论文部分内容阅读
随着城市化进程的快速发展，城市河流受到人类生活与生产活动的强烈干扰，污水处理厂排水和其它类型污水逐渐成为城市河流水体补给的非常规性水源。近年来，西安市浐灞生态区内的主要水体浐河与灞河接纳了大量污水处理厂排水，出现富营养化等问题，其水生态系统深受影响。其中，水体微生物极大维护着水生态系统的平衡，是水质净化的驱动力，因而对浐河和灞河生态区段微生物群落特征展开研究，为生态区内水体的治理和微生物的生态修复提供参考。
通过对沪灞生态区内浐河与灞河的部分河段设置采样点与基于高通量测序技术研究浐灞河生态区段微生物群落特征。研究分析了浐河和灞河生态区段水体的理化指标与微生物群落的多样性，在门、纲、属三个物种分类水平上分析了浐河和灞河生态区段表层水体微生物群落的结构及其时空分布特征，运用CANOCO5.0软件分析了环境因子与主要微生物群落的相关性，利用PICRUST预测分析了水体菌群在人类疾病与生物体系统两大代谢通路中相对丰度的分布特征。得到以下重要结论：
(1)浐河和灞河生态区段水体理化特性时空分布差异显著，污水处理厂排水对浐河和灞河生态区段水体污染贡献显著，水质主成分分析冬季第一主成分主要受TN(0.956)，WT(0.934)、硝氮(0.887)、COD(0.834)影响，夏季第一主成分主要受亚硝氮(0.986)、TN(0.960)、氨氮(0.958)、TP(0.869)影响。具体为，浐河和灞河生态区段水体WT、DO、TN、TP、COD等理化指标在冬季与夏季差异明显，氮素与总磷含量冬季大于夏季，原因可归结于夏季径流量较大与微生物代谢更加活跃；同一季节不同样点理化指标存在空间差异，氮磷营养盐含量总体呈下游大于上游，污水处理厂排水口样点大于其它样点趋势。
(2)浐河和灞河生态区段表层水体微生物群落多样性与群落结构存在空间与季节性差异，污水处理厂排水增加了水体病原微生物含量。具体为，夏季所有样点微生物群落多样性均大于冬季，在同一季节微生物多样性存在空间差异，但都显示污水处理厂排水口点多样性较大；冬季主要优势菌门中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度最高为47.0%，其次为拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、蓝藻门（Cyanobacteria），相对丰度分别为30.3%、12.1%、5.2%。夏季主要优势菌门中变形菌门相对丰度最高为50.7%，其次为放线菌门、蓝藻门、厚壁菌门（Firmicutes），相对丰度分别为20.9%、14.3%、6.0%；此外，在纲与属分类水平分析菌群结构可以发现在污水处理厂排水口病原微生物相对丰度较高，属分类水平发现的病原微生物有：弓形菌属、肠杆菌属、毛球菌属等。
(3)微生物群落PCA分析与层次聚类分析结果表明生态区内相邻河段菌群结构相似性较高，而河流上下游菌群结构差异性较大，且污水处理厂排水会对菌群结构相似性产生影响。具体为，冬季主成分分析结果显示各样点之间相邻河段即A1与A3点或A5与A6点聚集，河流上游样点（A4、A5以及A6点）和下游样点（A1与A3点）呈分离现象，A2点游离于各点之外，表明在冬季生态区内相邻河段微生物群落结构相似性较高，上下游则存在较大差异性，此外，A2点游离于各点之外表明污水处理厂排水会对受纳水体微生物群落结构产生影响。夏季主成分分析通过观察PC1轴B1、B2、B3、B5主要聚集在左半侧，观察PC2轴B1、B2点分布在下半轴，B3、B5点分布上半轴，表明在夏季生态区内相邻河段菌群相似性较高，上下游菌群存在联系但又有差异性，与冬季主成分分析结果相近；层次聚类分析：冬季各样点之间A2、A5点最先开始聚类即两个污水处理厂排水口样点最先聚类，其次是A4、A6点，之后是A3点加入A2、A5点，A1点加入A4、A6点；夏季各样点之间B2、B3最先开始聚类，随后是B1，B4，最后B5加入聚类，可知相邻河段先开始聚类，且其中冬季城市污水处理厂排水口样点最先聚类，同样说明污水处理厂排水会对菌群结构相似性产生影响，与主成分分析结果相近。
(4)RDA分析结果显示大部分环境因子对物种的分布影响较大，各物种对环境因子存在不同的响应关系。7个环境因子中WT（P=0.004）、PH(P=0.019)和DO(P=0.042)达到了显著性水平，而其它环境因子未达到显著性水平，表明在冬夏两季水体温度、PH值及溶解氧是影响浐灞河生态区段水体微生物群落结构季节性变化的关键环境因子。
(5)冬季与夏季PICRUST预测分析结果表明在人类疾病与生物体系统代谢通路菌群相对丰度空间分布特征相近。浐河和灞河生态区段水体微生物群落存在致人类传染性疾病和神经退行性疾病这两大类人类疾病的风险以及存在影响生物体内分泌系统的风险。此外，在致人类疾病项，河流下游样点菌群相对丰度均表现出大于上游趋势即河流下游水体致人类疾病风险>上游。
通过对沪灞生态区内浐河与灞河的部分河段设置采样点与基于高通量测序技术研究浐灞河生态区段微生物群落特征。研究分析了浐河和灞河生态区段水体的理化指标与微生物群落的多样性，在门、纲、属三个物种分类水平上分析了浐河和灞河生态区段表层水体微生物群落的结构及其时空分布特征，运用CANOCO5.0软件分析了环境因子与主要微生物群落的相关性，利用PICRUST预测分析了水体菌群在人类疾病与生物体系统两大代谢通路中相对丰度的分布特征。得到以下重要结论：
(1)浐河和灞河生态区段水体理化特性时空分布差异显著，污水处理厂排水对浐河和灞河生态区段水体污染贡献显著，水质主成分分析冬季第一主成分主要受TN(0.956)，WT(0.934)、硝氮(0.887)、COD(0.834)影响，夏季第一主成分主要受亚硝氮(0.986)、TN(0.960)、氨氮(0.958)、TP(0.869)影响。具体为，浐河和灞河生态区段水体WT、DO、TN、TP、COD等理化指标在冬季与夏季差异明显，氮素与总磷含量冬季大于夏季，原因可归结于夏季径流量较大与微生物代谢更加活跃；同一季节不同样点理化指标存在空间差异，氮磷营养盐含量总体呈下游大于上游，污水处理厂排水口样点大于其它样点趋势。
(2)浐河和灞河生态区段表层水体微生物群落多样性与群落结构存在空间与季节性差异，污水处理厂排水增加了水体病原微生物含量。具体为，夏季所有样点微生物群落多样性均大于冬季，在同一季节微生物多样性存在空间差异，但都显示污水处理厂排水口点多样性较大；冬季主要优势菌门中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度最高为47.0%，其次为拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、蓝藻门（Cyanobacteria），相对丰度分别为30.3%、12.1%、5.2%。夏季主要优势菌门中变形菌门相对丰度最高为50.7%，其次为放线菌门、蓝藻门、厚壁菌门（Firmicutes），相对丰度分别为20.9%、14.3%、6.0%；此外，在纲与属分类水平分析菌群结构可以发现在污水处理厂排水口病原微生物相对丰度较高，属分类水平发现的病原微生物有：弓形菌属、肠杆菌属、毛球菌属等。
(3)微生物群落PCA分析与层次聚类分析结果表明生态区内相邻河段菌群结构相似性较高，而河流上下游菌群结构差异性较大，且污水处理厂排水会对菌群结构相似性产生影响。具体为，冬季主成分分析结果显示各样点之间相邻河段即A1与A3点或A5与A6点聚集，河流上游样点（A4、A5以及A6点）和下游样点（A1与A3点）呈分离现象，A2点游离于各点之外，表明在冬季生态区内相邻河段微生物群落结构相似性较高，上下游则存在较大差异性，此外，A2点游离于各点之外表明污水处理厂排水会对受纳水体微生物群落结构产生影响。夏季主成分分析通过观察PC1轴B1、B2、B3、B5主要聚集在左半侧，观察PC2轴B1、B2点分布在下半轴，B3、B5点分布上半轴，表明在夏季生态区内相邻河段菌群相似性较高，上下游菌群存在联系但又有差异性，与冬季主成分分析结果相近；层次聚类分析：冬季各样点之间A2、A5点最先开始聚类即两个污水处理厂排水口样点最先聚类，其次是A4、A6点，之后是A3点加入A2、A5点，A1点加入A4、A6点；夏季各样点之间B2、B3最先开始聚类，随后是B1，B4，最后B5加入聚类，可知相邻河段先开始聚类，且其中冬季城市污水处理厂排水口样点最先聚类，同样说明污水处理厂排水会对菌群结构相似性产生影响，与主成分分析结果相近。
(4)RDA分析结果显示大部分环境因子对物种的分布影响较大，各物种对环境因子存在不同的响应关系。7个环境因子中WT（P=0.004）、PH(P=0.019)和DO(P=0.042)达到了显著性水平，而其它环境因子未达到显著性水平，表明在冬夏两季水体温度、PH值及溶解氧是影响浐灞河生态区段水体微生物群落结构季节性变化的关键环境因子。
(5)冬季与夏季PICRUST预测分析结果表明在人类疾病与生物体系统代谢通路菌群相对丰度空间分布特征相近。浐河和灞河生态区段水体微生物群落存在致人类传染性疾病和神经退行性疾病这两大类人类疾病的风险以及存在影响生物体内分泌系统的风险。此外，在致人类疾病项，河流下游样点菌群相对丰度均表现出大于上游趋势即河流下游水体致人类疾病风险>上游。