基于浮游细菌生物完整性指数...健康评价：以深圳河流域为例_王力.pdf

文章栏目：流域水环境整治与修复DOI10.12030/j.cjee.202211054中图分类号X522文献标识码A王力,王丝可,左剑恶,等.基于浮游细菌生物完整性指数的城市河流健康评价：以深圳河流域为例J.环境工程学报，2023,17(6):2007-2014.WANGLi,WANGSike,ZUOJiane,etal.Urbanriverhealthassessmentbasedonbioticintegritybacterioplankton-indexofbioticintegrity:AcasestudyofShenzhenRiverBasinJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):2007-2014.基于浮游细菌生物完整性指数的城市河流健康评价：以深圳河流域为例王力1，王丝可2，左剑恶1，3，李晓杰1，陈雨11.清华大学深圳国际研究生院，深圳518055；2.深圳职业技术学院，深圳518055；3.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084摘要河流中的细菌是生态系统中物质循环的重要参与者，能反映河流健康状况，其群落生物指标具有评估城市河流生态状况的潜力。通过调查深圳河流域内深圳河、布吉河和福田河 3 条河流中的浮游细菌群落，构建了生物完整性指数(Ba-IBI)，评估了该流域的健康状况。基于河水浮游细菌的 Illumina 高通量测序结果，通过差异性检验、箱线图筛选和相关性分析方法从 163 个候选指标中筛选出变形菌门、放线菌门和微丝藻菌目相对丰度及门水平 Simpson 多样性指数作为核心指标，构建 Ba-IBI 评价体系。结果表明，深圳河流域内的 20 个位点中处于健康状态、亚健康状态、一般状态和较差状态的位点数分别为 7 个、4 个、5 个和 4 个。其中，深圳河处于一般和较差状态的点位比例高达 85.7%；健康状况从上游到下游逐渐恶化；整体健康状况较差。布吉河和福田河健康状况相对较好，处于亚健康状态。各采样点 Ba-IBI 得分与水质状况的相关性较高(R=0.77，P0.01)，表明 Ba-IBI 能有效评价城市河流的健康状况。本研究结果可为深圳市河流的修复和管理工作提供参考。关键词城市河流健康评价；生物完整性指数；浮游细菌；深圳河流域河流具有饮用水供应、纳污、灌溉、航运等诸多功能，在区域可持续发展中发挥着重要作用1。为有效识别人类活动、并评估城市化进程2-5对河流生态系统造成的影响，诊断河流健康现状，开展河流管理与保护工作，对城市河流开展生态健康评价十分必要。生物群落具有综合反映生态系统物理、化学和生物影响的能力6，其生物指标被广泛应用于对生态系统健康状况的评估。KARR7提出了一种基于鱼类的生物完整性指数(Indexofbioticintegrity,IBI)评估河流健康状况的方法。此后，IBI 评价法在对河流8、湖泊9、湿地10和水库11等系统的生态健康评价中得到广泛应用。细菌作为生态系统中的重要分解者，具有分布广、繁殖快等特点12。在受人类活动影响较大的河流中，虽然细菌群落结构发生改变，但生物多样性未明显降低13-14，仍对环境变化很敏感15。因此，细菌具有指示高度损伤的城市河流健康状况的潜力。目前，已有研究者使用细菌生物完整性指数(Bacteria-Indexofbioticintegrity,Ba-IBI)指标体系对河流16、湖泊12、湿地10和水库11等生态状况进行了评价，结果表明细菌具有反映生态系统健康状况的能力。现有研究大多采用底泥细菌构建评价体系，但由于目前城市河段的河底衬砌等工程措施，造成了河流底泥生境特征的同质化，进而导致底泥细菌群落的同质性17，因此，底泥细菌在城市河流健康评价中的作用可能有限。浮游细菌是生物地球化学过程的重要参与者18，其群落收稿日期：2022-11-10；录用日期：2023-03-15基金项目：深 圳 市 高 等 院 校 稳 定 支 持 计 划(WDZC20200819163549002)；深 圳 市 科 创 委 可 持 续 发 展 科 技 专 项(KCXFZ202002011008448)第一作者：王 力(1997)，男，硕 士 研 究 生，；通信作者：左 剑 恶(1968)，男，博 士，教 授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:(010)62941074结构与环境因素有密切联系19。黄艺等12和苏瑶等20构建了基于浮游细菌的生物完整性指数，成功应用在对滇池流域和城市河流的健康评价中。深圳河流域受到居民生活、工业生产、交通运输等人类活动的影响，存在氮磷超标的问题，生态系统的完整性遭到了破坏。以深圳市深圳河流域内的 3 条河流为研究对象，分析各河流的细菌群落结构与水质指标间的关系，通过构建基于浮游细菌的生物完整性指数，探讨 Ba-IBI 评价体系在受人类活动影响较大的城市河流区域的适用情况，并评估其在城市河流生态健康评价中应用的可行性，以期为城市河流治理工作提供参考。1材料和方法1.1采样点设置选取深圳市深圳河流域内的深圳河、布吉河和福田河作为研究对象，根据流向在河道 布 设 采 样 点。深 圳 河 流 域21位 于 东 经11100114123和北纬 22272229，面积 312.5km2。深圳河是深圳河流域的干流，是深圳与香港的界河，属于雨源型河流，同时接纳深圳市的大量污废水。布吉河和福田河均属于深圳河的一级支流22。在深圳河、布吉河和福田河分别设置 7 个、4 个和 3 个采样点，采样点分布如图 1 所示。1.2样品采集与分析样品采集于 2021 年 10 月至 11 月、2022 年5 月，pH、溶 解 氧(DO)、氧 化 还 原 电 位(ORP)和水温(T)等水质参数使用多参数测定仪(Multi3630IDS,WTW)现场测定。每个采样点收集 3 份水样进行混合，将混合后的 1.5L水样作为最终样品。取其中 1L 水样储存于聚乙烯塑料瓶中进行后续水质分析。分析指标包括化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)等，分析方法参考水与废水监测分析方法23。另外 0.5L 水样储存于灭菌的塑料瓶内，运回实验室后使用 0.22m 的微孔滤膜抽滤，含滤出物的膜片保存在80 冰箱，用于后续细菌群落组成的测定。采用 16SrRNA 测序分析水样中浮游细菌的群落组成。DNA 提取、PCR 和测序均由上海美吉生物医药科技有限公司完成，其中 PCR 扩增选用 338F/806R 引物对细菌 16SrRNA 基因的 V3V4 区进行扩增。对测序结果进行拼接、质控过滤等处理后，将所有高质量序列按照操作分类单元(OperationalTaxonomicUnits,OTU)序列相似度 97%进行聚类。聚类结果与 Sliva138/16s_bacteria 数据库对比，进行物种分类注释，设置比对阈值为 70%。使用 Past3.0 软件计算 Simpson、Shannon、Chao1 等 多样性指数。使用 R 语言(v4.2.1,http:/ww.r-project.prg/)进行 Kruskal-Wallis 检验、Spear-man 相关性分析、冗余分析(Distance-basedredundancyanalysis,dbRDA)、层次分割(Hierarchicalpartitioning,HP)等。采用 OriginPro2021b 软件进行了箱线图、柱状图的绘制。1.3Ba-IBI 评价体系的构建1.3.1参考点的确定在对河流进行健康评价的过程中，参考点起到为其余点位提供对照的作用24，应选择处于不受人为干扰的原始状态的点位，但城市河流被大量的人类活动干扰，很难找到处于理想状态下的采样点。因此，选择水质、生境等因素受干扰较小的点位作为参考点。为了选择受人为干扰较小的点位，参考文献 25-26，依据地表水环境质量标准(GB3838-kmSZ1SZ2SZ3SZ4SZ5SZ6SZ7BJ2BJ1BJ3BJ4FT1FT2FT3采样点河流区界图例福田河龙 华 区龙 岗 区福 田 区深 圳 河罗 湖 区深 圳 河 香 港 特 别 行 政 区深圳湾布吉河N0 1.25 2.55图1深圳河流域研究区域及采样点位示意Fig.1StudyareaandsamplingsitesinShenzhenRiverBasin2008环境工程学报第17卷2002)对 DO、NH3-N、TP 和 COD 共 4 项因子赋分。各水质参数达到、和类标准，分别计 5、4、3、2 和 1 分，未达到类标准计 0 分，各水质因子得分相加为该采样点水质总分。水质总分大于 75%分位数的点位设为参考点，其余采样点设为受损点。1.3.2候选指标的确定与筛选参考此前的研究11,12，选择多样性指标、群落组成指标和耐受性指标作为候选指标。其中，多样性指标包括在不同分类水平上 Simpson、Shannon、Chao1、Menhinick 等 多样性指数；群落组成指标包括不同分类水平上优势物种的相对丰度，以及一些具有代表性的细菌群落的比值27；耐受性/敏感性指标由对环境干扰具有耐受性/敏感性的细菌群落的相对丰度组成。候选指标的筛选过程参考文献 11，依次为差异性检验、箱线图筛选和相关性分析。首先，通过 Kruskal-Wallis 检验筛选出在参考点和受损点具有显著差异的指标(P0.05)。其次，通过箱线图比较各候选指标区分参考点和受损点的能力(IQ2)，剔除箱体存在重叠的指标。最后，对候选指标进行 Spearman 相关性分析，若两候选指标间的相关系数|R|0.7 且 P0.7,p0.05)，由此组成耐受性/敏感性指标。根据以上计算分析结果构建的候选指标库共包含 163 个候选指标。为得到构建 Ba-IBI 的核心指标，对 163 个候选指标进行差异性检验、箱线图筛选和相关性分析。首先，对候选指标进行 Kruskal-Wallis 检验，得到在参考点和受损点间有显著区别(p0.7,p0.5,P0.5,P0.5,p0.05)，故筛选得到的核心指标具有合理性。根据筛选所得的 4 个核心指标构建的 Ba-IBI 评价结果具有良好的灵敏度，能较好地区分参考点和受损点(图5(a)。通过 dbRDA 分析得到 4 个与细菌群落分布变化相关的水质参数分别为 T、pH、DO、TN。通过多元线性回归分析 Ba-IBI 结果与上述 4 种水质参数的相关性，结果表明 DO 与 Ba-IBI 存在较好的线性关系(P0.01)，其次是 TN(P0.1)；这表明部分水质参数与 Ba-IBI 之间存在一定的线性关系，Ba-IBI 对水质参数的变化具有较好的响应模型(R=0.73,P0.01)。文献 12,20,25,31 报道 IBI 得分与水质状况的相关系数普遍为0.60.8。而本研究各点位 Ba-IBI 得分与水质得分相关性较高(R=0.77,p0.01)(图 5(b)，这表明 Ba-IBI能较好地反映样点水质状况，并评估城市河流的健康状况。3.2浮游细菌作为指示生物的潜力在所有的候选指标中，经过差异性检验、箱线图筛选、相关性分析等步骤，筛选得到了 4 个核心指标。其中，放线菌门广泛分布于水生和陆生系统中，能利用腐殖酸和难降解有机物生长32，并分解去除橡胶、塑料、杀虫剂和重金属等物质33，发挥着推动物质循环利用、降解复杂有机物的作用34。由于放线菌具有降解重金属和有机物共同污染的能力，被认为是进行生物修复的候选菌。微丝藻菌目能分泌有助于矿化难降解有机物的生物活性化合物，可能是水解复杂底物的关键异养菌35。这些研究表明，浮游细菌作为分解者，密切参与了河流生态系统中的物质循环，与多种环境因子之间存在联系，可指示水环境的健康状况。此前基于微生物构建