环境科学  2017, Vol. 38 Issue (2): 743-751   PDF    
再生水补水对河道底泥细菌群落组成与功能的影响
邸琰茗1,2 , 王广煊1,2 , 黄兴如1,2 , 郭逍宇1,2     
1. 首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048;
2. 北京市城市环境过程与数字模拟重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地, 北京 100048
摘要: 以北京市永定河麻峪湿地再生水补水河段河道底泥细菌群落为研究对象,联合限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术,16S rRNA基因克隆文库技术和实时荧光定量qPCR技术,分析再生水补水口上游、补水口及补水口下游这3个断面的细菌群落组成与功能特征差异,尝试解释再生水补水对河道底泥细菌群落组成和功能特征的影响.结果表明,再生水中高浓度的碳氮磷含量是导致补水口细菌群落多样性显著升高和群落组成最为丰富的直接原因,人工湿地对碳氮磷浓度有较高的去除效率,净化后底泥细菌群落逐步恢复,表现出上下游相似的细菌群落多样性和结构组成;补水口处细菌群落的优势类群是变形菌门中β-Proteobacteria和δ-Proteobacteria,亚优势类群是Planctomycetes和Actinobacteria,而ε-Proteobacteria、Chloroflexi、Spirochaetes是补水口处的独有类群;氮碳磷循环是再生水补水河道底泥主要的生物地化循环过程,克隆文库中补水口以毛单胞菌属(Comamonas sp.)为优势类群的45.9%的克隆子与氮循环相关,其相对丰度高于上下游(27.7%和23.4%),以溶杆菌属(Lysobacter sp.)为优势类群的17.9%的克隆子与碳循环密切相关,其相对丰度高于上下游(14.4%和12.9%);再生水中携带的痕量病原菌和抗生素等,在一定程度上改变了河道底泥细菌群落碳氮循环的转换方式,表现为补水口处固氮作用主要是红环菌属(Rhodocyclus sp.)通过光合作用实现,上下游以对植物具有促生作用的伯克氏菌属(Burkholderia sp.)为代表进行共生固氮.该研究结果为再生水补水河道人工湿地修复研究提供理论依据.
关键词: 再生水      城市河道      16S rRNA克隆文库      细菌组成      功能基因      T-RFLP     
Effect of Reclaimed Water on Bacterial Community Composition and Function in Urban River Sediment
DI Yan-ming1,2 , WANG Guang-xuan1,2 , HUANG Xing-ru1,2 , GUO Xiao-yu1,2     
1. College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China;
2. Urban Environmental Processes and Digital Modeling Laboratory, Beijing 100048, China
Abstract: In order to study the effect of reclaimed water on bacterial community composition and function in urban river sediment, the changes of bacteria community diversity, composition and function in Mayu wetland upon the supply of reclaimed water were investigated by a range of sophisticated procedures, including Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP), 16S rRNA clone library technology, and Real-time Quantitative PCR Detecting System (qPCR).The results showed that carbon, nitrogen and phosphorus were major factors driving the variation of bacterial diversity and community structure in river sediment, and the bacteria were gradually recovered after purification in downstream under the effect of artificial wetland. In addition, the bacterial community in reclaimed water outfall was mainly constituted by β-Proteobacteria, δ-Proteobacteria, Bacteroidales and Cyanobacteriain, and ε-Proteobacteria, Chloroflexi and Spirochaetes were unique groups. Besides, the major biological geochemical cycle was nitrogen, carbon and phosphorus cycle in river sediment, which was closely related to functional genes. There were about 45.9% of the clones related to nitrogen cycle in reclaimed water outfall, such as Comamonas sp., higher than those of upstream and downstream (27.7% and 23.4%), 17.9% of the clones were closely related to the carbon cycle, such as Lysobacter sp., higher than those of upstream and downstream (14.4% and 12.9%). Furthermore, the trace of pathogenic bacteria and antibiotics in reclaimed water also changed the transformation pattern participating in carbon and nitrogen cycle, for example, Rhodocyclus sp. conducted nitrogen fixation by photosynthesis in reclaimed water outfall, whereas Burkholderia sp. fixes nitrogen by ways of plants symbiotic nitrogen fixation in upstream and downstream. This research provides theoretical reference for studies on remediation of reclaimed water supplying river by artificial wetland.
Key words: reclaimed water      urban river      16S rRNA library      bacterial community      functional genes      T-RFLP     

在用水需求日益扩张的今天, 再生水作为一种稳定的补充水源, 在保障城市用水需求, 维持河湖景观等方面发挥重要作用.近年来, 有关再生水的研究已不断成为人们关注的热点[1, 2].许多研究证明, 再生水中富含的多形态氮素和大量有毒污染物,是影响补水口下游氮相关功能菌群相对丰度增加和敏感类群相对丰度减少的关键变异因素[3], 尤其是补水口较高浓度的氨氮使水体中氨氧化细菌在下游大量消耗溶解氧, 进而使参与氮生物地化循环相关的菌群在空间尺度上表现出较大的差异[4].人工湿地最早是模拟自然湿地的人工生态系统, 主要利用自然生态系统中的物理、化学和生物三重协同作用来实现对污水的净化[5, 6].城市人工湿地在有效去除碳、氮、磷、重金属氧化物、各种有机物质和病原体, 以及在减少水中生化需氧量BOD和总悬浮固体TSS含量方面发挥重要作用[7].目前, 城市人工湿地已逐渐被广泛用于城市湖泊与河流景观的水质改善中[8].

关于再生水补水对城市河道底泥细菌群落结构的研究已有相关报道.Wakelin等[9]通过16S rRNA基因克隆文库构建和qPCR相结合的方法分析了污水处理厂排污对澳大利亚Hanhndorf河道底泥固氮功能基因相对丰度的影响, 表明河道底泥中amoAnarGnifH基因相对丰度随补水口径向渐变过程呈现增加趋势;Baniulyte等[10]借助于T-RFLP和16S rRNA克隆文库相结合的方法分析了以碳, 氮为主要污染源的污水河道补水对美国芝加哥水域生态系统的影响, 结果表明污水作用下河道底泥Bacteriodetes类群相对丰度增加, Acidobacteria类群相对丰度减少, 与河道有机物降解呈现显著正相关关系;Liu等[11]研究结果同样表明污水排放显著增加了Bacteroidetes、Bacilli、Clostridia等类群的相对丰度, 而α-Proteobacteria相对丰度呈现下降趋势.

本课题组前期研究利用T-RFLP技术较好地解释了再生水补水对河道底泥细菌群落多样性的影响, 并解析导致微生物群落多样性空间变异的主要环境因子.关于再生水补水对城市河道底泥细菌群落组成及其功能特征研究仍未见相关报道.本研究联合T-RFLP技术和16S rRNA克隆文库技术对再生水补水河道底泥细菌群落多样性及结构组成进行解析, 采用实时荧光定量qPCR技术探讨再生水补水口及上下游底泥细菌群落功能特征差异, 阐明再生水补水对河道底泥微生物群落生物地化循环过程的影响, 以期为构建高效的湿地净化系统, 改善和维护生态平衡提供科学参考.

1 材料与方法 1.1 区域概况

研究区位于欧亚大陆东部中纬度地带, 东部湿润区和西部干旱区之间, 大陆性气候显著.区域平均年降雨量约为556~560 mm, 降雨多集中在6~9月, 全年平均日照2 470 h, 气温日变化及年内变化大.麻峪湿地净化系统地处北京市西部, 属于门头沟永定河段, 湿地多年平均气温为11.7℃, 1月为-4.3℃, 7月达到25.8℃.湿地内有污水处理厂, 污水厂日处理能力为40 000 m3.

1.2 样品采集

本研究以《永定河生态功能区划》为依据合理布点, 于2012年9月在门头沟区永定河段麻峪湿地上游至下游处采集新鲜的河道底泥样品, 采样点具体包括:补水口上游300 m处MK、补水口断面中门寺处MZ和下游2 000 m处净化断面MJ, 具体位置见图 1.每一个采样点沿河道横断面从中间到两岸均匀采集5个平行样, 采样深度距离河底20 cm, 每个样点采集约500 g底泥, 置于干净密封的聚四氟乙烯塑料袋中, 低温储藏带回实验室进行分析处理, 并对样品进行编号.

图 1 北京市麻峪湿地采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sample sites in Beijing Mayu wetland

编号后的样品分两部分, 一部分进行常规理化指标分析:TN、TP、TOC的测定采用国标法, NH4+-N的测定采用2mol·L-1KCl浸提-靛酚蓝比色法, ORP (oxidation-reduction potential)的测定采用ORP仪直接测量, 重金属采用原子吸收光谱法测定.剩余底泥样品于-4℃下保存, 用于微生物群落多样性的T-RFLP分析.另一部分每个样点5个平行样共计2 500 g, 土壤搅拌混匀提取约500 g作为一个样方并重新编号, 进行克隆文库分析.

1.3 基于T-RFLP技术的微生物多样性分析 1.3.1 DNA提取

采用天根生化科技北京有限公司土壤样品试剂盒提取样品总DNA, 按照说明书进行操作, 经质量分数0.8%的琼脂糖凝胶电泳检测鉴定, 收集到的样品放置于-20℃条件下保存备用.

1.3.2 PCR扩增

PCR技术依据史青等[12]应用T-RFLP技术分析滇池污染水体的细菌群落技术进行扩增.

1.3.3 末端限制性片段长度多态性T-RFLP分析

分别采用Msp Ⅰ、Afa Ⅰ、Hae Ⅲ对荧光PCR产物进行酶切.在37℃下放置3~5 h.在65℃条件下温浴15 min使酶失活.随后将酶切产物送至天根生物技术有限公司进行基因扫描(Gene Scan), 得到T-RFLP图谱.舍去小于50 bp和大于500 bp的片段, 分别计算图谱中每一个峰的峰面积与所有峰总面积的比值, 形成了3个样品的96个原始数据矩阵, 每一个T-RF类型至少代表一种细菌类群, 以各T-RF类型的丰富度及其对应的相对丰度, 计算细菌群落的物种丰富度指数(Margalef index)、多样性指数(Shannon-Weaver index)和均匀性指数(Evenness index).

1.4 基于克隆文库细菌群落结构组成分析 1.4.1 16S rRNA基因克隆文库构建

该研究中16S rRNA基因克隆文库构建基于补水口和上下游的3个混合样点, PCR条件与引物的选择同T-RFLP技术一致.将纯化后的PCR产物连接到pMD18-T载体, 转化大肠杆菌DH5a, 用Amp-Xgal IPTG抗性筛选平板, 选择具有氨苄青霉素抗性的白色转化子, 构建16S rDNA克隆文库.运用Muther 4.0软件将每一个代表性序列在NCBI数据库中进行比对, 序列相似性>97%的归为同一物种, 并选取同源性最高的菌株[13].

1.4.2 克隆文库覆盖度计算

通过PCR的检测方法, 将片段大小约为1 643 bp鉴定为阳性克隆.

C=1-n/N

式中, C代表克隆文库的容量, N代表阳性克隆子总数, n代表仅含单个克隆子的数量.

1.5 典型功能基因的qPCR分析

qPCR荧光定量, 也称实时定量, 是指在指数扩增期间通过连续检测荧光信号的强弱来即时测定特异性产物的量, 并据此推断目的基因的初始量.所有反应在Stratagene MX3000P实时定量PCR仪中进行.mcrA基因的量化基于mcrA-1F和mcrA-2R*引物对, 取0.4 μmol·L-1至PCR反应混合液中, 同时加入5 μL DNA相互反应, DNA浓度为20 μmol·L-1, 启动热态激活, PCR循环条件包括:92℃ 2 min, 50℃ 1 min, 72℃ 45 s下40次循环.nifH基因量化主要基于nifH-F和nifH-R两种引物对.取0.8 μmol·L-1引物至PCR反应混合液中, 加入5 μL DNA.启动热态激活, PCR在94℃ 45 s, 60℃ 45 s, 72℃ 45 s条件下各完成40次循环.narG基因定量使用narG1960F和narG2650R作为引物对, 取0.8 μmol·L-1引物至PCR反应混合液中, 加入5 μL DNA.热循环条件基于touch-down PCR, 在60℃下进行8周期循环, 在55℃条件下进行30周期循环[9].

2 结果与分析 2.1 底泥沉积物理化性质分析

基于3个研究断面5个平行样点的理化参数, 采用单因素方差分析对再生水补水口及上下游河道底泥理化性质进行差异性检验, 结果见表 1.TN、TP、ORP、TOC、NH4+-N、Zn、Fe浓度在不同样点间差异显著.特别是TP、TOC、TN浓度在补水口处最高, 分别较上游增加68%、53%、41%, 可能是由于补水口处再生水中含有丰富的营养物质沉积所致.而下游在人工湿地对碳氮磷的高效去除下, TP、TOC、TN浓度呈显著下降趋势, 下降比率依次为91%、77.34%、27.5%.ORP是反映人工湿地中氧化还原状态的重要指标, 从补水口至下游依次增高的趋势, 表明在湿地植物根区有更强的氧化还原能力[14].与富营养化指标相比, 再生水影响下补水口处略有增加的Zn、Fe等氧化还原活跃的元素, 同样在下游湿地多种氧化还原梯度反应下去除[15].

表 1 麻峪湿地不同样点底泥理化性质及重金属分布1) Table 1 Physicochemical properties and heavy metals distribution of sampling sites in Mayu wetland

2.2 不同酶切下细菌多样性指数

根据Msp Ⅰ、Hae Ⅲ、Afa Ⅰ这3种酶切下T-RFLP图谱中T-RFs数目及相对峰高和峰面积值, 分别计算再生水补水口和上下游细菌群落的物种丰富度指数、综合多样性指数和均匀度指数(表 2).各酶切结果均显示MspⅠ酶切样品微生物多样性略高于AfaⅠ、HaeⅢ酶切, 故后续分析采用MspⅠ酶切结果[16].以MspⅠ为酶切的不同样点细菌类群多样性指数, 均随再生水干扰强度的增加依次表现补水口>上游>下游的变化趋势, 即再生水补水口细菌群落多样性指数明显高于远离补水口的细菌群落.将MspⅠ酶切结果做出3个样点的丰富度指数、多样性指数、均匀度指数与河道底泥理化指标的Spearman相关分析(表 3).结果显示在置信度双侧为0.01时, 物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数与TN、TP、ORP、TOC、Mn、Fe浓度显著相关, 初步推测再生水中高浓度的碳氮磷含量是导致再生水补水口细菌群落多样性显著升高的直接原因.

表 2 不同酶切下的细菌群落多样性指数 Table 2 Diversity indexes of bacterial community based on different enzyme digestion

表 3 多样性指数与理化指标的Spearman相关性分析1) Table 3 Spearman correlation between diversity index and physicochemical indicators

2.3 16S rRNA克隆文库和qPCR分析各样点细菌群落组成与功能差异 2.3.1 各样点细菌群落组成差异

上游一共132个阳性克隆通过镶嵌检测, 剩余128个单独的序列, 通过Muther4.0软件将序列相似性大于97%的克隆子划分为1个OTU, 得到50个不同的OTUs, 克隆文库覆盖度为71%.补水口处156个阳性克隆通过镶嵌检测删除后, 剩余93个单独的序列, 划分为55个不同的OTUs, 克隆文库的覆盖度为89%.下游103个阳性克隆通过镶嵌检测删除后, 剩余59个单独的序列, 划分为26个不同的OTUs, 克隆文库的覆盖度为88.33%.研究区的克隆文库中有很多不能精确到属的非培养物种, 表明有很多未知的微生物资源(表 4).

表 4 16S rRNA克隆文库检测各样点细菌群落组成 Table 4 Composition of bacterial community based on 16S rRNA clones detected from sediment in different samples

测序结果包含了环境样品中主要的细菌种群, 微生物多度比例结构图(图 2)显示, 变形菌门(Proteobacteria)在3个克隆文库中均为优势类群(上游32个克隆, 53%;补水口29个克隆, 60%;下游24个克隆, 63%).再生水补水口样点所构建克隆文库中的亚优势类群, 以浮霉菌门Planctomycetes (6个克隆, 8.8%)和放线菌门Actinobacteria (3个克隆, 6.7%)为代表.上下游样点所构建的克隆文库中亚优势类群与补水口存在较大差异, 以蓝细菌门(Cyanobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为代表, 其中Cyanobacteria在上下游中分别占到总克隆文库的8.9%和5%, Bacteroidales所占比例均为6.5%.

图 2 基于门水平的底泥细菌群落相对丰度分类柱状图 Fig. 2 Phylogenetic distribution of the OTUs in three clone libraries

变形菌中β-Proteobacteria是3个克隆文库中最丰富类群.补水口样点包含的13个克隆子中, 有3个克隆子与硝化作用相关的Comamonas sp.相似性最高[17], 2个克隆子与硝酸盐降解相关的Rhodocyclus sp.相似性最高[18], 1个克隆子与分离自淡水湖中的菌株Sulfuricella sp.相似性最高.上下游包括1个克隆子与Ramlibacter sp.相似性最高, 该菌属具有将硝酸根还原为亚硝酸的功能, 4个克隆子与来自矿区渗漏液中的Burkholderia sp.具高度同源性[17], 1个克隆子与Thauera sp.具有最高相似性.其他克隆子与功能未知的非培养菌株具有高度相似性[19].

δ-Proteobacteria是变形杆菌中上游和补水口克隆文库的次丰富类群.上游包含4个克隆子与甲烷降解功能有关的Desulfocapsa sp.相似性最高[20], 1个克隆子与除磷作用的古生球菌Desulfobacula sp.相似性最高[21], 补水口4个克隆子与去除磷酸盐的磷酸微菌Desulfomicrobium sp.有关, 1个克隆子与甲烷降解功能有关的Syntrophus sp.相似性最高[22].

η-Proteobacteria主要分布在补水口和下游的克隆文库中, 补水口处1个克隆子与能产生绿色水溶性色素的Pseudomonas sp.有较高相似性[23], 2个克隆子与植物的单株定植和抗药性有关的Lysobacter sp.相似性最高[24], 下游包含6个克隆子与红树林中的单孢菌Arenimonas sp.和Cellvibrio sp.相似性最高[25].

非变形菌中, 拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、和厚壁菌门(Firmicutes)为丰富类群.Bacteroidetes是有机物质矿化的主要贡献者, 其多度变化与水域中有机物的降解呈现显著的正相关关系[26].Cyanobacteria与湿地碳氮循环具有密切的关系[27].Firmicutes在补水口处有1个克隆子与Clostridium sp.相似性最高, 该菌属曾频繁出现在城市废水系统中, 主要来自于受污染的含水层和六价铬土壤泥沙中的提取物中[28].

2.3.2 各样点细菌群落功能结构差异

由于富营养化是补水口潜在的污染来源, 功能基因的量化是微生物碳氮转换的一个重要佐证, 可从侧面证明微生物的生物地球化学循环.mcrA基因作为目标基因用于产甲烷菌的系统发育分析, nifH基因为固氮微生物所共有, narG基因与反硝化功能有关, 将其作为3个代表性的功能基因, 对各基因数值取对数后, 进一步分析不同样点细菌群落功能差异和微生物间碳氮转换关系[9].由图 3可知, 各样点功能基因分布差异性显著(P < 0.001).narG基因在上游MK样点的拷贝数为4.95 copies·ng-1, 高于补水口MZ样点的拷贝数4.71 copies·ng-1和下游MK样点的拷贝数4.12 copies·ng-1, 呈依次递减的变化趋势.mcrA基因在补水口MZ样点的拷贝数为3.92 copies·ng-1, 显著高于上游MK样点的拷贝数2.42 copies·ng-1和下游MJ样点的拷贝数1.35 copies·ng-1.nifH基因在补水口MZ样点的拷贝数为5.23 copies·ng-1, 同样显著高于上游MK样点的拷贝数4.62 copies·ng-1和下游样点MJ的拷贝数3.65 copies·ng-1.mcrA基因与nifH基因相对丰度变化可能受再生水中碳氮含量影响, 均表现出在补水口高于上下游的特征.

图 3 3个典型氮碳循环功能基因的拷贝数在各样点分布 Fig. 3 Abundance distribution based on copies of three typical functional genes

3 讨论 3.1 再生水补水对河道底泥细菌群落多样性的影响

有研究表明微生物群落多样性是与环境长期响应的结果, 当细菌群落生境受再生水补水扰动时, 湿地净化系统中细菌群落多样性和组成特征均可产生时空变异[29~31].Spearman相关性分析显示, 各样点微生物群落丰富度指数、多样性指数、均匀度指数分别与TN、TP、ORP、TOC、Mn、Fe浓度显著相关.缓慢的水流和水体内部较长的更新周期, 使再生水中有机物和营养物质沉积在补水口处, 导致补水口处底泥中碳氮磷浓度显著高于上下游[32];Mn、Fe等金属含量在补水口处升高, 与上游河流沿岸的工业废水排放, 点源污染及农田径流非点源排放引发的重金属污染, 受自然营力作用下在水中沉淀有关[33].再生水补水增加了补水口细菌群落结构中物种的多样性, 为应对再生水中丰富的氮磷等水质特性, 细菌群落结构中与再生水水质特性密切联系的优势类群占有主导地位, 表明再生水作用下补水口处优势类群和非优势类群同时增多, 导致群落均匀度升高.而补水口处的高克隆文库覆盖度, 和丰富的细菌群落多度比例结构, 表明再生水作用下对补水口处微生物细菌群落组成和结构的影响最为明显, 这同基于物种丰度计算出来的多样性指数结果具有一致性.由于再生水中含有的碳、氮、磷、有机质等营养元素可提供微生物生长和繁殖的能源物质, 促进底泥中微生物的生长[34], 因此再生水中高浓度的碳氮磷含量是导致补水口细菌群落多样性显著升高和群落组成最为丰富的直接原因.微生物细菌群落多样性和相对丰度随着下游湿地净化作用呈现下降趋势, 氧化还原电位(ORP)因其控制着微生物的呼吸作用, 可通过有机氮的去除机制, 在脱氮群落结构变异中起重要作用[5].随着再生水水质的不断净化及微生物群落生境的逐步稳定, 受影响的细菌群落得以恢复.

3.2 再生水补水作用下对河道底泥微生物主要的环境效应

微生物群落结构的变化是对生态过程中碳、氮、磷、重金属等相关物质生物地化循环过程直接响应的结果, 并在物质降解过程中发挥重要作用[35].营养元素在环境中迁移、转化及归趋等环境行为与其所诱导的功能基因在环境中的传播, 已经得到了学者普遍的认同[36].再生水中富含多形态氮素, 其中氮循环主要由湿地植物根际微生物固氮、硝化(氨氧化作用和亚硝化作用)、反硝化和氨化作用这4个过程推动[13].nifH基因主要对河道底泥沉积物中存在的大量无机氮有很大贡献.多文献借助于固氮所诱导的nifH功能基因相对丰度表征固氮生态过程.补水口处占克隆文库的31.2%的克隆与水域生态系统中氮的固定有关, 以绿菌门中的绿菌属(Chlorobium sp.)为代表.上下游仅有占克隆文库12.4%和11.6%的克隆与生态系统中氮的固定有关.narG基因与氮循环中反硝化功能有关, 主要反映微生物以氮氧化物为电子受体产生能量的过程.氮素通过生物固氮作用进入生物圈, 继而由反硝化作用重新回到大气中, 实现整个自然界的氮素循环[37].本研究中补水口克隆文库中14.7%的克隆与硝态氮的反硝化作用有关, 以β-Proteobacteria中可还原硝酸盐的红环菌属(Rhodocyclus sp.)和具有强反硝化功能的丛毛单胞菌属(Comamonas sp.)为代表;上下游占15.3%和10.5%的克隆与β-Proteobacteria中具有较强脱氮功能的Thauera sp.和Ramlibacter sp.有关.总体表现出补水口处占克隆文库的45.9%的克隆与氮循环密切相关, 上下游仅27.7%和23.4%.

湿地中高密度的植物种植及藻类生长发育过程中枯落物的累积是有机碳的主要来源.补水口处丰富的mcrA基因与产甲烷功能有关.甲烷是物质碳循环中典型的代谢产物之一, 以微生物为介导的甲烷消耗被认为是氧化的主要途径, 可能来自于底泥沉积物深层有机物中的无氧分解.本研究中补水口处克隆文库以拟杆菌属(Bacteroides sp.)、溶杆菌属(Lysobacter sp.)和互养菌属(Syntrophus sp.)为代表的17.9%的克隆与碳循环密切相关, 上下游以一些梭状芽胞杆菌中Desulfobacula sp.和Flavobacterium sp.可代谢碳水化合物的菌株为代表参与碳循环, 仅占总克隆文库的14.4%和12.9%[38, 39].

具有良好除磷作用的脱磷弧菌属(Desulfomicrobium sp.), 在研究区磷生物循环过程发挥重要作用.与磷生物地化循环有关的菌株在上游、补水口和下游克隆文库中所占的比例依次为13.3%、11.7%和5%, 呈现显著下降趋势, 主要原因归结于硝酸盐是较磷酸盐更为活跃的电子受体, 补水口急剧增加的硝酸盐浓度减弱了生态系统中磷酸盐的生物转化过程.本研究中未涉及硫磷功能基因循环之间的关系, 有待于进一步深入研究.

总体来看, 补水口附近与碳氮生物地化循环具密切关系的菌株比例高于上下游样点.其次, 与补水口样点克隆文库菌群结构相比较, 上下游菌群结构更趋于相似, 与多样性和群落组成结果一致.这也是有机物浓度在上下游不具显著差异的重要原因.

3.3 再生水补水作用下对河道底泥微生物次要的环境效应

再生水含有残留的病原菌, 抗生素等, 在河道补给回用的过程中同样对微生物群落产生有害的影响[40].补水口处独有的微生物类群ε-Proteobacteria、Chloroflexi和Spirochaetes, 均属于有机厌氧类病原菌, 常分布于水合物较少而有机质丰富的热液沉积物中[41].补水口丰富的有机质为该细菌的生长提供了良好的生境.再生水中可能含有一些能够与该类底泥菌属具有协同生长作用的微生物, 也是导致细菌群落在补水口处发生变化的直接原因.而补水口处Rhodocyclus sp.等与抗生素浓度有关[42]的菌属, 抑制微生物的生长, 群落相对丰度在下游显著下降至消失.另一方面, 与上下游以对植物具有促生作用的伯克氏菌属(Burkholderia sp.)为代表的共生固氮作用相比较, 补水口处固氮作用主要通过红环菌属(Rhodocyclus sp.)中光合作用来实现湿地固氮作用.微生物固氮方式和转换类群的变化, 间接解释了再生水中累积物质对湿地中植物根际促生菌的毒害作用.

重金属作为底泥次要生物地化循环过程中仅在底泥理化性质统计分析中有所表现, 采用克隆文库构建的细菌群落结构分析中, 并未发现与重金属生物循环具有密切关系的代表性菌属, 可能是由于克隆转化仅表现在细菌群落中优势类群的局限性所致[43].结合基于qPCR功能基因相对丰度的分析结果, 与T-RFLP细菌群落多样性的研究结果相比较, 克隆文库方法在反映细菌群落优势种属的组成特性和其对应的功能特征方面具有显著优势.而在二代测序成熟的今天, 仅采用克隆文库的方法难以全面描述群落结构, 基于高通量对细菌群落结构空间变异的分析将是后续工作中研究的重点.

4 结论

(1)再生水中高浓度的碳氮磷含量是导致补水口细菌群落多样性显著升高和群落结构最为丰富的直接原因, 人工湿地对碳氮磷浓度有较高的去除效率, 净化后底泥细菌群落逐步恢复, 表现出上下游相似的细菌群落多样性和结构组成.

(2)补水口处细菌群落的优势类群是变形菌门中β-Proteobacteria和δ-Proteobacteria, 亚优势类群是非变形菌中浮霉菌门Planctomycetes和放线菌门Actinobacteria.而ε-Proteobacteria、Chloroflexi、Spirochaetes是补水口处的独有类群.

(3)氮碳磷循环是再生水补水下河道底泥主要的生物地化循环过程, 克隆文库中补水口以毛单胞菌属(Comamonas sp.)为优势类群的45.9%的克隆子与氮循环相关, 其相对丰度高于上下游(27.7%和23.4%), 以溶杆菌属(Lysobacter sp.)为优势类群的17.9%的克隆子与碳循环具密切相关, 其相对丰度高于上下游(14.4%和12.9%).

(4)再生水中携带的痕量病原菌和抗生素等, 在一定程度上改变了河道底泥细菌群落碳氮循环的转换方式.表现为补水口处固氮作用主要是红环菌属(Rhodocyclus sp.)通过光合作用实现, 上下游以对植物具有促生作用的伯克氏菌属(Burkholderia sp.)为代表进行共生固氮.

致谢: 本实验的现场采样和实验工作由实验室同学马栋山等协助帮忙完成, 在此表示感谢.
参考文献
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