南水北調(diào)中線干渠（河南段)浮游細(xì)菌群落組成及影響因素

陳兆進(jìn),陳海燕,李玉英*,黃 進(jìn),魯開杰,趙海軍,李 冰,朱靜亞,胡蘭群

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南水北調(diào)中線干渠（河南段)浮游細(xì)菌群落組成及影響因素

陳兆進(jìn)1,2,陳海燕2,3,李玉英1,2*,黃 進(jìn)2,3,魯開杰4,趙海軍2,3,李 冰2,3,朱靜亞1,2,胡蘭群2,3

(1.南陽師范學(xué)院農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,河南省南水北調(diào)中線水源區(qū)生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南南陽473061；2.南水北調(diào)中線水源區(qū)水安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南南陽473061；3.南水北調(diào)中線渠首環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)急中心,河南淅川474475；4.方城縣南水北調(diào)辦公室,河南方城 473200)

為了解南水北調(diào)中線工程通水后干渠河南段浮游細(xì)菌群落組成及影響因素,于2016年7月對(duì)中線干渠河南段5個(gè)典型生態(tài)點(diǎn)位表層水樣進(jìn)行采集.水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明干渠水質(zhì)總體較好,除總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)外,其他各項(xiàng)指標(biāo)符合I類水標(biāo)準(zhǔn)要求.渠首、方城和新鄭3點(diǎn)位水體處于中營養(yǎng)狀態(tài),溫縣、安陽2點(diǎn)位水體處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài).采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)浮游細(xì)菌群落組成進(jìn)行研究,結(jié)果表明主要由放線菌門 (Actinobacteria)、變形菌門 (Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes) 、擬桿菌門 (Bacteroidetes)、藍(lán)藻門 (Cyanobacteria)、疣微菌門 (Verrucomicrobia)、裝甲菌門(Armatimonadetes)等25個(gè)門和407個(gè)屬組成,5點(diǎn)位樣品具有豐富的群落組成,浮游細(xì)菌群落多樣性排序?yàn)?溫縣>新鄭>方城>渠首>安陽.對(duì)浮游細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行典范對(duì)應(yīng)分析(CCA),結(jié)果表明: TN、Chl a、NH4+-N、COD、CODMn能顯著影響浮游細(xì)菌群落,pH值和TP對(duì)其也有一定程度影響.

干渠；浮游細(xì)菌；群落結(jié)構(gòu)；高通量測(cè)序；環(huán)境因子

南水北調(diào)中線工程(以下簡稱“中線工程”)是一項(xiàng)跨流域、跨多省市、長距離的特大型調(diào)水工程,擔(dān)負(fù)著北京、天津、石家莊、鄭州等數(shù)十座城市保障供水的重大任務(wù).中線工程總干渠輸水形式以明渠為主,局部布置管涵[1].開放式渠道沒法完全避免外界污染物的侵入,如污染物由空氣進(jìn)入水體以及部分渠段地下水內(nèi)排與地下水污染物的滲漏等[2-3].因此,開展干渠河南段水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)確保南水北調(diào)中線供水水質(zhì)安全具有重要意義.

浮游細(xì)菌是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在有機(jī)物降解及營養(yǎng)物循環(huán)過程中具有重要作用,而其組成變化對(duì)水環(huán)境也起到明顯的指示作用[4-5].因此,全面了解水生態(tài)系統(tǒng)中浮游細(xì)菌群落多樣性、分布特征及其在生態(tài)系統(tǒng)中的功能和作用,對(duì)于管理和維護(hù)水生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義[6].由于只有不到1%的微生物可以純培養(yǎng),限制了自然界中絕大部分微生物的認(rèn)識(shí).近年來,高通量測(cè)序技術(shù)(High throughput sequencing)的出現(xiàn),大大加速了宏基因組學(xué)的發(fā)展[7].該技術(shù)操作簡單、成本低廉,能快速高通量得到特定的 DNA 片段,較之前的分子生物學(xué)方法能更全面地展示生物群落的組成結(jié)構(gòu),極大地推動(dòng)了生物多樣性研究[8-13].

中線工程干渠水質(zhì)狀況直接關(guān)系到受水區(qū)居民的飲水安全.本課題組已對(duì)中線工程調(diào)水前后不同時(shí)期庫體和干渠南陽段水體浮游藻類、浮游動(dòng)物進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[14],但有關(guān)中線工程干渠浮游細(xì)菌群落研究尚未報(bào)道.本研究選取干渠河南段5個(gè)典型站位,對(duì)水體中總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、葉綠素a含量(Chl a)等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行分析,研究其群落組成和分布特征.結(jié)合典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)進(jìn)一步探討細(xì)菌豐度、群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子間的關(guān)系,以期為中線工程干渠水環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集與水質(zhì)理化指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)中線工程河南段干渠的地理位置特征,選取從南到北沿程的屬于陶岔渠首(樣品編號(hào)Q)、南陽市的方城獨(dú)樹(F)、鄭州市的新鄭十里鋪(X)、焦作市溫縣陳家溝(W)和安陽市安陽縣洪河屯(A)5個(gè)點(diǎn)位為采樣點(diǎn),具體信息見表1.參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[15]于2016年7月用柱狀采水器采集表層(深度50cm)水樣2L,所有點(diǎn)位均取平行樣3組. 600mL水樣用于提取細(xì)菌總 DNA,置于預(yù)先滅菌容器中存于冰盒,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行檢測(cè)分析,剩余水樣用于水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定.參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[15]測(cè)定水樣pH值、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及葉綠素a含量(Chl a)7項(xiàng)理化指標(biāo).

表1 采樣點(diǎn)分布

1.2 樣品總 DNA提取

600mL表層新鮮水樣經(jīng)20μm篩絹預(yù)過濾至滅菌燒杯中,以除去大型浮游植物和浮游動(dòng)物.預(yù)過濾后的水樣經(jīng)0.22μm無菌微孔濾膜過濾,用以收集浮游細(xì)菌,將濾膜剪碎置于50mL無菌離心管中.按照 Omega Water DNA Kit (Omega, USA)的說明,提取水體中的DNA.將提取得到的細(xì)菌總DNA通過微量紫外分光光度計(jì)(NanoDrop?ND-1000, Wilmington, DE, USA)測(cè)定DNA濃度和純度.

1.3 高通量測(cè)序

采用通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGA- GGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGG- GTWTCTAAT-3′)對(duì)浮游細(xì)菌16S rRNA基因的V3~V4區(qū)擴(kuò)增,修飾后的通用引物含有不同的Tag標(biāo)簽用以區(qū)分不同樣品.PCR擴(kuò)增體系為20μL,其中含5×FastPfu Buffer 4μL、2.5mmol/L dNTPs 2μL、Forward Primer(5μmol/L) 0.8μL、Reverse Primer(5μmol/L) 0.8μL、FastPfu Polymerase 0.4μL、DNA模板10ng.補(bǔ)ddH2O至20μL.PCR擴(kuò)增的反應(yīng)條件為: 94℃,5min;30×(94℃,30s;54℃,30s;72℃,45s);72℃,10min.每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù),利用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的MiSeq PE300測(cè)序儀(Illumina Inc..San Diego. CA.USA)完成序列測(cè)定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 高通量數(shù)據(jù)分析 高通量數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析采用 Qiime進(jìn)行,根據(jù)序列的相似度,將序列歸為多個(gè)OTU,OTU產(chǎn)出后,統(tǒng)計(jì)各個(gè)樣品含有OTU情況及每個(gè)OTU中含有序列的數(shù)目,得到每個(gè)OTU的分類學(xué)信息[16].選取相似度在97%條件下的OTU生成預(yù)期的稀釋曲線,并利用軟件mothur計(jì)算豐富度指數(shù)Chao1和ACE,覆蓋度指數(shù)以及多樣性指數(shù)Simpson和Shannon指數(shù)進(jìn)行Alpha多樣性分析[17].利用PCoA、Correlation聚類法分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、細(xì)菌群落分布、主成分分析和聚類分析.采用Linear Discriminant Analysis(LDA) coupled with effect size measurements(LEfSe)在線工具尋找組與組之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的生物標(biāo)志物[18].

1.4.2 典范對(duì)應(yīng)分析 典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)能將可能相關(guān)的多個(gè)環(huán)境因子一起進(jìn)行分析,可以很好地反映種群或群落與環(huán)境的關(guān)系.本文采用CANOCO軟件(版本4.5)進(jìn)行浮游細(xì)菌和環(huán)境因子的CCA分析,排序結(jié)果用物種-環(huán)境因子關(guān)系的雙序圖表示[19].在主軸1和主軸2構(gòu)成的平面中,箭頭表示環(huán)境因子,向量長短代表著相應(yīng)環(huán)境因子在主軸中的作用,箭頭所處象限表示環(huán)境因子與排序軸間相關(guān)性的正負(fù).

1.4.3 方差分析 不同采樣點(diǎn)位間的環(huán)境因子等數(shù)據(jù)采用 SPSS19.0軟件中的單因素方差分析,顯著性水平設(shè)定為<0.05,相關(guān)圖表制作在 Excel中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)狀態(tài)評(píng)價(jià)

表2 各采樣點(diǎn)水體主要理化參數(shù)

注 :同一列不同小寫字母,表示處理在<0.05水平達(dá)到顯著.

2016年7月干渠河南段渠首、方城等5點(diǎn)位水質(zhì)的理化監(jiān)測(cè)結(jié)果表明各水體的水質(zhì)總體較好,除TN (除渠首外,其他4點(diǎn)位超過1.00mg/L,為III類地表水標(biāo)準(zhǔn))和CODMn外(渠首樣品超過3.00mg/L,為II類地表水標(biāo)準(zhǔn)),其他各項(xiàng)指標(biāo)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB38382- 2002)[20]I類水標(biāo)準(zhǔn)要求(表2).按照《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL395-2007)[21]進(jìn)行水庫營養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)價(jià),以TN、TP、CODMn和Chl a 4個(gè)參數(shù)作為水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)參數(shù),渠首、方城等5點(diǎn)位TN賦分值均介于60~70, TP、CODMn和Chl a的賦分值介于40~50之間.渠首、方城和新鄭3點(diǎn)位營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI分別為47.5、50.0和50.0,為中營養(yǎng)狀態(tài).溫縣、安陽樣品EI指數(shù)均為52.5,為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(表2).

2.2 浮游細(xì)菌稀釋性曲線

稀釋性曲線可以反映樣品的取樣深度,被用來評(píng)價(jià)測(cè)序量是否足以覆蓋所有類群.渠首、方城等5點(diǎn)位浮游細(xì)菌稀釋性曲線隨測(cè)序條數(shù)的增加物種豐富度呈現(xiàn)前期增加后期趨向平緩.5點(diǎn)位每個(gè)樣本的測(cè)序曲線在測(cè)序條數(shù)達(dá)到15000條以上時(shí)物種數(shù)都基本趨向平穩(wěn),說明此時(shí)測(cè)序數(shù)據(jù)量合理,真實(shí)環(huán)境中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的置信度較高,能夠代表物種的豐富度.

2.3 浮游細(xì)菌群落多樣性

高通量測(cè)序表明渠首、方城等5點(diǎn)位樣品具有豐富的群落組成,其群落多樣性均較高(表3).5組樣品文庫覆蓋率均在98.90%以上,能夠反映該區(qū)域浮游細(xì)菌群落的種類和結(jié)構(gòu).溫縣和新鄭樣品OTU數(shù)、豐富度指數(shù)Chao1、Shannon指數(shù)高于其他3組樣品,同時(shí)Simpson指數(shù)和文庫覆蓋率低于其他組樣品,其中OTU數(shù)、文庫覆蓋率、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)差異達(dá)到顯著水平(0.05),表明溫縣和新鄭樣品浮游細(xì)菌群落多樣性高于其他樣品(表3).渠首、方城和安陽3組樣品浮游細(xì)菌群落多樣性指數(shù)有所差異,但豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)等評(píng)估指標(biāo)未達(dá)顯著水平.綜合OTU數(shù)、豐富度指數(shù)Chao1和ACE以及多樣性指數(shù)Simpson和Shannon指數(shù),5組樣品浮游細(xì)菌群落多樣性排序?yàn)?溫縣>新鄭>方城>渠首>安陽.

表3 浮游細(xì)菌群落多樣性評(píng)估表

注 :同一列不同小寫字母,表示處理在0.05水平達(dá)到顯著.

2.4 浮游細(xì)菌多樣性的PCoA分析(主坐標(biāo)分析)

利用Qiime 軟件對(duì)渠首、方城等5點(diǎn)位樣品相關(guān)群落進(jìn)行了PCoA分析.如圖1所示,橫坐標(biāo) PC1貢獻(xiàn)度為50.67%,縱坐標(biāo) PC2貢獻(xiàn)度為14.27%,5點(diǎn)位中渠首、方城樣品聚集在PCoA分析圖右上側(cè),新鄭、溫縣樣品聚集在PCoA分析圖下側(cè),安陽樣品分布于PCoA分析圖左上側(cè). PCoA分析結(jié)果表明不同樣品來源浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有所差異,其中渠首、方城浮游細(xì)菌群落組成較為相似,地理距離相近的新鄭、溫縣樣品浮游細(xì)菌群落組成也較為相似,安陽樣品與其他組樣品群落組成有所差異.后續(xù)使用基于unweighted unifrac的UPGMA 方法對(duì)渠首等5點(diǎn)位樣品浮游細(xì)菌群落構(gòu)成的相似性進(jìn)行聚類分析,同樣可以有效的將不同地理分布樣品實(shí)現(xiàn)組間聚類(圖2).

2.5 浮游細(xì)菌群落組成

高通量測(cè)序結(jié)果表明,15組實(shí)驗(yàn)樣品OTU平均數(shù)525(表3),經(jīng)過分析主要為細(xì)菌的 25個(gè)門,包括放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、擬桿菌門 (Bacteroidetes)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、裝甲菌門(Armatimonadetes)、芽單胞菌門(Gemmatim- onadetes)等(圖3).

其中渠首樣品包含14個(gè)門,方城、新鄭樣品包含20個(gè)門,溫縣樣品包含21個(gè)門,安陽樣品包含17個(gè)門.浮游細(xì)菌主要分布于407個(gè)屬,其中渠首樣品包括296個(gè)屬,方城樣品包括303個(gè)屬,新鄭樣品包含339個(gè)屬,溫縣樣品包括342個(gè)屬,安陽樣品包括293個(gè)屬.屬于放線菌門、變形菌門、浮霉菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、擬桿菌門和疣微菌門的序列總和占全部序列的97.28%~98.34%,這些細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)種群(圖3).其中,放線菌門為渠首樣品最優(yōu)勢(shì)種群,占總?cè)郝涞?0.64%,同時(shí)為方城、新鄭、溫縣和安陽樣品第二優(yōu)勢(shì)菌群,占比分別為20.31%、30.80%、20.57%和18.86%.變形菌門為方城、新鄭、溫縣和安陽樣品最優(yōu)勢(shì)種群和渠首樣品第二優(yōu)勢(shì)菌群,分別占總?cè)郝涞?1.70%、45.55%、50.28%、58.40%和34.03%.

2.6 不同樣品差異細(xì)菌分析

為了進(jìn)一步確定各組細(xì)菌種屬的豐富度差異,采用在線統(tǒng)計(jì)工具LEfSe來尋找宏基因組生物標(biāo)志物.該方法是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異、生物學(xué)一致性和相同檢驗(yàn)效能估計(jì)基礎(chǔ)之上的,通過分析高通量測(cè)序數(shù)據(jù)在每個(gè)樣品中的分類信息,在生物學(xué)上提供不同級(jí)別的可能的生物標(biāo)志物[18]. LEfSe法計(jì)算出不同樣品中的差異菌屬,所有菌在門、綱、目、科、屬水平的差異信息用餅形圖表示(圖4).在門的水平上,渠首樣品中3個(gè)門(放線菌門、芽單胞菌門和WCHB1-60)、方城樣品中2個(gè)門(變形菌門和裝甲菌門)、新鄭樣品中2個(gè)門(TM6)、溫縣樣品中1個(gè)門(酸桿菌門)和安陽樣品中1個(gè)門(擬桿菌門)的細(xì)菌存在顯著差異.在屬的水平上,渠首樣品中放線菌門的hgcI_clade等,變形菌門的、、LD28等,藍(lán)藻門的等9個(gè)門共37個(gè)屬的細(xì)菌存在顯著差異;方城樣品中變形菌門的、、、等,裝甲菌門的,放線菌門的,芽單胞菌門的等6個(gè)門共25個(gè)屬的細(xì)菌存在顯著差異;新鄭樣品中變形菌門的、、、等,放線菌門的、等,厚壁菌門的,擬桿菌門的、、等6個(gè)門共27個(gè)屬的細(xì)菌存在顯著差異;溫縣樣品中酸桿菌門的,擬桿菌門的、、等,變形菌門的、、、、等7個(gè)門共68個(gè)屬的細(xì)菌存在顯著差異;安陽樣品中放線菌門的,變形菌門的、、、等,擬桿菌門的等4個(gè)門共27個(gè)屬的細(xì)菌存在顯著差異.

2.7 浮游細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)分析

采用CCA分析水體環(huán)境因子與LEfSe分析篩選出的主要細(xì)菌之間的關(guān)系.由圖5可知,所分析的環(huán)境因子中Chl a、NH4+-N、TN、pH和TP與第1排序軸(AX1)正相關(guān),其中Chl a、NH4+-N、TN相關(guān)系數(shù)較大,呈顯著正相關(guān)(<0.05). COD、CODMn與AX1負(fù)相關(guān),其中CODMn達(dá)顯著水平. pH、COD、CODMn、NH4+-N和TP與第2排序軸 (AX2)正相關(guān),其中COD、CODMn相關(guān)系數(shù)都較大,達(dá)顯著水平(<0.05).TN和Chl a與第2排序軸 (AX2)負(fù)相關(guān), TN相關(guān)性系數(shù)為-0.78,呈顯著性負(fù)相關(guān).從第1、第2排序軸的相關(guān)性分析可以看出,TN、Chl a、NH4+-N、COD、CODMn能顯著影響浮游細(xì)菌群落,pH和TP對(duì)其也有一定影響.

CODMn、COD在CCA分析圖中箭頭方向和長度較為相似,與TN箭頭相反,所以CODMn、COD與細(xì)菌群落相關(guān)性分析結(jié)果相似,與TN相反.相關(guān)性分析表明,10個(gè)門46個(gè)屬的細(xì)菌與CODMn、COD和TN呈顯著性相關(guān),其中變形菌門占23個(gè)屬,為最大比例組成.變形菌門中Betaproteobacteria和Deltaproteobacteria的細(xì)菌與CODMn、COD呈顯著正相關(guān),與TN顯著負(fù)相關(guān),包括、、、、OM27clade等10個(gè)屬細(xì)菌.于此類似,疣微菌門,擬桿菌門的、、藍(lán)藻門的、放線菌門的、、hgcI clade等均與CODMn、COD呈顯著正相關(guān), 與TN顯著負(fù)相關(guān).放線菌門的、與CODMn、COD呈顯著負(fù)相關(guān),與TN顯著正相關(guān).Chl a與NH4+-N在CCA分析圖中箭頭方向和長度較為相似,所以與細(xì)菌群落相關(guān)性分析也相似.相關(guān)性分析表明,11個(gè)門112個(gè)屬的細(xì)菌與Chl a和NH4+-N呈顯著性相關(guān),其中變形菌門和擬桿菌門為主要組成,分別占72和15屬.變形菌門中Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria的絕大多數(shù)細(xì)菌與Chl a和NH4+-N呈顯著正相關(guān),包括等34個(gè)屬細(xì)菌.浮霉菌門的SM1A02、的細(xì)菌與Chl a和NH4+-N呈顯著正相關(guān).藍(lán)藻門的芽單胞菌門的裝甲菌門的以及放線菌門的hgcI clade、、等與Chl a和NH4+-N呈顯著負(fù)相 關(guān).

3 討論

3.1 中線干渠河南段水質(zhì)測(cè)定

丹江口水庫和干渠水質(zhì)狀況直接關(guān)系到受水區(qū)居民的飲水安全.長期監(jiān)測(cè)表明,丹江流域存在農(nóng)業(yè)面源污染,其中TN明顯超標(biāo),造成丹江口庫區(qū)水體的TN超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重[22-24].為了解通水干渠河南段水質(zhì)狀況及影響水質(zhì)的主要污染因子,本研究測(cè)定了通水后第二年豐水期(2016年7月)干渠河南段5個(gè)典型站位水質(zhì).結(jié)果表明TN (除渠首外,干渠4點(diǎn)位超過1.00mg/L,為III類地表水標(biāo)準(zhǔn))和CODMn(渠首樣品超過3.00mg/L,為II類地表水標(biāo)準(zhǔn))為庫區(qū)主要污染因子,該結(jié)果與朱媛媛等[23]關(guān)于丹江口庫區(qū)水質(zhì)主要受TN及CODMn等指標(biāo)的影響,且TN為丹江口庫區(qū)水質(zhì)主要限制因子的研究結(jié)果基本一致.

以TN、TP、CODMn和Chl a 4個(gè)參數(shù)對(duì)水庫營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),渠首和方城點(diǎn)位營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI為47.5和50.0,為中營養(yǎng)狀態(tài),與王晨溪等[14]關(guān)于中線工程調(diào)水前后不同時(shí)期丹江口庫區(qū)和干渠南陽段水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致.干渠其他3點(diǎn)位營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI分別為50.0(新鄭,中營養(yǎng)狀態(tài),)和52.5(溫縣、安陽, 輕度富營養(yǎng)狀態(tài)),該結(jié)果表明,隨著輸水過程水體富營養(yǎng)化程度逐漸增強(qiáng).中線工程總干渠輸水形式以明渠為主,水體富營養(yǎng)化是明渠污染的主要形式.研究表明水體能依靠生物降解、重力沉淀作用凈化水質(zhì),郭慶園[25]對(duì)南水北調(diào)中線工程京石段水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明,水體中NH4+-N經(jīng)過水體自凈和沿程降解作用(硝化作用),含量降低趨勢(shì)明顯.本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明干渠河南段隨著輸水過程水體富營養(yǎng)化程度逐漸增強(qiáng),分析可能有以下原因:(1)良好的水生生態(tài)系統(tǒng),對(duì)水質(zhì)凈化具有重要作用.比如,泥沙在天然水體的凈化過程中起著非常重要的作用,張繼育等[26]采集南水北調(diào)京石段干渠底泥模擬對(duì)水體鉻的去除.中線干渠河南段通水時(shí)間較短,可能尚未形成良好的水生生態(tài)系統(tǒng)(水生植物、水生動(dòng)物、底泥等),對(duì)水質(zhì)凈化能力較弱.(2)開放式渠道沒法完全避免外界污染物的侵入,如污染物由空氣進(jìn)入水體以及部分渠段地下水內(nèi)排與地下水污染物的滲漏等,這些均可能會(huì)引起水質(zhì)下降[2-3].本實(shí)驗(yàn)只是初步對(duì)干渠某一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),針對(duì)干渠水質(zhì)變化的確切原因和時(shí)空規(guī)律,需要對(duì)干渠水體及其水生生態(tài)系統(tǒng)等進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)研究.

3.2 中線干渠河南段浮游細(xì)菌群落組成

浮游細(xì)菌是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,本課題組曾于2016年枯水期(1月)對(duì)丹江口庫區(qū)浮游細(xì)菌群落進(jìn)行測(cè)定,并分析了庫區(qū)浮游細(xì)菌群落與水溫、Chla、COD、BOD、DO等諸多生態(tài)因子的關(guān)系[27],但關(guān)于中線干渠浮游細(xì)菌群落組成及其影響因素研究鮮見報(bào)道,相關(guān)工作亟待開展.為了研究通水后中線干渠浮游細(xì)菌群落組成,本實(shí)驗(yàn)采用Illumina公司MiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)渠首、方城等干渠河南段5點(diǎn)位浮游細(xì)菌群落組成進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其主要由放線菌門、變形菌門、浮霉菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、疣微菌門、裝甲菌門、芽單胞菌門等25個(gè)門組成,hgcI clade、CL500-29marine group、MWH-UniP1aquatic group、unclassified、等407個(gè)屬組成,表現(xiàn)出群落組成的豐富性,該結(jié)果全面地展示了干渠河南段的浮游細(xì)菌組成結(jié)構(gòu).同時(shí)比較發(fā)現(xiàn),干渠浮游細(xì)菌群落組成與之前研究的鄱陽湖、太湖、滇池等淡水湖泊[10,28-30]以及長江、南明河等河流[13,31-32]及其河口[33]等水體典型的細(xì)菌組成類群相似,這些典型的淡水細(xì)菌大都隸屬于變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門、擬桿菌門、放線菌門和疣微菌門等[6,29],這些細(xì)菌在湖泊、河流的元素循環(huán)和能量流動(dòng)中起到重要作用.本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了中線干渠河南段的浮游細(xì)菌種群類別,為中線工程水質(zhì)保護(hù)提供重要的依據(jù).

3.3 浮游細(xì)菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

研究表明,水體中的環(huán)境因子,包括形態(tài)特征(例如:水體大小和深度)、物理化學(xué)特征(例如:溫度、pH、鹽度、無機(jī)營養(yǎng)鹽等)、有機(jī)質(zhì)的濃度和類型以及食物網(wǎng)的組成和物種間的相互作用等均能影響浮游細(xì)菌的群落組成[6].本實(shí)驗(yàn)采用在線統(tǒng)計(jì)工具LEfSe分析各組細(xì)菌種屬的豐富度差異,同時(shí)對(duì)差異浮游細(xì)菌群落與理化指標(biāo)進(jìn)行CCA分析.結(jié)果表明,TN、NH4+-N、Chl a、COD、CODMn能顯著影響浮游細(xì)菌群落.丹江流域存在農(nóng)業(yè)面源污染,其中總氮明顯超標(biāo)[22,34],渠首TN超過0.5mg/L,為II類地表水標(biāo)準(zhǔn),干渠點(diǎn)位樣品TN顯著高于渠首樣品(<0.05),其中溫縣、安陽樣品NH4+-N差異達(dá)極顯著水平(< 0.01),表明隨著輸水過程水體TN濃度逐漸增強(qiáng)(表2).在各種水生態(tài)環(huán)境中,溶解無機(jī)氮是異養(yǎng)細(xì)菌重要的氮源,同時(shí)過量的氮可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,造成水質(zhì)惡化.Haukka等[35]報(bào)道在淡水生態(tài)系統(tǒng)中添加總氮和磷酸鹽后,浮游細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,這種變化可能與生態(tài)系統(tǒng)中添加營養(yǎng)物質(zhì)后引起的水體富營養(yǎng)化有關(guān).干渠河南段水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明渠首、方城和新鄭點(diǎn)位為中營養(yǎng)狀態(tài),溫縣和安陽為輕度富營養(yǎng)狀態(tài),隨著輸水過程水體富營養(yǎng)化程度逐漸增強(qiáng),從而影響干渠浮游細(xì)菌群落組成.

4 結(jié)論

4.1 2016年7月中線干渠河南段渠首、方城等5點(diǎn)位監(jiān)測(cè)結(jié)果表明水體的水質(zhì)總體較好,除TN和CODMn外,其他各項(xiàng)指標(biāo)符合I類水標(biāo)準(zhǔn)要求.以TN、TP、CODMn和Chl a 4個(gè)參數(shù)作為水質(zhì)營養(yǎng)狀態(tài)參數(shù),渠首、方城和新鄭3點(diǎn)位水體處于中營養(yǎng)狀態(tài),溫縣、安陽2點(diǎn)位水體處于輕度富營養(yǎng)狀態(tài).

4.2 高通量測(cè)序表明丹江口水庫具有豐富的浮游細(xì)菌群落組成,主要由放線菌門、變形菌門、浮霉菌門、擬桿菌門、藍(lán)藻門、裝甲菌門和疣微菌門等25個(gè)門和407個(gè)屬的細(xì)菌組成.浮游細(xì)菌群落多樣性排序?yàn)?溫縣>新鄭>方城>渠首>安陽.

4.3 浮游細(xì)菌與環(huán)境因子CCA分析表明,TN、NH4+-N、Chl a、COD、CODMn能顯著影響浮游細(xì)菌群落,pH和TP對(duì)其也有一定程度影響.

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Community structure and influencing factors of bacterioplankton in the Main Cancel of the Mid-line Project of South-to-North Water Division in sections of Henan Province.

CHEN Zhao-jin1,2, CHEN Hai-yan2,3, LI Yu-ying1,2*, HUANG Jin2,3, LU Kai-jie4, ZHAO Hai-jun2,3,LI Bing2,3, ZHU Jing-ya1,2,HU Lan-qun2,3

(1.Key Laboratory of Ecological Security for Water Source Region of Mid-line Project of South-to-North Diversion Project of Henan Province, College of Agricultural Engineering, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China；2.Henan Collaborative Innovation Center of Water Security for Water Source Region of Mid-line Project of South-to-North Diversion Project, Nanyang 473061, China；3.Emergency Centre for Environmental Monitoring of Mid-line Project of South to North Water Division, Xichuan 474475, China；4.Office of South to North Water Diversion of Fangcheng County, Fangcheng 473200, China).

To determine which factors may have an impact on the community composition of bacterioplankton, 15surface water samples were collected from the main cancel of the Mid-line Project of South-to-North Water Division in 5sections of Henan province, in July 2016, and 7essential environmental factors were evaluated. The results showed that water quality in the main cancel was strongly influenced by total nitrogen (TN) and the permanganate index (CODMn). Water system in Qushou, Fangcheng, and Xinzheng sections was under the mesotrophic state, and in Wenxian and Anyang sections, under the light eutrophic state. High-throughput sequencing was used to analyze distribution characteristics of the community structure, diversity of bacterioplankton. Phylogenetic analysis based on 16S ribosomal DNA sequences revealed that bacterioplankton could be subdivided into 25major phylogenetic and 407genus groups. The dominant phylogenetic groups included Actinobacteria, Proteobacteria, Planctomycetes, Bacteroidetes, Cyanobacteria, Verrucomicrobia, and Armatimonadetes. Diversity of the bacterioplankton community in the main cancel of the Mid-line Project of South-to-North Water Division could be ranked in the following order: Wenxian >Xinzheng > Fangcheng > Qushou > Anyang. The results of canonical correspondence analysis (CCA) of the relation between the bacterioplankton and 7 environmental factors showed that TN, ammonia nitrogen (NH4+-N), chlorophyll a (Chl a), chemical oxygen demand (COD), and the CODMnwere the main environmental factors affecting the distribution characteristics of the bacterioplankton community.

main cancel；bacterioplankton；community structure；high-throughput sequencing；environmental factor

172

A

1000-6923(2017)04-1505-09

2016-09-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601332);河南省教育廳高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A210012);南陽師范學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目(ZX2014069)

陳兆進(jìn)(1985-),男,安徽合肥人,講師,博士,主要從事土水污染控制、修復(fù)與資源化利用研究.發(fā)表論文10余篇.

* 責(zé)任作者, 教授, lyying200508@163.com

, 2017,37(4)：1505~1513