Cr含量較高(郭掌珍等,2013)?;粞┢迹?017)發(fā)現(xiàn)整個(gè)汾河流域Cr、Cu、Cd和Pb污染較為嚴(yán)重,其中汾河水庫Zn污染最為嚴(yán)重;Cu污染最為嚴(yán)重的地方為汾河二庫和平遙鐵橋;靈石南關(guān)Cd污染最為嚴(yán)重;甘亭Hg污染最為嚴(yán)重。楊國(guó)義等(2010)所研究的汾河太原段及市區(qū)內(nèi)部分支流中重金屬都處于中等以上污染水平,且Pb>Cr>Cu>Ni;其中,Cu處于較高的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),Pb、Cr和 Ni處于中、低潛在風(fēng)險(xiǎn);污染最嚴(yán)重的是勝利橋和澗河。

河流是抗生素在環(huán)境中的重要?dú)w宿,抗生素可通過污水排放以及地表徑流沖刷等途徑進(jìn)入水環(huán)境(Si et al,2018),水環(huán)境中的沉積物是抗生素和抗生素抗性基因(ARGs)繁殖和遷移轉(zhuǎn)化的理想場(chǎng)所和主要載體(Yang et al,2018)。本研究中OTC和TC是汾河太原段沉積物中主要的抗生素。研究表明,河流中OTC和TC的濃度高于其他TCs抗生素(Liu et al,2018),這是由于四環(huán)素類抗生素可被懸浮顆粒和沉積物強(qiáng)烈吸附(Qiao et al,2018),且在沉積物中具有高消耗和持久性。沉積物中抗生素濃度隨水流方向逐漸升高(fh2未檢測(cè)到目標(biāo)抗生素是由于汾河人為改道,沒有獲取河流中心樣品)。這與廣州市城市河流沉積物中抗生素變化趨勢(shì)一致(Huang et al,2019)。然而,fh4采樣斷面OTC突增,可能是該處含有OTC抗生素的未知污染源排入。總體上,汾河沉積物中的抗生素污染水平相對(duì)較低。

3.2? ?環(huán)境因子對(duì)沉積物中細(xì)菌群落的影響

河流沉積物中的細(xì)菌群落是大多數(shù)河流生態(tài)系統(tǒng)中代謝活動(dòng)的主要承擔(dān)者(Aljerf & Almasri,2018),在物質(zhì)循環(huán)和能量運(yùn)輸中發(fā)揮著關(guān)鍵作用(Ibekwe et al,2016),同時(shí)反映了不同的生態(tài)功能,是衡量水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一(Reed et al,2013)。細(xì)菌群落可作為潛在的生物指示劑,通過相關(guān)性分析監(jiān)測(cè)河流沉積物中的環(huán)境污染物(Kaestli et al,2017)。本研究對(duì)汾河太原段沉積物中的細(xì)菌群落進(jìn)行了表征,并探討了它們與理化指標(biāo)、重金屬和抗生素等富集的關(guān)系。沉積物中最豐富的門是Proteobacteria,其次是Chloroflexi、Actinobacteria、Bacteroidetes、Acidobacteria和Firmicutes。在汾河入黃口的水體中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果(劉峰等,2019)。Proteobacteria是淡水沉積物中常見的革蘭氏陰性菌的代謝多樣性類群(Chen et al,2018),在河流沉積物中普遍存在(Song et al,2012)。除fh3斷面,沉積物細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門均為Proteobacteria,次優(yōu)勢(shì)菌門為Chloroflexi,優(yōu)勢(shì)菌綱為Gammaproteobacteria(圖3)。污水排放可導(dǎo)致河流沉積物Chloroflexi、Firmicutes和Acidobacteria增加,而Gammaproteobacteria降低(Marti & Balcázar,2014)。這指示了fh3斷面有不同的細(xì)菌群落形態(tài),與圖2的PcoA分析一致。主要原因?yàn)閒h3斷面為新拓寬河道,河道底泥沉積較少,有機(jī)質(zhì)和重金屬含量相對(duì)較低。

細(xì)菌群落的協(xié)同選擇機(jī)制與重金屬富集之間的顯著關(guān)系已得到證實(shí)(Ohore et al,2019)。其次,河流沉積物中的抗生素也與細(xì)菌群落存在顯著相關(guān)(Deng et al,2020)。在本研究中,TN、OM、Pb與OTUs和細(xì)菌群落多樣性指數(shù)(Shannon、Simpson)有顯著的相關(guān)性,Ni與OTUs有一定的相關(guān)性(表4)。其中TN、OM和Pb是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。重金屬的高富集導(dǎo)致細(xì)菌群落的低多樣性(Zhao et al,2014)。汾河城區(qū)段(fh6~fh11)的重金屬污染程度相對(duì)較高(圖4),導(dǎo)致城區(qū)段平均多樣性指數(shù)低(Shannon=6.05),fh6斷面最低(表1)。

從圖6B可知,TN、OM與Proteobacteria正相關(guān),與Actinobacteria負(fù)相關(guān),TN和OM是細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。研究表明, OM、TN、TP等環(huán)境因子對(duì)沉積物細(xì)菌分布影響顯著(王娜等,2012)。細(xì)菌主要利用有機(jī)質(zhì)作為碳源,細(xì)菌生物量與沉積物中的有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(Boudreau,1999),與氮也呈顯著正相關(guān)(Feng et al,2006),這與我們的研究結(jié)果一致。Gammaproteobacteria廣泛分布在貧營(yíng)養(yǎng)和富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中,酸堿度和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可獲得性可以調(diào)節(jié)它們的豐度(Shapovalova et al,2008),同時(shí)對(duì)沉積物中硫化物的去除起著重要作用(Collado et al,2013)。河流環(huán)境中的大多數(shù)細(xì)菌的生態(tài)過程容易受到重金屬污染(Gans et al,2005),重金屬可以破壞單鏈和雙鏈,并改變生物體中的堿基(Ates et al,2004)。Ni和Pb與Proteobacteria正相關(guān),Cr和Chloroflexi負(fù)相關(guān),Cu和Actinobacteria負(fù)相關(guān)(圖6C)。雖然高濃度的重金屬降低了細(xì)菌群落的多樣性,但Proteobacteria能夠耐受高污染的環(huán)境,對(duì)Cu、Zn、Pb、Cd、Hg等重金屬污染有一定的耐受力,其中對(duì)Cu 的耐受力較強(qiáng)(Feris et al,2003)。此外,河流中抗生素殘留也可能改變細(xì)菌群落沿河流的分布。本研究中,抗生素OTC和TC與Chloroflexi正相關(guān)(圖6D)。Chloroflexi在抗生素廢水處理中對(duì)有機(jī)污染物的去除起著重要作用(Casas et al,2015),可以降解復(fù)雜的有機(jī)化合物(Chen et al,2014)。

不同河段沉積物細(xì)菌在門、綱、科水平上較明顯地反映了不同河段土地利用方式對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響(趙君等,2020)。在本研究中,城區(qū)段中Proteobacteria的平均豐度高于郊區(qū),而郊區(qū)段Bacteroidetes和Firmicutes相對(duì)豐度高于城區(qū)段。城區(qū)段城鄉(xiāng)居民用地占比較大,生活污水、雨水徑流等輸入的有機(jī)物、重金屬大于郊區(qū)段。另外,橡膠壩的布設(shè)使得城區(qū)段的重金屬和有機(jī)質(zhì)明顯高于郊區(qū),最終導(dǎo)致河道沉積物中細(xì)菌豐度有所差異。為了更好地了解單個(gè)環(huán)境變量(污染物和理化性質(zhì))的相對(duì)重要性,在今后進(jìn)一步的研究中將需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和微觀研究。

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(責(zé)任編輯? ?鄭金秀)

Distribution of the Bacterial Community in Sediments

of the Taiyuan Section of Fenhe River

WANG Qian, ZHEN Zhi‐lei, WANG Chun‐ling, MA Hao‐tian, SUN Yi‐ming, CAO Kai‐li

(College of Urban and Rural Construction, Shanxi Agricultural University, Jinzhong? ?030801, P.R. China)

Abstract:Fenhe River is the primary water source for industry, agriculture and domestic use in Shanxi Province. Conserving the ecological environment of the Taiyuan section of Fenhe River is significant not only for the quality life in Taiyuan city but also for protecting downstream water quality. In this study, we explored the bacterial community structure and its relationship with sediment environmental factors in the Taiyuan section of Fenhe River. In October 2020, sediment samples were collected at 11 transects of the river section (fh1-fh5 in the suburban area and fh6-fh11 in the urban area) for analysis of the bacterial community and determination of physiochemical parameters, heavy metals and antibiotics (no samples were obtained at site fh5). Illumina high-throughput sequencing technology was used to analyze bacterial abundance and community structure in surface sediments, and principal co-ordinates analysis (PCoA), redundancy analysis (RDA) and correlation analysis were applied to explore the distribution of the bacterial community and primary influencing factors. A total of 5 422 bacterial OTUs belonging to 1 073 genera, 580 families, 346 orders, 140 classes and 61 phyla were obtained in surface sediments of the 10 transects. Across the 10 transects the dominant phyla at all transects, except for fh3, was Proteobacteria (40.63%) and other prevalent phyla included Chloroflexi (18.41%), Actinobacteria (9.84%), Bacteroidetes (7.49%), Acidobacteria (6.46%) and Firmicutes (4.80%). The dominant class among the bacterial communities was Gammaproteobacteria. The Shannon, Simpson, Chao and Ace indices of bacterial diversity were in the respective ranges of 5.82-6.88, 0.0026-0.0125, 3 026-3 240 and 3 089-3 597. The similarity of bacterial community structure at sites fh6, fh7, fh8, fh9, fh10, fh11 and fh4 was high, clustering into one group, with fh1 and fh2 clustering into a second group, but there were significant differences in community structure between fh3 and the other transects. Pearson correlation analysis shows that total nitrogen (TN), organic matter (OM) and lead (Pb) were significantly correlated with the OTUs, and the Shannon and Simpson indices, indicating that they were the primary factors affecting bacterial community structure. Redundancy analysis and Spearman analysis show that Proteobacteria had a highly significantly positive correlation with TN and OM (P<0.01), and significant positive correlations with Pb and Ni (P<0.05); Chloroflexi was significantly negatively correlated with Cr (P<0.01) while significantly positively correlated with OTC and TC (P<0.01); Actinobacteria was negatively correlated with TN, OM and Cu (P<0.05). Firmicutes was negatively correlated with pH and positively correlated with TP (P<0.05). The results of this study provide data that will improve our understanding of the bacterial community distribution in the sediments of the Taiyuan section of Fenhe River and identified the environmental impact factors.

Key words:sediment; bacterial community; heavy metals; antibiotics; Fenhe River

收稿日期:2021-08-03? ? ? 修回日期:2023-01-11

基金項(xiàng)目:山西省高等學(xué)??萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2020L0143);山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金(2017YJ04)。

作者簡(jiǎn)介:王倩,1996年生,女,碩士,主要從事景觀生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: wangqianed@163.com

通信作者:甄志磊,男,副教授。E-mail: zhencheng@sxau.edu.cn

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