白洋淀入淀河流污染特征及微生物群落结构研究

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府河是白洋淀的主要入淀河流之一,其水质对白洋淀水生态环境有重要影响。本文针对府河以上游城市尾水为补水的水质特点,系统分析了不同季节水体和沉积物中营养盐、重金属、微生物时空变化,评估了河流沿程水体的污染水平和沉积物的生态风险,定量分析了碳、氮和硫转化功能基因,探讨了水体、沉积物中微生物群落特征与环境因子的关系,为府河水质提升和生态修复提供理论参考和科学依据,取得的主要结果如下:(1)夏季降雨引起的大气沉降及底泥扰动导致水体污染程度较高,属于重度污染,主要污染因子为氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP),并且处于雨水径流排污口的F2点位及受到生活废水和废物累积的F14点位水体污染严重;不同季节物种多样性、组成、优势物种占比存在显著差异,夏季微生物多样性高于冬季,优势物种拟杆菌(Bacteroidetes)、放线菌(Actinobacteria)、厚壁菌(Firmicutes)丰度在夏季低于冬季,蓝藻菌(Cyanobacteria)的丰度在夏季较高,并且水体中广泛存在参与碳氮循环的有益物种黄杆菌属(Flavobacterium)、红育菌属(Rhodoferax)、Limnohabitans、单胞菌属(Arenimonas)、噬氢菌属(Hydrogenophaga)、hgcl_clade;温度是引起微生物群落差异的主要因素,磷在水体生物代谢过程中也属于重要因素,容易引起城市河流富营养化;PICRUSt代谢推断分析显示,夏季高温促进代谢酶的活性,导致水体中与代谢功能有关的基因增加。(2)不同污染源导致沉积物氮磷、重金属含量空间分布差异大于季节差异,沉积物氮的污染程度高于磷,重金属为中度或轻度污染水平;沉积物镉、铜、锌、铅主要来源于工业污染,镍、砷主要来自地质作用,营养物质来自农业非点源污染。微生物群落多样性和结构具有时空差异性,冬季水体的低流速对沉积物的弱稀释作用导致沉积物物种多样性显著高于夏季,并且丰富度高的点位,多样性也高;优势菌门变形菌(Proteobacteria)在夏季丰度较高,放线菌和浮霉菌(Planctomycetes)在冬季丰度更高,水体中未检测到、沉积物中特有的绿弯菌(Chloroflexi)、酸杆菌(Acidobacteria)、芽单胞菌(Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌(Nitrospirae)在各样本中占比较高;环境条件的季节性和空间变化改变了该生态系统细菌群落的结构和功能,沉积物重金属砷、镍显著影响微生物群落结构,有机质、全氮(TN)对沉积物微生物群落结构也有一定影响;PICRUSt代谢推断分析表明冬季较高丰度的代谢功能基因在碳氮循环中有重要作用。(3)qPCR定量分析表明参与氮转化的功能基因AOA-amo A、AOB-amo A、nir K、nir S、nos Z,碳转化功能基因mcr A、pmo A,硫酸盐还原菌功能基因dsr B在冬季更丰富;整体AOB的丰度高于AOA,说明府河存在富营养化情况,基因nos Z在反硝化过程中占有主要作用,参与碳转化的功能基因mcr A、pmo A和硫转化功能基因dsr B均是在上游的丰度高于下游。(4)对比沉积物和水体微生物群落发现,承担更多生态功能的沉积物中微生物多样性显著高于水体(p<0.05),沉积物微生物多样性对污染程度的响应和水体对水质状况的响应一致,即水体在水质较差的夏季多样性更高,沉积物在重金属含量高的冬季多样性更高。两者共有55个门类微生物,占绝对优势的为变形菌(42.81%),共有1217个菌属,优势菌属为黄杆菌属(12.12%);此外,水体中的黄杆菌属、单胞菌属、Limnohabitans和噬氢菌属丰度显著高于沉积物(p<0.05),而硫杆菌属(Thiobacillus)在沉积物中的丰度显著高于水体(p<0.05),并且沉积物含有更多的未知物种。
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