基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的中國(guó)地下水微生物研究現(xiàn)狀分析

李 軍，張 恒 星3，藍(lán) 芙 寧

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004； 2.自然資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

隨著分子生物學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和地下水問(wèn)題日益突出[1-3]，深入了解地下水環(huán)境中微生物群落特征，充分發(fā)揮微生物群落在地下水污染修復(fù)過(guò)程中的作用，已成為當(dāng)前地下水問(wèn)題研究所需。我國(guó)地下水微生物研究報(bào)道最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，中科院微生物所、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和吉林醫(yī)學(xué)院是我國(guó)最早開(kāi)展地下水微生物研究的機(jī)構(gòu)[4-6]。此后40 a，該領(lǐng)域發(fā)展緩慢，直至進(jìn)入21世紀(jì)，分子生物學(xué)技術(shù)[7]的廣泛應(yīng)用使得地下水微生物研究進(jìn)入新篇章。通過(guò)梳理2000年以來(lái)中國(guó)地下水微生物研究階段性成果，客觀揭示地下水微生物研究現(xiàn)狀與重點(diǎn)，為今后地下水微生物探索性研究和創(chuàng)新提供參考。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是應(yīng)用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究文獻(xiàn)學(xué)的交叉科學(xué)[8]。多數(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)具有文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析功能，也有研究者開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于文獻(xiàn)計(jì)量分析的軟件，并應(yīng)用于眾多研究領(lǐng)域[9-10]。美國(guó)德雷塞爾大學(xué)陳超美教授開(kāi)發(fā)的CiteSpace軟件是當(dāng)下最流行的知識(shí)圖繪工具之一[11-13]，應(yīng)用廣泛[14-16]。國(guó)內(nèi)地下水微生物研究報(bào)道逐年增加，但缺少階段性研究成果的量化分析。期刊論文能夠清晰反映我國(guó)地下水微生物研究領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和重點(diǎn)，碩博論文則能夠較詳細(xì)揭示地下水微生物研究領(lǐng)域的系統(tǒng)性和完整性。因此，本文以2000年以來(lái)中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)中地下水微生物相關(guān)期刊論文和碩博論文為基礎(chǔ)，利用Excel統(tǒng)計(jì)、CNKI可視化和CiteSpace軟件進(jìn)行量化分析，揭示本領(lǐng)域當(dāng)前研究現(xiàn)狀和重點(diǎn)，以期為后續(xù)研究創(chuàng)新和突破提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)是國(guó)內(nèi)最大的全文數(shù)據(jù)庫(kù)，收錄了8 000多種學(xué)術(shù)期刊和大多數(shù)碩博論文，幾乎涵蓋了國(guó)內(nèi)所有的研究領(lǐng)域，是世界上最大的持續(xù)更新的全文數(shù)據(jù)庫(kù)[17]，利用CNKI全文數(shù)據(jù)庫(kù)能夠較精確地反映出某領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與重點(diǎn)。本文數(shù)據(jù)樣本來(lái)源于CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定檢索類(lèi)型為“主題”，檢索詞為“地下水 微生物”，檢索時(shí)間段為2000～2018年(2018年7月)，選擇“期刊”選項(xiàng)，共檢索出763篇相關(guān)文獻(xiàn)，剔除不相關(guān)和相關(guān)性不大文獻(xiàn)，得到397篇文獻(xiàn)；選擇“碩博士”選項(xiàng)，逐篇核查后獲得199篇碩博論文。

1.2 研究方法

基于Excel統(tǒng)計(jì)、CNKI可視化和CiteSpace軟件，分別對(duì)地下水微生物研究領(lǐng)域期刊和碩博論文發(fā)文量、關(guān)鍵詞、研究作者、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，以便客觀真實(shí)地揭示國(guó)內(nèi)地下水微生物研究現(xiàn)狀。利用Excel統(tǒng)計(jì)分析歷年發(fā)文量，利用CiteSpace 5.2.R2對(duì)397篇期刊論文關(guān)鍵詞、研究作者和發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化分析，利用新版CNKI網(wǎng)站自帶可視化分析模塊對(duì)199篇碩博論文關(guān)鍵詞、發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化分析。共現(xiàn)圖譜的文字或節(jié)點(diǎn)大小表示出現(xiàn)頻率高低，不同顏色表示不同年份，各節(jié)點(diǎn)間連線表示各元素關(guān)聯(lián)程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文情況

多年發(fā)文量可以直接反映我國(guó)地下水微生物研究領(lǐng)域的活躍程度。由圖1知，我國(guó)地下水微生物研究期刊發(fā)文量由緩慢增長(zhǎng)階段過(guò)渡至平穩(wěn)波動(dòng)階段。2008年以前，地下水微生物研究領(lǐng)域期刊發(fā)文量均在20篇以下，增長(zhǎng)速度緩慢，平均發(fā)文量近12篇/a；2009年，發(fā)文量突增至33篇，此后，期刊發(fā)文量進(jìn)入平穩(wěn)波動(dòng)階段，發(fā)文量為29篇/a。碩博論文發(fā)文量總體增加，發(fā)文趨勢(shì)與期刊相近，其中碩士論文146篇，占73.4%，博士論文53篇，占26.6%。2008年以前，碩博論文發(fā)文量小于3篇/a；2009年以后，碩博論文發(fā)文量呈先增后降走勢(shì)；2015年發(fā)文量最大為達(dá)35篇。2009年以后，地下水微生物研究進(jìn)入了相對(duì)活躍的階段。一方面因?yàn)榉肿由飳W(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，促使其商業(yè)化推廣和低成本應(yīng)用，另一方面是科研人員對(duì)地下水污染研究的重視以及對(duì)微生物巨大作用潛力的深度認(rèn)知[18-19]。

2.2 研究現(xiàn)狀

關(guān)鍵詞是論文研究主題和核心觀點(diǎn)的集中體現(xiàn)[20]，分析近些年論文關(guān)鍵詞是了解地下水微生物研究現(xiàn)狀的重要途徑。利用CiteSpace 5.2.R2對(duì)397篇期刊論文關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，共得到68個(gè)節(jié)點(diǎn)、156條關(guān)系連線(見(jiàn)圖2(a))，Q值為0.490，大于0.3，S值為0.659，大于0.5，圖譜可信。利用CNKI網(wǎng)站自帶可視化分析模塊對(duì)199篇碩博論文關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)，過(guò)濾出現(xiàn)頻次小于10次的關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞聚類(lèi)圖譜(見(jiàn)圖2(b))。分別導(dǎo)出并統(tǒng)計(jì)期刊論文和碩博論文出現(xiàn)頻率排名前10的關(guān)鍵詞，見(jiàn)表1。

圖1 2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物研究領(lǐng)域發(fā)文量Fig.1 The number of published papers on groundwater microbial research in China since 2000

圖2 2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.2 The co-occurrence map of key words on groundwater microbial research in China since 2000

2.2.1期刊論文關(guān)鍵詞揭示研究現(xiàn)狀

據(jù)圖2(a)和表1，地下水污染修復(fù)是地下水微生物研究的重要內(nèi)容，硝酸鹽和石油烴為地下水中主要研究的污染物。針對(duì)地下水不同污染物，一部分學(xué)者通過(guò)傳統(tǒng)微生物純培養(yǎng)和分子生物學(xué)方法揭示了地下水污染狀態(tài)下生物自然衰減能力[21]、微生物群落特征及與環(huán)境因子之間相關(guān)性[22]；一部分學(xué)者進(jìn)行地下水污染生物修復(fù)研究，主要包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M[23-25]和原位生物修復(fù)[26-28]。

表1 2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物領(lǐng)域高頻詞Tab.1 The high frequency key words on groundwater microbial research in China since 2000

生物自然衰減是利用土著微生物對(duì)地下水污染物進(jìn)行生物降解，無(wú)需人工干預(yù)。利用分子生物學(xué)技術(shù)檢測(cè)地下水微生物群落與功能組成是監(jiān)測(cè)生物自然衰減的重要手段，且生物檢測(cè)技術(shù)具有反應(yīng)快、成本低等優(yōu)點(diǎn)[29]。從16S rRNA入手[30]，可揭示地下水不同污染壓力下微生物群落組成與豐度，鑒別優(yōu)勢(shì)菌群，通過(guò)比較不同污染物與污染壓力下微生物群落組成與豐度差異，可有效分析菌群與污染物之間的相關(guān)性。薛銀剛等采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)工業(yè)園區(qū)地下水和土壤細(xì)菌16S rRNA測(cè)序，揭示了不同環(huán)境中地下水與土壤微生物群落多樣性與相對(duì)豐度差異，鑒別出各自的優(yōu)勢(shì)菌群，為地下水環(huán)境生態(tài)評(píng)價(jià)提供依據(jù)[31]。從功能基因入手[32]，可揭示污染環(huán)境下功能基因結(jié)構(gòu)組成，與污染物轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因存在與否及存在多少是生物自然衰減的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。李軍等針對(duì)地下水不同污染環(huán)境，較深入地概述了利用基因芯片揭示功能基因結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的響應(yīng)變化情況[33]，從功能基因角度為地下水污染修復(fù)提供科學(xué)參考。從宏轉(zhuǎn)錄組入手[34-35]，可揭示污染環(huán)境中活性微生物、活性轉(zhuǎn)錄本和活性功能，比較不同污染壓力下差異表達(dá)基因和功能基因，是地下水污染自然衰減的重要證據(jù)之一。

生物自然衰減能力往往是有限的，原位生物修復(fù)是在污染原地點(diǎn)采取一定工程措施，強(qiáng)化微生物對(duì)污染物降解的能力，從而達(dá)到快速修復(fù)效果的技術(shù)。原位生物修復(fù)按添加組分可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是添加經(jīng)過(guò)馴化的菌群和相應(yīng)的添加劑。通過(guò)模擬試驗(yàn)篩選添加劑往往是地下水原位生物修復(fù)的首要步驟。陳雷等取用活性污泥為微生物來(lái)源，設(shè)計(jì)了9組碳源與載體不同比例組合的柱實(shí)驗(yàn)，模擬了地下水中不同濃度硝酸鹽降解情況，最終篩選出最佳比例，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硝酸鹽氮濃度介于40～100 mg/L時(shí)，異養(yǎng)反硝化作用對(duì)硝酸鹽去除效果最佳[36]。另一類(lèi)是直接向地下水污染區(qū)注入添加劑，刺激強(qiáng)化降解污染物的土著微生物，以而達(dá)到修復(fù)目的。特別是注入添加劑后地下水微生物群落和功能基因結(jié)構(gòu)變化的研究是國(guó)外研究的熱點(diǎn)之一[37-39]，與污染元素轉(zhuǎn)化相關(guān)的功能基因和分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)信息是揭示地下水污染修復(fù)機(jī)理和微生態(tài)變化的重要依據(jù)。

2.2.2碩博論文關(guān)鍵詞揭示的研究現(xiàn)狀

2.3 研究作者

研究作者共現(xiàn)圖譜是揭示地下水微生物研究領(lǐng)域核心作者和其他作者間合作關(guān)系的重要方法。相比碩博論文，期刊作者反映的信息更具代表性。利用CiteSpace 5.2.R2對(duì)397篇期刊論文作者進(jìn)行聚類(lèi)，生成中國(guó)地下水微生物研究作者共現(xiàn)圖譜(見(jiàn)圖3)，共得到70個(gè)節(jié)點(diǎn)、101條關(guān)系連線，Q值為0.856，大于0.3，S值為0.565，大于0.5，圖譜結(jié)果可信。

由圖譜節(jié)點(diǎn)可知，節(jié)點(diǎn)最大的作者是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所張勝研究員，發(fā)表論文4篇及以上的分別是劉菲、林學(xué)鈺、席北斗、張?zhí)m英、張?jiān)啤⑼跹嫘隆埣獛?kù)、張明。從作者發(fā)表首篇論文時(shí)間可知，我國(guó)地下水微生物的研究作者經(jīng)歷了三個(gè)階段的發(fā)展，2000～2010年地下水微生物研究的重要學(xué)者是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的張勝研究員和吉林大學(xué)林學(xué)鈺院士。利用CiteSpace 5.2.R2的Burstness功能，發(fā)現(xiàn)林學(xué)鈺院士于2000～2004年呈強(qiáng)引突顯，張勝研究員于2004～2009年呈強(qiáng)引突顯，他們開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)地下水傳統(tǒng)微生物研究的先河，特別是張勝研究員，是奠定我國(guó)地下水傳統(tǒng)微生物研究基礎(chǔ)的重要貢獻(xiàn)者[43-45]。此外，沈陽(yáng)建筑大學(xué)張吉庫(kù)教授在地下水除鐵、錳研究中涉及到了微生物領(lǐng)域[46]。2011～2015年，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)劉菲教授和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)王焰新教授是地下水微生物研究的重要學(xué)者。2016年至今，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院席北斗、王月、涂婷、安達(dá)在地下水污染微生物方面發(fā)文貢獻(xiàn)顯著。

圖3 2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物研究作者共現(xiàn)圖譜Fig.3 The co-occurrence map of authors on groundwater microbial research in China since 2000

2.4 研究機(jī)構(gòu)

研究機(jī)構(gòu)是培養(yǎng)人才和發(fā)表成果的重要基質(zhì)。利用CiteSpace 5.2.R2對(duì)397篇期刊論文研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行聚類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)圖4(a)，共得到36個(gè)節(jié)點(diǎn)、23條關(guān)系連線，Q值為0.797，大于0.3，S值為0.342，略低于0.5，圖譜結(jié)果基本可信。碩博論文僅少數(shù)為聯(lián)合培養(yǎng)成果，碩博論文發(fā)文量采用餅狀圖更能體現(xiàn)主要研究機(jī)構(gòu)，利用CNKI可視化分析模塊對(duì)199篇碩博論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖4(b)。

由圖4(a)知，從機(jī)構(gòu)發(fā)文量看，吉林大學(xué)發(fā)文量最多，二級(jí)機(jī)構(gòu)是吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院和地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其次是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所。從合作關(guān)系看，吉林大學(xué)合作關(guān)系最廣泛，其次是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所。由圖4(b)知，碩博論文發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，達(dá)44篇，其次是吉林大學(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)，分別為34篇和11篇，發(fā)表碩博論文達(dá)7篇的機(jī)構(gòu)有中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)、天津大學(xué)、華東理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)。發(fā)文量排名前7的機(jī)構(gòu)共發(fā)文117篇，占總發(fā)文量的58.8%，碩博論文發(fā)文數(shù)量相對(duì)集中在少數(shù)研究機(jī)構(gòu)。因此，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)、吉林大學(xué)是為該研究領(lǐng)域培養(yǎng)碩博人才最多的機(jī)構(gòu)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院碩博論文發(fā)文量?jī)H1篇，這與中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院研究生招生數(shù)量有一定關(guān)系。

圖4 2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物研究機(jī)構(gòu)發(fā)文情況Fig.4 The co-occurrence map of institutions on groundwater microbial research in China since 2000

據(jù)2000年以來(lái)期刊發(fā)文量，將排名前10的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。其中，吉林大學(xué)在地下水微生物研究領(lǐng)域發(fā)文量達(dá)34篇，是該研究領(lǐng)域發(fā)文量最多的研究機(jī)構(gòu)，其次是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，發(fā)文量分別為18，14篇。發(fā)文量排名前10的機(jī)構(gòu)共發(fā)文91篇，占總發(fā)文量22.9%，說(shuō)明我國(guó)地下水微生物研究的機(jī)構(gòu)較多，但機(jī)構(gòu)發(fā)文量分布分散。隨著我國(guó)污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻和生態(tài)文明建設(shè)實(shí)際需要，地下水微生物研究從早期少數(shù)水文地質(zhì)學(xué)家關(guān)注逐漸發(fā)展到涉及環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等眾多研究領(lǐng)域，參與地下水微生物研究的機(jī)構(gòu)明顯增加，但多數(shù)學(xué)者僅在某一時(shí)段在水文地質(zhì)研究中涉及微生物研究或?qū)鹘y(tǒng)微生物和分子生物技術(shù)應(yīng)用于地下水研究，長(zhǎng)期專(zhuān)門(mén)從事地下水微生物研究的機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)團(tuán)體并不多見(jiàn)，這也是造成我國(guó)地下水微生物研究落后于國(guó)外的一個(gè)重要原因。

表2 2000年以來(lái)地下水微生物發(fā)文數(shù)量前10的研究機(jī)構(gòu)Tab.2 Top 10 research institutions on groundwater microbial research in China since 2000

3 結(jié)論與建議

在地下水微生物研究中，地下水污染問(wèn)題無(wú)疑是最值得關(guān)注的領(lǐng)域。本文利用Excel統(tǒng)計(jì)、CNKI可視化和CiteSpace軟件，分析了2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)地下水微生物領(lǐng)域發(fā)表的397篇期刊論文和199篇碩博論文，在一定程度上揭示了地下水微生物領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，有助于了解該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和研究重點(diǎn)。

(1) 中國(guó)地下水微生物研究起步較晚，發(fā)展較快，取得階段性成果豐碩，特別是2009年以后，地下水微生物研究進(jìn)入了相對(duì)快速發(fā)展階段。

(2) 地下水微生物研究主要圍繞地下水污染開(kāi)展，一方面通過(guò)添加降解菌群、修復(fù)劑，調(diào)控修復(fù)環(huán)境，使用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微生物最大化降解地下水污染物的目標(biāo)，為地下水污染修復(fù)提供技術(shù)支持；另一方面利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)不同污染壓力和修復(fù)階段微生物群落特征和功能基因組成變化情況，為地下水污染修復(fù)提供理論支撐。在國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的迫切需求下，最大化發(fā)揮微生物群落在地下水污染修復(fù)中的作用潛力仍是當(dāng)下研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(3) 研究地下水微生物的科研人員和研究單位不斷發(fā)展壯大，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所的張勝研究員、吉林大學(xué)林學(xué)鈺院士、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)劉菲教授、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)王焰新教授和中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院席北斗研究員分別是我國(guó)地下水微生物研究領(lǐng)域不同階段的重要學(xué)者，吉林大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所在該領(lǐng)域具有較強(qiáng)影響力。但在學(xué)者之間、研究機(jī)構(gòu)之間學(xué)術(shù)交流合作還有待加強(qiáng)，同時(shí)也缺乏長(zhǎng)期專(zhuān)門(mén)從事地下水微生物研究的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)和機(jī)構(gòu)。

致 謝

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所張勝研究員為本文提供了研究線索和幫助，本文工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2016YFC0502502)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41471447)的資助。在此一并致謝。