青岛市李村河再生水补水河段微生物群落多样性研究

作     者：邱超超 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔡言安

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：再生水 河流 水环境因子 微生物群落结构 群落结构与功能 

摘      要：微生物是河流生态系统中分布最广、种类最多的生物类群,在地球能量流动和物质循环过程中发挥着重要的作用,在河流生态系统中发挥着重要的意义。微生物的群落结构及多样性与生态系统的功能和健康息息相关,了解河道微生物群落结构对于维护河流生态,改善城市环境都有重要意义。再生水回补自然水体是实现区域水资源循环利用的高效途径,符合国家水资源利用发展规划。再生水水质与自然水体水质存在差异,特别再生水中残留有微量新兴污染物等具有潜在危害效应的物质,这种水质差异可能对自然水体原有微生物造成冲击,甚至破坏土著群落结构。本文以青岛市李村河再生水补水河道作为研究对象,考察分析了水质指标的季节性变化特征,基于16s RNA高通量测序技术对浮游细菌和沉积物细菌群落结构进行分析,比较各季节优势菌群,并分析其季节性差异和两者之间微生物群落结构差异;探究了微生物群落结构的主要影响因素,并使用FAPROTAX功能预测,对微生物群落的功能进行注释,主要结果如下:(1)水质监测结果显示,水质改善明显,补水后河段均符合地表水环境质量Ⅳ类水标准;水质存在明显季节性差异,夏季氨氮、总磷等浓度均高于其他季节,硝态氮在秋季的浓度最高,硫酸盐浓度则在春冬两季节最高;再生水补入导致硝态氮和氯化物的浓度呈现沿河道上升的空间特征,春季的总磷浓度、夏季的氨氮浓度以及冬季的COD浓度呈现出沿河道下降的特征,同时再生水补入可有效降低河道粪大肠杆菌菌群数,降低了致病微生物对人体健康的安全风险。主要影响水环境质量的环境因子为粪大肠杆菌、氨氮、总磷,需要警惕总氮和TP可能引起河道水体富营养化的风险。(2)所有样本共归类于59个门,1696个属。浮游细菌与沉积物细菌群落结构呈现明显差异,浮游细菌优势菌为Proteobacteria(变形杆菌门)、Actinobacteriota(放线杆菌)、Firmicutes(厚壁菌门)、Bacteroidota(拟杆菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门),沉积物细菌优势菌为厚壁菌门、绿弯菌门、放线菌门、Myxococcota(粘菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)以及Deinococcota(异常球菌门);浮游细菌主要优势菌属为Rhodococcus(红育菌属)、Glutamicibacter(谷氨酸杆菌属)、Brevundimonas(短波单胞菌属)、Bacillus(芽孢杆菌属)、Flavobacterium(黄杆菌属)等,沉积物细菌优势菌属为Romboutsia(罗氏菌属)、Clostridium＿sensu＿stricto＿13(梭菌科某属)、Clostridium＿sensu＿stricto＿1(梭菌科某属)、Sporacetigenium(生孢产醋杆状菌属)以及Fonticella。(3)浮游细菌受季节影响较大,沉积物细菌群落结构受季节影响较小;差异性分析结果显示,浮游细菌门水平主要优势菌均存在显著季节性差异,沉积物细菌则仅Desulfobacterota(脱硫菌门)、Planctomycetota(浮霉菌门)等非优势菌存在显著差异。再生水补入会对补水点附近浮游细菌群落结构产生影响,导致浮游细菌群落中甲基杆菌属等耐氯菌相关丰度增加,而对于沉积物细菌群落结构改变并不明显;同时,随着河流流动,浮游微生物结构会逐步恢复,聚类分析结果显示再生水在非雨季对浮游细菌的影响较大,在雨季时对浮游细菌群落的影响则较小。(4)相关性分析结果表明,浮游细菌群落结构主要受到水温、COD、以及总磷的影响。沉积物细菌群落结构受到河道水质的影响小于浮游细菌,COD与亚硝态氮以及氯化物等化学指标对于沉积物细菌群落的影响较大,而p H、DO、水温等物理性因素对沉积物细菌群落的影响则较小,引起微生物群落结构变化的主要驱动因素与再生水补水导致变化的环境因子存在不同,说明再生水补水导致的水质变化不是导致微生物群落结构变化的主要原因。(5)补给河段内沉积物与浮游细菌在生态系统中发挥的功能存在差异,浮游细菌的化能营养方式主要为有氧化学异养,沉积物细菌则以无氧的发酵为主;沉积物细菌中硫酸盐呼吸、铁呼吸、亚硫酸盐呼吸、硫磺呼吸等功能注释丰度均显著高于浮游细菌,且在沉积物中发现了浮游细菌中未发现的厌氧氨氧化功能注释,表明沉积物细菌在水生态系统中参与物质和能量循环的方式与浮游细菌存在区别。