基于微生物生物完整性指數(shù)的水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

摘要：目前，隨著城市河道的水體污染問題日益受到關(guān)注，生物完整性指標(biāo)在河道生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用，但以微生物為指標(biāo)物種構(gòu)建的生物完整性指標(biāo)對(duì)城市水體進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究較少。以松江區(qū)4條城市河道為例，其中兩條為進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的河道。根據(jù)水體高通量測序信息，從與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性及對(duì)污染物耐受程度確定候選生物指標(biāo)，最終確定疣微菌門（Verrucomicrobiota）相對(duì)豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）相對(duì)豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）相對(duì)豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）相對(duì)豐度與總磷耐受屬、氨氮清潔屬6個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建微生物生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)體系。研究結(jié)果表明，微生物生物完整性指數(shù)評(píng)價(jià)體系不僅可以用于評(píng)價(jià)城市河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，同時(shí)可作為評(píng)估河道生態(tài)修復(fù)效果的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：生物完整性指數(shù)；城市河道；微生物群落；健康評(píng)價(jià)體系

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）11-0174-06

Water Ecosystem Health Assessment Based on Microbial Index of Biotic Integrity

—A Case Study of Urban River in Songjiang District， Shanghai

SUN Yao1，2， XIE Xuehui1，2， QIN Yiting1，2， WU Ziyi1，2， LI Dongyang1，2，ZHANG Zhilan3， XU Yong3

（1. Key Laboratory of Pollution Control and Emission Reduction Technology in Textile Industry of China Textile

Industry Federation， Textile Pollution Controlling Engineering Center of Ministry of Environmental Protection， College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China; 2.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security， Shanghai 200092， China; 3.Shanghai Zeyao Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Shanghai 201600， China）

Abstract： At present， with the increasing attention paid to water pollution in urban river channels， biological integrity indicators are widely used in river ecosystem health assessment， but there are few studies on the evaluation of urban water bodies with biological integrity indicators constructed with microorganisms as indicator species. Taking four urban river channels in Songjiang district as examples， two of which are for ecological restoration. According to the high-throughput sequencing information of water body， the candidate biological indicators are determined from the correlation with water quality indicators and the degree of tolerance to pollutants. The relative abundance of Verrucomicrobiota， Campilobacterota， Acidobacteriota， Patescibacteria， total phosphorus tolerance and ammonia nitrogen cleaning bacteria are finally determined to construct the evaluation system of microbial index of biotic integrity. The results show that microbial index of biotic integrity is can not only be used to evaluate the health status of urban river ecosystem， but also be used as a standard to evaluate the ecological restoration effect of river channel.

Keywords： index of biotic integrity; urban river; microbial community; health evaluation system

近年來，城市小流域河道的污染問題日益嚴(yán)重，原因在于居民向河道中排放垃圾、生活污水等[1]。鑒于此，構(gòu)建有效的城市河道水體生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系意義重大。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建中，相較于物化指標(biāo)不夠精準(zhǔn)、不夠靈敏，生物指標(biāo)具有更加迅速、更加全面等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的生物指標(biāo)在多種水體環(huán)境中作為生物指示劑，隨著水體環(huán)境的變化而變化。但微生物的反應(yīng)更加迅速，因此以微生物為指標(biāo)物種構(gòu)建生物完整性指數(shù)（Index of Biotic Integrity，IBI）體系評(píng)價(jià)水體的健康程度具有研究意義[2]。基于此，采集上海市松江區(qū)4條城市河道不同時(shí)期的水體樣本，建立微生物生物完整性指標(biāo)（Microbial Index of Biotic Integrity，M-IBI）體系。其中，兩條河道正在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，位于松江區(qū)某村莊。河道周邊為密集居民區(qū)，但周邊居民環(huán)保意識(shí)不足，直接將生活垃圾、生活廢水、農(nóng)田廢水等排入河中，造成河道水體污染。為了保證周邊居民的用水質(zhì)量，對(duì)河道進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)。還有兩條河道作為對(duì)照水樣，一條學(xué)生河位于松江大學(xué)城內(nèi)，受人為干擾較大；另外一條曹婁浜位于郊外，周邊無人居住，受干擾較小。研究結(jié)果不僅可以為松江區(qū)城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康管理提供理論支撐，還可以作為河道生態(tài)修復(fù)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

位于松江區(qū)某村莊正在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的兩條城市河道，其中河道1布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，分別為Z1、Z2；河道2布設(shè)2個(gè)采樣點(diǎn)，分別為B1、B2。位于大學(xué)城附近受人為干擾較大的學(xué)生河、位于郊外且?guī)缀醪皇芡饨绺蓴_的曹婁浜各布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，分別為XSHQ、CLBQ。采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1.2 樣品采集及分析

生態(tài)修復(fù)河道分別于2022年12月修復(fù)前（Z1_1、Z2_1、B1_1、B2_1）、2023年3月施工初期（Z1_2、Z2_2、B1_2、B2_2）、2023年7月修復(fù)中期（Z1_3、Z2_3、B1_3、B2_3）、2023年11月修復(fù)后期（Z1_4、Z2_4、B1_4、B2_4）、2024年3月修復(fù)后穩(wěn)定期（Z1_5、Z2_5、B1_5、B2_5）采樣。學(xué)生河和曹婁浜分別于2023年4月（XSHQ_1、CLBQ_1）、2023年7月（XSHQ_2、CLBQ_2）、2023年11月（XSHQ_3、CLBQ_3）采樣。pH值用pH計(jì)進(jìn)行測定，溶解氧采用便攜式溶解氧儀進(jìn)行測定，其他指標(biāo)（氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總氮）則委托上海清寧環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司檢測，PCR及測序均由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

1.3 M-IBI評(píng)價(jià)體系建立

1.3.1 水質(zhì)評(píng)分的計(jì)算

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），選取pH值、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總氮及溶解氧作為指標(biāo)，對(duì)各類水賦予相應(yīng)的分值，分別為5、4、3、2、1分，未達(dá)以上標(biāo)準(zhǔn)為0分。最后計(jì)算平均值，90%分位數(shù)以上的為參考點(diǎn)，10%分位數(shù)以下的為干擾強(qiáng)度較高的點(diǎn)。

1.3.2 備選指標(biāo)的確定

通過相關(guān)性分析可以明確環(huán)境因子與各微生物之間的相關(guān)程度。其中，將具有顯著相關(guān)性的微生物作為備選指標(biāo)。按照已有研究方法，對(duì)備選指標(biāo)進(jìn)行干擾反應(yīng)、判別能力和相關(guān)性的分析，可得到用于計(jì)算M-IBI的微生物指標(biāo)。

1.3.3 M-IBI指標(biāo)計(jì)分及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分

安新麗等[3]采用Illumina高通量測序技術(shù)，探索構(gòu)建了M-IBI指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，并將其成功應(yīng)用于地下水的健康狀況評(píng)價(jià)。對(duì)于隨著擾動(dòng)增大而下降的指標(biāo)，計(jì)算方法為指標(biāo)值/95%分位數(shù)；對(duì)于隨著擾動(dòng)增大而上升的指標(biāo)，計(jì)算方法為（最大值-指標(biāo)值）/（最大值-5%分位數(shù)）。計(jì)算結(jié)果超過1，則記為1。以參考點(diǎn)得分的95%分位數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，該值以下的進(jìn)行五等分，分別為健康、亞健康、一般、較差和極差狀態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)得分

城市河道各采樣點(diǎn)的水質(zhì)參數(shù)與得分如表1所示。10%和90%分位數(shù)分別是2.67分和3.83分。因此，得分大于3.83分的點(diǎn)為參考點(diǎn)，小于2.67分的點(diǎn)為較高干擾強(qiáng)度點(diǎn)。

2.2 備選指標(biāo)

微生物群落與環(huán)境因子相關(guān)性分析結(jié)果如圖2所示，pH值、透明度、溫度是顯著影響微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因子，而氮磷和有機(jī)物含量同樣會(huì)影響群落組成，因此將總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)也納入關(guān)鍵環(huán)境因子。如圖3所示，與關(guān)鍵環(huán)境因子相關(guān)的菌門均可以納入備選指標(biāo)中。

選擇與關(guān)鍵環(huán)境因子相關(guān)的菌門及部分功能菌屬，共確立17個(gè)備選指標(biāo)，各指標(biāo)對(duì)干擾的反應(yīng)如表2所示。通過對(duì)備選指標(biāo)進(jìn)行判別能力與相關(guān)性分析，篩選出疣微菌門（Verrucomicrobiota）豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）豐度、總磷耐受屬和氨氮清潔屬6個(gè)指標(biāo)（見表3）。

2.3 M-IBI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)結(jié)果

參照M-IBI指標(biāo)的計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)，利用比值法計(jì)算得出各指標(biāo)的分值（見表4），并確定城市河道的M-IBI指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表5），進(jìn)而得出所有采樣點(diǎn)的M-IBI評(píng)分及健康評(píng)價(jià)結(jié)果（見表6）。健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果表明，河道1、2施工初期與修復(fù)后穩(wěn)定期、曹婁浜3次采樣均為健康狀態(tài)；河道1、2修復(fù)前與修復(fù)后期、學(xué)生河4月與11月采樣均為亞健康狀態(tài)；河道1、2修復(fù)中期、學(xué)生河7月采樣均為一般狀態(tài)。隨著修復(fù)進(jìn)程的推進(jìn)，河道1、河道2生態(tài)系統(tǒng)的健康程度逐漸提高；受7—8月大量農(nóng)田廢水直排的影響，修復(fù)中期健康狀況為一般。同理，修復(fù)后期為亞健康狀態(tài)也可能與農(nóng)田廢水直排有關(guān)。經(jīng)過一段時(shí)間的生態(tài)修復(fù)，修復(fù)后穩(wěn)定期處于健康狀態(tài)。綜上，各采樣點(diǎn)的M-IBI指數(shù)可有效反映水體受干擾程度，且與水質(zhì)狀況基本吻合。

3 討論

3.1 M-IBI評(píng)價(jià)體系的準(zhǔn)確性

對(duì)河道健康狀況進(jìn)行M-IBI評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠基本準(zhǔn)確反映河道水質(zhì)狀況，即生態(tài)修復(fù)施工初期與修復(fù)后穩(wěn)定期的河道以及受人為活動(dòng)干擾較小的曹婁浜健康程度較高，而修復(fù)前的河道、農(nóng)田廢水大量直排造成水體健康嚴(yán)重受損的修復(fù)中期河道及受人為活動(dòng)干擾較大的學(xué)生河健康程度較低。蘇瑤等[4]構(gòu)建了適合浙江省城市河道的M-IBI指標(biāo)體系，對(duì)浙江省內(nèi)5條城市河道進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明M-IBI能夠合理評(píng)價(jià)城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

3.2 微生物對(duì)水質(zhì)的指示作用

通過對(duì)備選指標(biāo)進(jìn)行判別能力與相關(guān)性分析，篩選出了疣微菌門（Verrucomicrobiota）豐度、彎曲桿菌門（Campilobacterota）豐度、酸桿菌門（Acidobacteriota）豐度、髕骨菌門（Patescibacteria）豐度、總磷耐受屬和氨氮清潔屬6個(gè)指標(biāo)。董婧等[5]篩選出了對(duì)氨氮、總磷敏感的清潔屬和耐受屬。陳光哲等[6]研究表明hgcI_clade與藍(lán)藻關(guān)系密切，而藍(lán)藻豐度與氮磷含量相關(guān)，因此hgcI_clade的豐度可以用來指示氮磷含量，氮磷含量越高表明水體健康狀態(tài)越差。胡愈忻[7]等在分析長江流域河流和湖庫的浮游細(xì)菌群落組成差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)CL500-29_marine_group是一類適宜在富營養(yǎng)化水體中生長繁殖的細(xì)菌，其豐度會(huì)隨著水體中氮磷含量升高而升高。上述研究表明微生物對(duì)水體中多種環(huán)境因子具有指示作用。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建適用于松江區(qū)城市河道的M-IBI指標(biāo)體系，對(duì)4條城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合各河道理化參數(shù)分析，證明應(yīng)用M-IBI指標(biāo)體系可以較好地評(píng)價(jià)松江區(qū)城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。研究結(jié)果可為松江區(qū)水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管政策的制定提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為松江區(qū)水體水質(zhì)的生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1 劉 丹，鐘絲搖.城市小流域河道水環(huán)境綜合治理工作中常見不足及應(yīng)對(duì)建議[J].黑龍江環(huán)境通報(bào)，2024（4）：97-99.

2 孔紅梅，趙景柱，姬蘭柱，等.生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法初探[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002（4）：486-490.

3 安新麗，陳廷廷，趙 晗，等.基于微生物生物完整性指數(shù)的地下水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)：以包鋼稀土尾礦庫周邊地下水生態(tài)系統(tǒng)為例[J].環(huán)境科學(xué)，2016（9）：3413-3422.

4 蘇 瑤，許育新，安文浩，等.基于微生物生物完整性指數(shù)的城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)，2019（3）：1270-1279.

5 董 婧，盧少奇，伍娟麗，等.基于微生物生物完整性指數(shù)的北京市城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2022（5）：1411-1419.

6 陳光哲，姜星宇，胡 洋.不同營養(yǎng)程度湖泊中細(xì)菌群落組成及其分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2020（2）：375-384.

7 胡愈炘，張 靜，黃 杰，等.長江流域河流和湖庫的浮游細(xì)菌群落差異[J].環(huán)境科學(xué)，2022（3）：1414-1423.