基于浮游细菌生物完整性指数...健康评价：以深圳河流域为例_王力.pdf

文章栏目：流域水环境整治与修复DOI10.12030/j.cjee.202211054中图分类号X522文献标识码A王力,王丝可,左剑恶,等.基于浮游细菌生物完整性指数的城市河流健康评价：以深圳河流域为例J.环境工程学报，2023,17(6):2007-2014.WANGLi,WANGSike,ZUOJiane,etal.Urbanriverhealthassessmentbasedonbioticintegritybacterioplankton-indexofbioticintegrity:AcasestudyofShenzhenRiverBasinJ.ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2023,17(6):2007-2014.基于浮游细菌生物完整性指数的城市河流健康评价：以深圳河流域为例王力1，王丝可2，左剑恶1，3，李晓杰1，陈雨11.清华大学深圳国际研究生院，深圳518055；2.深圳职业技术学院，深圳518055；3.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100084摘要河流中的细菌是生态系统中物质循环的重要参与者，能反映河流健康状况，其群落生物指标具有评估城市河流生态状况的潜力。通过调查深圳河流域内深圳河、布吉河和福田河 3 条河流中的浮游细菌群落，构建了生物完整性指数(Ba-IBI)，评估了该流域的健康状况。基于河水浮游细菌的 Illumina 高通量测序结果，通过差异性检验、箱线图筛选和相关性分析方法从 163 个候选指标中筛选出变形菌门、放线菌门和微丝藻菌目相对丰度及门水平 Simpson 多样性指数作为核心指标，构建 Ba-IBI 评价体系。结果表明，深圳河流域内的 20 个位点中处于健康状态、亚健康状态、一般状态和较差状态的位点数分别为 7 个、4 个、5 个和 4 个。其中，深圳河处于一般和较差状态的点位比例高达 85.7%；健康状况从上游到下游逐渐恶化；整体健康状况较差。布吉河和福田河健康状况相对较好，处于亚健康状态。各采样点 Ba-IBI 得分与水质状况的相关性较高(R=0.77，P0.01)，表明 Ba-IBI 能有效评价城市河流的健康状况。本研究结果可为深圳市河流的修复和管理工作提供参考。关键词城市河流健康评价；生物完整性指数；浮游细菌；深圳河流域河流具有饮用水供应、纳污、灌溉、航运等诸多功能，在区域可持续发展中发挥着重要作用1。为有效识别人类活动、并评估城市化进程2-5对河流生态系统造成的影响，诊断河流健康现状，开展河流管理与保护工作，对城市河流开展生态健康评价十分必要。生物群落具有综合反映生态系统物理、化学和生物影响的能力6，其生物指标被广泛应用于对生态系统健康状况的评估。KARR7提出了一种基于鱼类的生物完整性指数(Indexofbioticintegrity,IBI)评估河流健康状况的方法。此后，IBI 评价法在对河流8、湖泊9、湿地10和水库11等系统的生态健康评价中得到广泛应用。细菌作为生态系统中的重要分解者，具有分布广、繁殖快等特点12。在受人类活动影响较大的河流中，虽然细菌群落结构发生改变，但生物多样性未明显降低13-14，仍对环境变化很敏感15。因此，细菌具有指示高度损伤的城市河流健康状况的潜力。目前，已有研究者使用细菌生物完整性指数(Bacteria-Indexofbioticintegrity,Ba-IBI)指标体系对河流16、湖泊12、湿地10和水库11等生态状况进行了评价，结果表明细菌具有反映生态系统健康状况的能力。现有研究大多采用底泥细菌构建评价体系，但由于目前城市河段的河底衬砌等工程措施，造成了河流底泥生境特征的同质化，进而导致底泥细菌群落的同质性17，因此，底泥细菌在城市河流健康评价中的作用可能有限。浮游细菌是生物地球化学过程的重要参与者18，其群落收稿日期：2022-11-10；录用日期：2023-03-15基金项目：深 圳 市 高 等 院 校 稳 定 支 持 计 划(WDZC20200819163549002)；深 圳 市 科 创 委 可 持 续 发 展 科 技 专 项(KCXFZ202002011008448)第一作者：王 力(1997)，男，硕 士 研 究 生，；通信作者：左 剑 恶(1968)，男，博 士，教 授，环境工程学报Chinese Journal ofEnvironmental Engineering第 17 卷 第 6 期 2023 年 6 月Vol.17,No.6Jun.2023http:/E-mail:[phone]结构与环境因素有密切联系19。黄艺等12和苏瑶等20构建了基于浮游细菌的生物完整性指数，成功应用在对滇池流域和城市河流的健康评价中。深圳河流域受到居民生活、工业生产、交通运输等人类活动的影响，存在氮磷超标的问题，生态系统的完整性遭到了破坏。以深圳市深圳河流域内的 3 条河流为研究对象，分析各河流的细菌群落结构与水质指标间的关系，通过构建基于浮游细菌的生物完整性指数，探讨 Ba-IBI 评价体系在受人类活动影响较大的城市河流区域的适用情况，并评估其在城市河流生态健康评价中应用的可行性，以期为城市河流治理工作提供参考。1材料和方法1.1采样点设置选取深圳市深圳河流域内的深圳河、布吉河和福田河作为研究对象，根据流向在河道 布 设 采 样 点。深 圳 河 流 域21位 于 东 经11100114123和北纬 22272229，面积 312.5km2。深圳河是深圳河流域的干流，是深圳与香港的界河，属于雨源型河流，同时接纳深圳市的大量污废水。布吉河和福田河均属于深圳河的一级支流22。在深圳河、布吉河和福田河分别设置 7 个、4 个和 3 个采样点，采样点分布如图 1 所示。1.2样品采集与分析样品采集于 2021 年 10 月至 11 月、2022 年5 月，pH、溶 解 氧(DO)、氧 化 还 原 电 位(ORP)和水温(T)等水质参数使用多参数测定仪(Multi3630IDS,WTW)现场测定。每个采样点收集 3 份水样进行混合，将混合后的 1.5L水样作为最终样品。取其中 1L 水样储存于聚乙烯塑料瓶中进行后续水质分析。分析指标包括化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)等，分析方法参考水与废水监测分析方法23。另外 0.5L 水样储存于灭菌的塑料瓶内，运回实验室后使用 0.22m 的微孔滤膜抽滤，含滤出物的膜片保存在80 冰箱，用于后续细菌群落组成的测定。采用 16SrRNA 测序分析水样中浮游细菌的群落组成。DNA 提取、PCR 和测序均由上海美吉生物医药科技有限公司完成，其中 PCR 扩增选用 338F/806R 引物对细菌 16SrRNA 基因的 V3V4 区进行扩增。对测序结果进行拼接、质控过滤等处理后，将所有高质量序列按照操作分类单元(OperationalTaxonomicUnits,OTU)序列相似度 97%进行聚类。聚类结果与 Sliva138/16s_bacteria 数据库对比，进行物种分类注释，设置比对阈值为 70%。使用 Past3.0 软件计算 Simpson、Shannon、Chao1 等 多样性指数。使用 R 语言(v4.2.1,http:/ww.r-project.prg/)进行 Kruskal-Wallis 检验、Spear-man 相关性分析、冗余分析(Distance-basedredundancyanalysis,dbRDA)、层次分割(Hierarchicalpartitioning,HP)等。采用 OriginPro2021b 软件进行了箱线图、柱状图的绘制。1.3Ba-IBI 评价体系的构建1.3.1参考点的确定在对河流进行健康评价的过程中，参考点起到为其余点位提供对照的作用24，应选择处于不受人为干扰的原始状态的点位，但城市河流被大量的人类活动干扰，很难找到处于理想状态下的采样点。因此，选择水质、生境等因素受干扰较小的点位作为参考点。为了选择受人为干扰较小的点位，参考文献 25-26，依据地表水环境质量标准(GB3838-kmSZ1SZ2SZ3SZ4SZ5SZ6SZ7BJ2BJ1BJ3BJ4FT1FT2FT3采样点河流区界图例福田河龙 华 区龙 岗 区福 田 区深 圳 河罗 湖 区深 圳 河 香 港 特 别 行 政 区深圳湾布吉河N0 1.25 2.55图1深圳河流域研究区域及采样点位示意Fig.1StudyareaandsamplingsitesinShenzhenRiverBasin2008环境工程学报第17卷2002)对 DO、NH3-N、TP 和 COD 共 4 项因子赋分。各水质参数达到、和类标准，分别计 5、4、3、2 和 1 分，未达到类标准计 0 分，各水质因子得分相加为该采样点水质总分。水质总分大于 75%分位数的点位设为参考点，其余采样点设为受损点。1.3.2候选指标的确定与筛选参考此前的研究11,12，选择多样性指标、群落组成指标和耐受性指标作为候选指标。其中，多样性指标包括在不同分类水平上 Simpson、Shannon、Chao1、Menhinick 等 多样性指数；群落组成指标包括不同分类水平上优势物种的相对丰度，以及一些具有代表性的细菌群落的比值27；耐受性/敏感性指标由对环境干扰具有耐受性/敏感性的细菌群落的相对丰度组成。候选指标的筛选过程参考文献 11，依次为差异性检验、箱线图筛选和相关性分析。首先，通过 Kruskal-Wallis 检验筛选出在参考点和受损点具有显著差异的指标(P0.05)。其次，通过箱线图比较各候选指标区分参考点和受损点的能力(IQ2)，剔除箱体存在重叠的指标。最后，对候选指标进行 Spearman 相关性分析，若两候选指标间的相关系数|R|0.7 且 P0.7,p0.05)，由此组成耐受性/敏感性指标。根据以上计算分析结果构建的候选指标库共包含 163 个候选指标。为得到构建 Ba-IBI 的核心指标，对 163 个候选指标进行差异性检验、箱线图筛选和相关性分析。首先，对候选指标进行 Kruskal-Wallis 检验，得到在参考点和受损点间有显著区别(p0.7,p0.5,P0.5,P0.5,p0.05)，故筛选得到的核心指标具有合理性。根据筛选所得的 4 个核心指标构建的 Ba-IBI 评价结果具有良好的灵敏度，能较好地区分参考点和受损点(图5(a)。通过 dbRDA 分析得到 4 个与细菌群落分布变化相关的水质参数分别为 T、pH、DO、TN。通过多元线性回归分析 Ba-IBI 结果与上述 4 种水质参数的相关性，结果表明 DO 与 Ba-IBI 存在较好的线性关系(P0.01)，其次是 TN(P0.1)；这表明部分水质参数与 Ba-IBI 之间存在一定的线性关系，Ba-IBI 对水质参数的变化具有较好的响应模型(R=0.73,P0.01)。文献 12,20,25,31 报道 IBI 得分与水质状况的相关系数普遍为0.60.8。而本研究各点位 Ba-IBI 得分与水质得分相关性较高(R=0.77,p0.01)(图 5(b)，这表明 Ba-IBI能较好地反映样点水质状况，并评估城市河流的健康状况。3.2浮游细菌作为指示生物的潜力在所有的候选指标中，经过差异性检验、箱线图筛选、相关性分析等步骤，筛选得到了 4 个核心指标。其中，放线菌门广泛分布于水生和陆生系统中，能利用腐殖酸和难降解有机物生长32，并分解去除橡胶、塑料、杀虫剂和重金属等物质33，发挥着推动物质循环利用、降解复杂有机物的作用34。由于放线菌具有降解重金属和有机物共同污染的能力，被认为是进行生物修复的候选菌。微丝藻菌目能分泌有助于矿化难降解有机物的生物活性化合物，可能是水解复杂底物的关键异养菌35。这些研究表明，浮游细菌作为分解者，密切参与了河流生态系统中的物质循环，与多种环境因子之间存在联系，可指示水环境的健康状况。此前基于微生物构建的 IBI 大多采用的是沉积物或生物膜的微生物群落数据，但在部分城市河流，由于河底清淤、河道硬化等工程措施导致的底泥生境扰动或底泥缺失限制了底泥细菌在城市河流健康评价中的应用。因此，开发基于浮游细菌的指标体系可以一定程度上打破底泥生境缺失带来的局限。表2核心指标与水质参数的 Pearson 相关系数Table2ThePearsoncorrelationcoefficientbetweenthecoremetricsscoresandthewaterqualityparameters水质指标变形菌门相对丰度放线菌门相对丰度微丝藻菌目相对丰度门水平Simpson多样性指数T0.160.56*0.52*0.14pH0.140.080.110.38DO0.30.80*0.64*0.22ORP0.290.53*0.430.25COD0.52*0.51*0.51*0.15TP0.090.190.140.4TN0.69*0.55*0.64*0.05NH3-N0.47*0.74*0.66*0.39注：*表示P0.05，*表示P0.01。81012141601234参考点受损点01234Ba-IBI得分Ba-IBI得分水质得分R=0.769,p0.01(a)Ba-IBI对参考点和受损点的区分能力(b)Ba-IBI得分与水质得分的相关性分析图5Ba-IBI 可靠性验证Fig.5ReliabilityvalidationofBa-IBI2012环境工程学报第17卷4结论1)采用浮游细菌作为指示生物，构建了城市河流生态健康评价指标体系 Ba-IBI，指标包括变形菌门、放线菌门、微丝藻菌目相对丰度和 Simpson 多样性指数。该 Ba-IBI 与水质状况的相关性较高表明其能够较好的反映河流健康状况。2)对深圳河流域内的深圳河、布吉河和福田河采用 Ba-IBI 评价河流状态，结果表明深圳河从上游到下游健康状况逐渐恶化，85.7%的点位处于一般和较差状态，整体健康状况较差；布吉河和福田河健康状况相对较好，处于亚健康状态。3)Ba-IBI 的评价结果与水质状况有较好的相关性，表明浮游细菌能起到指示生物的作用，本文构建的 Ba-IBI 能反映城市河流不同点位细菌群落完整性变化，为城市河流的管理和修复工作提供参考。目前本研究尚存在一些不足，只关注了 Ba-IBI 与水质的关系，缺少与河流生境的对比；同时由于样本量较少导致测试集验证指标准确性的环节缺失，建议在后期的研究中继续完善。参考文献BESTJ.AnthropogenicstressesontheworldsbigriversJ.NatureGeoscience,2019,12(1):7-21.1CHUNGMG,FRANKKA,POKHRELY,etal.Naturalinfrastructurein sustaining global urban freshwater ecosystem servicesJ.NatureSustainability,2021,4(12):1068-1075.2MCDONALD R I,WEBER K F,PADOWSKI J,et al.Estimatingwatersheddegradationoverthelastcenturyanditsimpactonwater-treatment costs for the world s large citiesJ.Proceedings of theNationalAcademyofSciences,2016,113(32):9117-9122.3MICHALAKAM.StudyroleofclimatechangeinextremethreatstowaterqualityJ.Nature,2016,535(7612):349-350.4PALMER M A.Beyond infrastructureJ.Nature,2010,467(7315):534-535.5DUDLEY J L.Restoring Life in Running Waters:Better BiologicalMonitoringJ.BioScience,1999,49(10):827.6KARRJR.AssessmentofBioticIntegrityUsingFishCommunitiesJ.Fisheries,1981,6(6):21-27.7WUJ,MAOR,LIM,etal.Assessmentofaquaticecologicalhealthbasedondeterminationofbiologicalcommunityvariabilityoffishandmacroinvertebrates in the Weihe River Basin,ChinaJ.Journal ofEnvironmentalManagement,2020,267:110651.8WU Z,KONG M,CAI Y,et al.Index of biotic integrity based onphytoplanktonandwaterqualityindex:Dotheyhaveasimilarpatternonwaterqualityassessment?AstudyofriversinLakeTaihuBasin,ChinaJ.ScienceoftheTotalEnvironment,2019,658:395-404.9NIUL,ZOUG,GUOY,etal.Eutrophicationdangerstheecologicalstatus of coastal wetlands:A quantitative assessment by 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thebiodiversitylosses,whichreducedtheaccuracyofbioassessmentBacteriaareimportantdecomposersintheecosystemmaterialcycleandhavethepotentialtoindicatethehealthstatusofrivers.Thedevelopmentofbiologicalindicatorsbasedonbacterialcommunityforassessingaquaticecologicalstatusisurgentlyneeded.Inthisstudy,bacterioplankton-indexofbioticintegrity(Ba-IBI)wasconstructedtoevaluatethestatusofthreeurbanriversinShenzhenRiverBasin.BasedontheIlluminahigh-throughputsequencingresultsofplanktonicbacteria,the core indicators were identified by difference examination,boxplot screening and correlationanalysis.Among the 163 candidate indicators,the relative abundance of Proteobacteria,Actinomycetes,MicrofilariaeandSimpsonindexatthephylumlevelwereregardedasthecoreindicatorstodeveloptheBa-IBI.Theresultsshowedthat7,4,5and4ofthe20sitesintheShenzhenRiverbasinwereinhealthystate,sub-healthystate,generalstateandpoorstate,respectively.TheShenzhenRiverwasinpoorstates,with85.7%ofthepointsinthegeneralorpoorstates,andthehealthstatusgraduallydeterioratedfromtheupstreamtothedownstream.BujiRiverandFutianRiverwereinsub-healthstates.TherewasahighcorrelationbetweenBa-IBIscoreandwaterquality(R=0.77,P0.01)suggestingthatBa-IBIcouldeffectivelyevaluatethehealthstatesofurbanrivers.ThisstudycanprovideareferencefortherestorationandmanagementofriversinShenzhen.Keywordsurbanriverhealthassessment;indexofbioticintegrity;bacterioplankton;ShenzhenRiverBasin2014环境工程学报第17卷