不同上覆水氟濃度對湖泊沉積物氟釋放與微生物群落的影響*

朱 翔，徐志鵬,2，羅一單,2，彭福全，龐晴晴，謝 磊,3，馬玉珅,2，汪龍眠

(1：生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042) (2：河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210098) (3：南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211800)

水體中氟化物污染已經(jīng)成為全球性環(huán)境問題，中國作為世界上氟化物污染較為嚴重的國家之一，形勢不容樂觀[1-2]. 劉璇等[3]研究吉林西部湖泊F-濃度結(jié)果顯示：F-濃度最低為3.10 mg/L，最高達到32.56 mg/L，遠超我國地表水Ⅲ類標準(1 mg/L). 寧夏地區(qū)也報道了F-濃度高的現(xiàn)象. 寧夏清水河上游地下水F-濃度范圍為0.83～2.51 mg /L，平均值為1.47 mg /L[4]. Tian等[5]在研究寧夏沙湖時發(fā)現(xiàn)，2019年沙湖地表水F-濃度為0.95～1.40 mg/L，周邊35%的采樣點中地下水F-濃度超過1 mg/L.

針對現(xiàn)有研究的不足，為明確湖泊上覆水F-濃度變化對沉積物F-釋放的地球化學(xué)與微生物影響機制，本文模擬沙湖沉積物-水系統(tǒng)，以上覆水F-濃度為主要控制因子，分析上覆水與孔隙水中F-濃度、pH和主要離子的變化規(guī)律，研究上覆水F-濃度變化條件下沉積物優(yōu)勢菌屬相對豐度的變化，分析沉積物優(yōu)勢菌屬與F-及其他主要離子濃度的相互作用，從地球化學(xué)與微生物兩個方面探究不同上覆水F-濃度背景下沙湖沉積物-水系統(tǒng)內(nèi)F-釋放和遷移的機理，為沙湖及其他高氟湖泊防治提供理論支持.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

沙湖(38°45′N，106°18′E)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市，地處賀蘭山麓，沙湖的表面積為13.96 km2，平均深度為2.2 m[19]. 沙湖地區(qū)屬于干旱和半干旱的大陸性氣候，蒸發(fā)強烈. 降雨主要集中在夏季的7-9月，平均年降水量為172.5 mm，而年平均蒸發(fā)量卻達到1755.1 mm[20]，年平均溫度為9.5℃，晝夜溫差一般可達12～15℃. 2011-2018年沙湖氟離子濃度先增加后降低，并在2015年達到峰值1.59 mg/L[21].

沙湖的巖性主要為黏土砂、細砂和砂質(zhì)黏土，由石英(40%～70%)、斜長石(15%～25%)、鈉長石(5%)、伊利石(2.5%～6%)、亞氯酸鹽(3%～5.5%)、方解石和白云石(2.2%～15.5%)以及少量的石膏(0.2%)和角閃石(0.3%)[22]組成.

1.2 樣品采集與處理

采樣時間為2020年11月，采集沙湖沉積物樣品和水樣. 采樣點位(38°49′N，106°21′E)遠離河道、閘口、旅游區(qū)以及可能的污染源頭且沉積物中微生物種類豐富，共采集水樣25 kg，泥樣10 kg. 采樣選擇風小、水面穩(wěn)定時進行.

1.3 實驗設(shè)計

實驗裝置為10根形狀相同的聚氯乙烯(PVC)圓柱，圓筒直徑為9 cm，高度為60 cm. 實驗開始前，在圓柱底部鋪設(shè)20 cm高的原始湖泊沉積物. 根據(jù)監(jiān)測的水質(zhì)指標，在實驗室配制模擬原水，以模擬上覆水(為避免原水中微生物、藻類等因素的干擾，更精確地計算沉積物中氟離子的釋放量，使用配制模擬原水.)，上覆水高30 cm. 配置水質(zhì)指標所需試劑及劑量(括號中數(shù)值為試劑投加量，按10 L配置水量計算)為：NaOH(3.5 mg)、C6H12O6(243.7 mg)、KH2PO4(0.9 mg)、NaNO3(4.5 mg)、NH4Cl(5.1 mg)、NaF(15.3 mg)、NaCl(2991.3 mg)、KCl(153.3 mg)、CaCl2(871.4 mg)、MgSO4(3090.0 mg)、NaHCO3(1323.3 mg)、MgCl2(156.6 mg)、CaSO4(357.0 mg).

為研究不同濃度的上覆水F-對沉積物-水體系中氟化物遷移的影響，以原上覆水中F-為1倍濃度(0.69 mg/L)，設(shè)計了不同濃度梯度，分別為以原水濃度為1倍濃度(0.69 mg/L)，設(shè)置0.5倍組(0.35 mg/L)、1倍組(0.69 mg/L)、2倍組(1.38 mg/L)和4倍組(2.76 mg/L)4個F-濃度梯度組. 另外，為研究微生物對氟化物遷移的影響，在1倍濃度組中增設(shè)1倍滅菌組(0.69 mg/L)，共設(shè)置5個實驗組，上述各組均設(shè)1個平行組.

在實驗室環(huán)境預(yù)培養(yǎng)3天后，在實驗第1、2、3、5、7、10、15、20、25、30天分別收集80 mL上覆水和50 mL孔隙水，共計200個水樣并測量各指標. 其中孔隙水利用Rhizosphere土壤溶液取樣器[23](Rhizon SMS，荷蘭)采集，每次取完水樣后，將準備好的上覆水模擬水沿柱壁緩慢補充各圓筒至原來高度.

1.4 分析方法

1.4.2 湖泊沉積物中微生物群落分析 1) 微生物樣品收集：實驗結(jié)束后采集實驗組10組沉積物樣品(每組包含1個平行樣)，10組實驗組的沉積物均收集自沉積物-水界面下5～10 cm處. 實驗結(jié)束后立即將10組實驗組和1組初始沉積物樣品(共11組)保存在-80℃環(huán)境中.

2) DNA提取與Illumina高通量測序：稱取沉積物樣品0.25 g，使用OMEGA Soil DNA Kit (D5625-01) (Omega Bio-Tek，美國)提取總基因組DNA樣本，具體步驟按照制造商的說明. 在進一步分析之前保存在 -20℃ 環(huán)境中. 分別使用NanoDropND-1000分光光度計(ThermoFisherScientific，美國)和1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取DNA的數(shù)量和質(zhì)量.

使用正向引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGAGGCAGCA-3′)和反向引物806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對細菌16SrRNA基因V3-V4區(qū)進行PCR擴增. PCR擴增子用Vazyme VAHTSTM DNA Clean Beads(Vazyme，南京，中國)純化，并使用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit(Invitrogen，美國)進行定量. 進行單獨的定量步驟后，將等量的擴增子合并，并使用上海派森諾生物科技股份有限公司(中國上海)的IllluminaMiSeq平臺和MiSeqReagent Kit v3的雙端2×250 bp測序[28-30].

3)微生物群落結(jié)構(gòu)分析：通過層次聚類和冗余分析(redundancy analysis，RDA)挖掘樣品間的物種組成差異和環(huán)境因子的相關(guān)性[31-32].

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)實驗結(jié)果和質(zhì)量守恒定定律計算沉積物中F-的累次釋放量和單次釋放量，計算公式見式(1)～(2)：

Mi=(C1i·V1+C2i·V2)-(C10·V1+C20·V2)

(1)

式中，Mi為第i次實驗測試結(jié)果沉積物F-的累次釋放量，mg；C10為初始上覆水中F-濃度，mg/L；C20為初始孔隙水中F-濃度，mg/L；C1i為第i次實驗此時結(jié)果上覆水中F-濃度，mg/L；C2i為第i次實驗此時結(jié)果孔隙水中F-濃度，mg/L；V1為容器中上覆水體積，L；V2為容器中孔隙水體積，L；i為實驗測試次數(shù)，當i=10時，計算結(jié)果則為釋放總量，否則為累次釋放量.

mi=Mi-Mi-1

(2)

式中，mi為第i次實驗測試結(jié)果沉積物F-的單次釋放量，mg；Mi為第i次累次釋放量，mg；Mi-1為第i-1次累次釋放量，mg；i為實驗測試次數(shù).

水質(zhì)數(shù)據(jù)變化通過Origin 2018軟件繪制，上覆水中各陰陽離子與F-間的相關(guān)性(Pearson相關(guān)性分析)以及上覆水F-與pH間的相關(guān)性(一元線性回歸分析)利用Excel 2010、SPSS 22.0軟件計算. 采用R語言進行方差分析，采用UPGMA算法對微生物群落進行Beta多樣性層次聚類分析，基于97%相似水平的OUT對主要菌屬的相對豐度和環(huán)境因子的相關(guān)性開展RDA分析，利用PHREEQC 2.16計算飽和指數(shù)[5].

圖1 不同實驗組上覆水和孔隙水F-濃度變化Fig.1 F- concentration changes of overlying water and pore water in different groups

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水和孔隙水F-濃度變化

圖2 各實驗組沉積物釋放F-總量Fig.2 Total amount of F- released by sediments in each group

根據(jù)圖1所示，初始時0.5倍、1倍、1倍滅菌、2倍、4倍濃度組上覆水F-濃度分別為0.35、0.69、0.69、1.38 和2.76 mg/L，隨實驗進行，各組上覆水和孔隙水F-濃度發(fā)生了不同程度變化，除了4倍濃度組F-濃度有所下降(實驗結(jié)束時為2.51 mg/L)，其余4組的上覆水F-濃度均有小幅度的上升. 另外1倍滅菌組中上覆水及孔隙水F-濃度均要稍低于同倍非滅菌組，說明微生物活動會影響F-的遷移.

2.2 湖泊沉積物F-釋放量

如圖2所示，沉積物釋放F-的總量由高到低依次為0.5倍、1倍、1倍滅菌、2倍和4倍組. 其中2倍組和4倍組沉積物由釋放F-轉(zhuǎn)為吸附F-. 相比于1倍滅菌組，1倍組中沉積物F-釋放量更高. 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，沉積物總氟含量為41.49 mg. 各實驗組釋放F-含量占總量的比例分別為0.85%(0.5倍組)、0.69%(1倍組)、0.19%(1倍滅菌組)、-0.35%(2倍組)以及-1.45%(4倍組)(負號代表吸附).

2.3 微生物群落變化

從初始沉積物及各實驗組共11個樣品的層次聚類圖(圖3)可以看出，左側(cè)各組的相似關(guān)系總體可以分為滅菌組和非滅菌組兩大類，證明滅菌會對沉積物中微生物群落產(chǎn)生很大影響. 由圖3可知，除Thiobacillus外，實驗前后沉積物主要菌屬組成有較大差異. 初始沉積物中Paenisporosarcina相對豐度較高，但實驗后各濃度組該菌屬相對豐度接近0，表明上覆水F-濃度一定程度上抑制了Paenisporosarcina的代謝和生長；Clostridium_sensu_stricto_13和Fusibacter在各濃度組占比與初始沉積物相比都有不同程度的增加. 滅菌組和其他非滅菌組沉積物中菌落在屬水平組成上表現(xiàn)出極大差異. 滅菌組菌屬以Sedimentibacter和Exiguobacterium為絕對主導(dǎo)，而非滅菌組中Thiobacillus占絕對支配，但隨F-濃度增加，其相對豐度逐漸降低. 非滅菌組中不同濃度組沉積物菌落整體組成差異不大，僅1_1中Clostridium_sensu_stricto_1，2_1、4_1和4_2中Fusibacter相對豐度較高，其中Fusibacter表現(xiàn)出良好耐高濃度氟的屬性.

圖3 基于屬水平各實驗組相對豐度的層次聚類分析 (0為處理前的樣品編號，05_1、05_2、1_1、1_2、1_1#、1_2#、2_1、2_2、4_1和4_2為處理后的樣品編號， “_”前面數(shù)字表示上覆水F-濃度倍數(shù)，后面數(shù)字表示平行樣編號，#表示滅菌組，下同)Fig.3 The hierarchical cluster analysis based on the relative abundance of different groups at the genus level

2.4 水體化學(xué)特征對湖泊沉積物F-釋放的影響

2.4.1 pH對湖泊沉積物F-釋放的影響 實驗數(shù)據(jù)顯示，上覆水pH平均值為7.25，并且在各濃度條件下均無顯著差異；0.5倍組孔隙水pH值(平均值為7.1)顯著低于其他組，其余4組無顯著差異，且平均值為7.4.

表1 各實驗組上覆水中離子濃度平均值

表2 各實驗組上覆水中F-與離子濃度的Pearson相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同上覆水F-濃度背景下環(huán)境因子與湖泊沉積物中微生物群落的相互作用

圖4 孔隙水中主要菌屬相對豐度與 環(huán)境因子的RDA分析 Fig.4 RDA analysis of main bacteria and environmental factors of pore water

3.2 不同上覆水F-濃度下pH對湖泊沉積物F-釋放的影響

3.3 上覆水中主要離子與F-濃度的相關(guān)關(guān)系

圖5 各實驗組沉積物中CaCO3和CaF2的飽和指數(shù)Fig.5 Saturation indixes of calciteand fluorite in sediments of each group

各實驗組沉積物表現(xiàn)出98%的CaCO3飽和指數(shù)>0和所有螢石CaF2飽和指數(shù)<0，表明本實驗沉積物-水體系更容易發(fā)生含鈣礦石的沉淀和含氟礦石的溶解. 各濃度組之間相比，4倍濃度組CaF2飽和指數(shù)最高(-0.89～-0.58)，0.5倍濃度組CaF2飽和指數(shù)最低(-2.63～-1.81)，因為上覆水較高的F-濃度會抑制CaF2等含氟礦物的溶解.

圖6 0.5倍和4倍實驗組上覆水Ca2+和濃度變化Fig.6 The changes of Ca2+ and concentrations of two groups (0.5 and 4 times)

圖7 不同實驗組間上覆水與孔隙水F-濃度差Fig.7 The F- concentration gradient between overlying water and pore water of each group

4 結(jié)論

1)不同F(xiàn)-濃度背景下，沉積物F-的釋放量由大到小依次為0.5倍組、1倍組、1倍滅菌組、2倍組和4倍組，沉積物F-的釋放量隨上覆水F-濃度的增加而呈下降的趨勢，其中2倍和4倍組的沉積物由釋放F-轉(zhuǎn)變?yōu)槲紽-. 對比滅菌組和非滅菌組，滅菌組F-的釋放量更小.

2)初始組中Paenisporosarcina相對豐度較高，但實驗后各濃度組該菌屬相對豐度接近0，滅菌組菌屬以Sedimentibacter和Exiguobacterium為主要菌屬，而非滅菌組中Thiobacillus占絕對支配. 非滅菌組中，隨著F-濃度增加，Thiobacillus的相對豐度逐漸降低，而Fusibacter的相對豐度逐漸升高.

3)除了0.5倍組，其余各組沉積物F-釋放量均與上覆水pH呈顯著正相關(guān)，其中4倍濃度組呈極顯著相關(guān). pH越大，沉積物中F-釋放增量越大.

5)通過模擬沙湖沉積物-水系統(tǒng)，探究不同上覆水F-濃度背景下沙湖沉積物中F-釋放和遷移機理，為沙湖及其他含氟地表水防治提供理論支持.