丹江口库区表层浮游细菌群落组成与PICRUSt功能预测分析

浮游细菌是水生生态系统的重要组成部分,是水体中氮素生物地球化学循环的主要驱动力.本研究于2016年5月采集丹江口库区库心和渠首2个生态位点表层水样,采用16S r DNA Miseq高通量测序技术研究其群落组成,发现其主要由变形菌门、放线菌门、拟杆菌门等12门、139属细菌组成,渠首样品浮游细菌群落多样性高于库心样品. PICRUSt功能预测分析表明,浮游细菌涉及氨基酸运输和代谢、转录、能量产生和转换等24个基因功能家族,表现出功能上的丰富性.其中35个参与氮代谢的KO(表示通路)中库心高于渠首为20个,渠首高于库心的为15个.两样品中检测到涉及固氮作用(nif H)、硝化作用(hao)、反硝化作用(nar G、nir K、nor B、nos Z)、氮同化还原及异化还原作用(nas A、nar B、nap A、nir A、nir B、nrf A)参与氮循环的关键基因相对丰度.综合基因功能家族预测基因拷贝数和氮循环相关基因丰度分析,丹江口库区库浮游细菌氮代谢能力整体趋势为库心高于渠首.本研究从细菌群落组成、功能角度初步分析了丹江口库区不同生态位点氮循环的差异,为丹江口水库水环境保护提供了参考依据.     

丹江口库区表层浮游细菌群落组成与PICRUSt功能预测分析

浮游细菌是水生生态系统的重要组成部分,是水体中氮素生物地球化学循环的主要驱动力。本研究于2016年5月采集丹江口库区库心和渠首2个生态位点表层水样,采用16S rDNA Miseq高通量测序技术研究其群落组成,发现其主要由变形菌门、放线菌门、拟杆菌门等12门、139属细菌组成,渠首样品浮游细菌群落多样性高于库心样品。PICRUSt功能预测分析表明,浮游细菌涉及氨基酸运输和代谢、转录、能量产生和转换等24个基因功能家族,表现出功能上的丰富性。其中35个参与氮代谢的KO(表示通路)中库心高于渠首为20个,渠首高于库心的为15个。两样品中检测到涉及固氮作用(nifH)、硝化作用(hao)、反硝化作用(narG、nirK、norB、nosZ)、氮同化还原及异化还原作用(nasA、narB、napA、nirA、nirB、nrfA)参与氮循环的关键基因相对丰度。综合基因功能家族预测基因拷贝数和氮循环相关基因丰度分析,丹江口库区库浮游细菌氮代谢能力整体趋势为库心高于渠首。本研究从细菌群落组成、功能角度初步分析了丹江口库区不同生态位点氮循环的差异,为丹江口水库水环境保护提供了参考依据。     

静水压对水库泥水界面脱氮潜力的影响

通过微宇宙模拟实验,结合宏基因测序技术研究了不同静水压条件(大气压、0.2MPa、0.5MPa和0.7MPa)对水库泥水界面微生物群落结构、氮循环功能基因及代谢通路的影响.结果表明:参与氮循环微生物物种数目随静水压增加呈先增加至1227种后减少至1199种,古菌、真菌相对丰度占比随静水压增加分别增加0.002%、0.0006%,细菌占比减少.相较于低静水压,高静水压使微生物群落的生态网络联系更紧密,种间作用更复杂,系统稳定性更强;高静水压通过增强nxrB、narH等功能基因丰度和参与该路径的微生物丰度,来促进反硝化过程,抑制异化性硝酸盐还原作用.且在参与氮循环的微生物中,发现嗜压微生物(变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门等)以及嗜压功能基因(ompH、asd),嗜压基因多存在变形菌门中,嗜压基因丰度随静水压升高先增大后减小.静水压通过改变泥水界面处氮循环有关微生物种群结构以及相关功能基因丰度与参与的代谢路径,来提高水库沉积物脱氮潜力,进而控制水库的富营养化.     

滇池细菌总数与有机碳、氮、磷的调查研究

通过对滇池水体一年多的定点采样工作,重点调查研究了草海、外海表层水中细菌数量及有机营养盐碳、氮、磷的季节变化规律,分析探讨了细菌总数与环境条件和有机营养盐之间的某些关系.对滇池富营养治理提出了一些建议,并提出利用微生物学的方法参与这一研究.     

鄱阳湖湿地细菌群落多样性和可培养细菌功能基因丰度

鄱阳湖湿地中蕴含着丰富的微生物资源,参与并维持着湿地生态系统的物质循环和稳定.为探明鄱阳湖湿地土壤细菌分布规律,分析可培养细菌群落结构和功能特征,采用Illumina MiSeq高通量测序技术分析了鄱阳湖湿地土壤全部细菌（AW）和湿地外围周边土壤全部细菌（AS）群落结构多样性特征;又结合可培养方法和qPCR功能基因芯片技术,分析了湿地可培养细菌（CW）和湿地外围周边土壤可培养细菌（CS）功能基因丰度差异.研究发现鄱阳湖湿地土壤细菌多样性低于湿地外围周边土壤细菌,变形菌门和酸杆菌门是两种土壤环境中共有的细菌优势菌门,放线菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和热脱硫杆菌门也是存在于两种土壤中的主要菌门,但相对丰度均差异显著;网络分析显示湿地土壤较周边土壤细菌网络结构更简单.采用可培养方法获得的不同采样点土壤细菌群落多样性差异不明显.但湿地土壤可培养细菌功能基因的拷贝数高于周边土壤,其中参与氮循环的UreC基因和参与碳固定的acsE基因在两种土壤可培养细菌中相对丰度较高.研究结果可为深入挖掘调控、维持湿地土壤养分循环和促进鄱阳湖湿地生态系统功能稳定性的潜在有益微生物提供理论依据.     

若尔盖花湖沉积物氨氧化与反硝化功能基因丰度垂向分布特征及其环境响应

若尔盖湿地作为中国最大的泥炭沼泽区,是生物地球化学循环的重要场所.本文以若尔盖湿地的花湖为研究对象,采集0～47 cm的沉积物样品,通过实时荧光定量PCR(qPCR)技术,探究沉积物中氨氧化(amoA)和反硝化(nirS、nirK、nosZ clade I)功能基因丰度的垂向分布特征,及其对环境因子的响应.结果表明:花湖沉积物中古菌amoA基因丰度在垂向分布上呈下降趋势,而nirS基因丰度呈上升趋势;古菌和细菌的amoA基因丰度相近,nirS基因丰度则远高于nirK基因,且氨氧化功能基因丰度整体上比反硝化功能基因低1～2个数量级.总氮(TN)、总磷(TP)、氨态氮(NH~+_4-N)、硝态氮(NO~-_3-N)和亚硝态氮(NO~-_2-N)与古菌amoA基因丰度均呈显著正相关关系(p0.05),而与nirS基因丰度呈显著负相关关系(p0.05).这两种功能基因明显受到花湖沉积物中不同形式氮素浓度的影响与限制.通过研究花湖沉积物氨氧化与反硝化功能基因的垂向分布特征及其对环境的响应,可为深入了解高原湖泊沉积物中的氮循环机理提供参考.     

汛期前后老鹳河干流人类干扰下浮游细菌多样性及功能预测

老鹳河是丹江口水库距离调水口最近的入库支流,水质好坏直接影响调水安全.为探究老鹳河干流汛期前后浮游细菌的群落组成和功能变化规律,分别于2018年和2019年汛期前（5月）与汛期后（10月）对老鹳河干流4个典型生态位点进行水质分析和浮游细菌高通量测序,杨河位点（YH）属轻度干扰;西峡北位点（XX）属中度干扰;垱子岭位点（DZL）属重度干扰;张营位点（ZY）属中度干扰.结果表明,老鹳河干流浮游细菌由40门599属组成,汛期前浮游细菌多样性高于汛期后,中度干扰有利于Shannon-Wiener指数的提高.LEfSe分析显示,汛期前优势门中杨河的装甲菌门,西峡北的Epsilonbacteraeota和厚壁菌门,垱子岭的蓝藻门与其他样点有显著性差异;汛期后仅垱子岭的厚壁菌门和蓝藻门与其他样点有显著性差异.浮游细菌群落PCoA分析显示,汛期前后各个样点区分明显,汛期前各样点间群落差异大于汛期后;RDA和CCA分析表明,流经县城后引起浮游细菌多样性下降的主要环境因子为总氮和氨氮.PICRUSt浮游细菌功能基因预测发现,COG基因10大类功能家族为优势类群.与氮代谢相关的30个KO功能基因呈现出汛期前样点间差异大于汛期后,汛期前杨河碳酸酐酶基因（cynT和can）与其他样点差异显著的特征.氮和磷是老鹳河调控浮游细菌群落结构和水体富营养化的主要因子,氮输入的变化会造成河流不同区域氮代谢功能的改变.     

滇池沉积物中磷的释放行为研究

滇池分为草海和外海两个水体,且草海污染较外海严重,但是外海的藻类爆发的频率和强度都高于草海。通过实验室模拟,研究了滇池草海与外海沉积物中磷的释放行为及其藻类爆发程度不同的原因。结果表明,两个沉积物中磷的释放动力学都表现了非单一的扩散过程,拟二级动力学模型可以较好描述释放过程。草海比外海总磷高7倍,但是在水中的释放只高2倍。对两个沉积物而言,由于与表面附着的磷有竞争作用,溶解胡敏酸的加入都显著增大了磷的释放。与草海相比,外海的水交换速率慢、水深浅、沉积物有机质含量低、内源磷释放强以及对外源磷缓冲能力弱,这些特征都是有利于藻类爆发的条件。研究表明抑制滇池藻类爆发要同时考虑对外源磷和内源磷的控制。     

百乐克(BIOLAK)活性污泥宏基因组的生物多样性及功能分析

百乐克(BIOLAK)是一种在全球范围内得到成功推广的多级活性污泥工艺,然而,迄今对于百乐克工艺的核心元件——活性污泥的生物群落及其功能尚鲜见报道.以连云港市大浦工业区废水处理厂为例,借助于新一代高通量测序技术,获得百乐克活性污泥中大规模的宏基因组数据(428 588条高质量DNA序列).鉴定出47个门类、872个属及1 351个物种.细菌域(289 933条序列)中包含33个门,其中变形菌门Proteobacteria是生物量最丰富的门(62.54%),其次是拟杆菌门Bacteroidetes(11.29%)、硝化螺旋菌门Nitrospirae(5.65%)和浮霉菌门Planctomycetes(4.79%),显示这些生物类群在百乐克废水处理系统中发挥着关键作用.在748个细菌属中,硝化螺菌属Nitrospira(5.60%)最为丰富,为活性污泥氮循环过程中的关键菌群.其次为芽单胞菌属Gemmatimonas(2.45%),是生物除磷过程的重要菌属.在古菌域(1 019条序列)中鉴定出3个门及39个属.在真核域(1 055序列),鉴定出10个门及60个属,其中,纤毛虫门Ciliophora是最大的门(257条序列).同时,检测到448条病毒序列,主要为噬菌体.在百乐克活性污泥中,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因比例分别为2.50%、2.28%和1.56%,均高于美国和澳大利亚两个废水处理厂活性污泥中功能基因的比例.在氮代谢的4个过程中,反硝化相关基因所占比重最高,达到80.81%,其次是氨化(12.78%)、硝化(4.38%)和固氮(2.04%).总之,在百乐克活性污泥中蕴藏着惊人的生物多样性,同时,参与氮、芳香化合物和磷代谢的功能基因非常丰富.     

滇池沉积物内源氮释放风险及控制分区

采用淹水培养法测定了滇池20cm沉积物可释放态氮(EN)、潜在可释放态氮(MN)及稳定态氮(FN)含量,并分析了其空间分布特征,结合沉积物定年数据计算了不同形态氮蓄积量.依据沉积物-水界面氮释放通量、EN蓄积量及MN蓄积量对滇池沉积物内源氮污染状况进行分区,评估了不同区域滇池沉积物内源氮释放风险,并对不同分区提出了污染控制措施.结果表明,滇池沉积物内源氮释放风险:外海南部 >外海北部 >外海中部 >草海,潜在释放风险:外海南部 >外海中部 >草海 >外海北部;滇池沉积物氮污染有由北向南转移趋势;滇池全湖20cm沉积物蓄积TN5757.90t,EN637.72t,MN1320.76t,FN3799.42t.根据沉积物氮污染滇池可划分为高污染区、中度污染区、低污染区及安全区,分别占全湖面积的13.51%、15.02%、46.06%、25.42%,其中高污染区主要分布在草海、外海北部盘龙江附近;中度污染区主要分布在高污染区以下从宝象河到观音山区域及滇池出水口海口等区域;低污染区主要分布在中度污染区以下从广谱大沟到整个外海南部区域.高污染区可采取底泥环保疏浚技术,中度污染区可采取安全生态性高的原位控制技术,低污染区可采取覆盖技术,配合水生植被修复技术.     

滇池水体BOD5和CODMn空间变化研究

通过对滇池进行全湖集中采样和分析,揭示了滇池水体五日生化需氧量(BOD5)和高锰酸盐指数(CODMn)的空间变化规律.BOD5和CODMn变化范围分别是2.3～7.9mg/L,5.1～15.4mg/L,BOD5平均值草海(5.9mg/L)高于外海(5.1mg/L)CODMn平均值外海(10.17mg/L)高于草海(8.67mg/L),2个指标在入河口水域都相对较高.水平方向上,BOD5变化特点是南北高,中间低,西部高,东部低.垂直方向向上BOD5随水深增加递减.而CODMn的高值区域主要出现在草海和外海海埂、盘龙江、大青河入湖口水域、西部观音水域以及东北部宝象河、东部梁王河和捞鱼河入湖口水域、东南柴河入湖口水域.垂直方向上,从表层到水-沉积物界面水体,其CODMn都呈增加趋势.随着工业点源污染的控制,城市生活污水的排入和面源有机污染物的输入以及内源释放是决定滇池BOD5和CODMn空间变化的主要原因.     

基于绝对主成分-多元线性回归的滇池污染源解析

定量解析污染源是湖泊流域水环境管理的重要基础.基于滇池草海和外海多年水质监测数据,采用主成分分析（PCA）方法识别了主要水质指标的污染源类型,利用绝对主成分-多元线性回归模型（APCS-MLR）得到不同污染源对水质的贡献程度.结果表明,草海主要的污染源有农业面源、城市面源和内源3类,外海的主要污染源是农业面源、城镇生活污染源、城市面源和内源4类.与河流水污染源解析结果不同,底泥内源与气象因子对滇池主要水质指标的影响较大.     

滇池表层沉积物对磷的吸附特征

在室内模拟条件下,从滇池表层沉积物对磷的吸附动力学与热力学两个角度出发,研究了滇池沉积物对磷的吸附特征,同时探讨了不同磷形态对磷吸附特性的影响,结果表明:1滇池不同形态磷含量顺序为:有机磷钙(O-P)钙结合态磷(Ca-P)金属氧化物结合态磷(Al-P)残渣态磷(Res-P)可还原态磷(Fe-P)弱吸附态磷(NH4Cl-P);2沉积物对磷的吸附动力学过程分为2个阶段,即快吸附和慢吸附阶段.快吸附阶段主要发生在0~0.5 h内,而慢吸附阶段主要发生在0.5~4 h.滇池沉积物对磷的吸附过程主要在4 h内完成.3外海北部上覆水磷酸盐(SRP)浓度低于沉积物中磷的吸附/解吸平衡浓度(EPC0),可初步判断该区域沉积物有向上覆水体释放磷的风险.4不同区域沉积物磷的最大吸附量(Qmax)和总最大吸附量(TQmax)均以外海南部最大.5沉积物本底吸附态磷含量(NAP)与钙结合态磷(Ca-P)呈显著正相关关系(R2=0.5139,p0.05),而其他吸附特征参数与磷形态之间相关性均不显著.6与洱海、太湖等湖泊相比,滇池沉积物磷的本底吸附态磷(NAP)和最大吸附量(Qmax)均处于较高水平,磷污染较为严重.     

滇池水质1999-2008年时空变化特征

以滇池常规的水质监测数据为基础,运用因子分析法对滇池1999-2008年的水质进行综合评价,并以水质综合评价得分作为监测点位的空间属性值,采用空间插值法定量分析10年间滇池水质的时空变化特征。研究期间内,滇池水质总体呈现不断恶化的趋势,氮磷污染一直是滇池的主要污染类型。滇池南部区域水质一直优于北部和中部区域,尤其是草海和外海交界区域的水质在全湖是最差的。南部片区水质在整个滇池最好,但也呈现出不断恶化的趋势。     

截污调水后滇池表层沉积物中16种PAHs的分布特征

截污调水等工程实施后,滇池的外源污染已得到有效控制,表层沉积物等内源污染物应加以重视.为研究滇池表层沉积物中16种多环芳烃(PAHs)的分布特征,采用气相色谱-质谱联用法(GC-MS)分析了2016年12月采集的19个滇池表层沉积物样品的PAHs含量,解析其时空分布规律、来源及生态风险.滇池表层沉积物中总多环芳烃(TPAHs)的含量范围为92. 31～1 546. 78 ng·g~(-1),平均值为496. 30 ng·g~(-1),草海TPAHs含量(平均932. 37 ng·g~(-1))远高于外海(平均380. 02ng·g~(-1)),随着截污调水工程的开展,TPAHs含量较2012年大幅下降,已处于我国重点水域中较低水平.滇池表层沉积物中含量最高的物质为荧蒽(80. 65 ng·g~(-1)),毒性当量(TEQ)含量最高的物质为二苯并[a,h]蒽(42. 97 ng·g~(-1)). PAHs组成以4环及5～6环为主(分别占总含量的40. 38%和40. 22%),PAHs构成较以往大体一致.分子比值法分析结果表明,滇池表层沉积物中PAHs主要由生物质或煤的燃烧贡献.基于潜在生态风险标志对比法评估,全湖总体处于低风险水平,但草海的生态风险相对较高,值得进一步关注.本研究结果可为滇池水质的保持与提升提供基础数据和重要参考.     

滇池富营养化发展趋势分析及其控制对策

1988～1999年滇池监测数据的统计分析表明,滇池水质在继续恶化,全湖水质超V类,富营养化程度呈上升趋势.近10年来,滇池主体外海TP浓度增加了一倍多,叶绿素a增长了十几倍,营养水平由富营养发展到严重富营养,增加了两个级别,发展趋势近年来尤为明显.P是近10年来滇池水体中增长最快的营养盐,水体中P浓度的持续增     

滇池沉积物不同分子量溶解性有机质分布及其与Cu和Pb的相互作用

采用平衡渗析法、离子计和光谱分析等技术研究了滇池表层沉积物中DOM(溶解性有机质)的分子量分布特征及不同分子量的DOM对Cu和Pb的结合能力. 结果表明,草海和外海沉积物中DOM的分子量组成有显著差异. 草海沉积物中DOM主要以分子量为3.5~5.0ku的组分为主;外海沉积物中DOM以分子量为0.5~2.0ku的组分为主. 滇池各级分子量DOM的腐殖化程度(以A3/A4计,A3、A4分别为DOM在300、400nm处的紫外吸光度)在1.57~6.00之间,而且DOM腐殖化程度和芳香性随着分子量的增加而增大. 离子计分析和三维荧光光谱特征表明,Cu趋向于和分子量为2.0~3.5ku的DOM结合,而Pb趋向于和分子量≤0.5ku的DOM结合. 用结合容量和分配系数(K_d)表征Cu、Pb与DOM在两相中的结合能力,分子量为2.0~3.5ku的DOM中的w(Cu)最大,草海和外海分别为717.65和340.27mg/g;分子量≤0.5ku的DOM中的w(Pb)最大,草海和外海分别为2988.84和5073.45mg/g.      

滇池表层沉积物中重金属污染特征及评价

对1995~2011年滇池表层沉积物中As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn和Hg等7种重金属的含量及其分布特征进行了分析研究,结果表明,7种重金属元素的平均含量均明显高于云南省土壤背景值,10个沉积物采样点S1~S10均已受到不同程度的重金属污染,其中,草海的污染程度高于外海;相关性和主成份分析结果显示,滇池沉积物中As、Hg、Pb、Cd、Cu、Zn可能具有相同的污染来源。采用地质累积指数法和潜在生态风险指数法对1995~2011年滇池表层沉积物重金属污染状况进行了评价,结果表明,草海表层沉积物中重金属Igeo年均值在0.41~4.44之间,按污染等级划分,除Cr属"轻度"外,其它重金属元素均处于"中度"到"偏重度"污染;同期外海表层沉积物中重金属的Igeo年均值在0.41~2.59之间,Cd和Pb分别属于"中度"和"偏中度"污染,其它5种金属属于"轻度"污染,草海沉积物重金属的污染程度高于外海。草海7种重金属元素的RI均值为861.3,潜在生态危害达到了"严重"程度,各金属的生态危害程度顺序为Cd > Hg > As > Cu > Pb > Zn > Cr,Cd和Hg是主要的重金属生态危害因子;同期外海RI均值为236.4,达到"中等"生态危害程度,各金属的生态危害程度顺序为Cd > Hg > Pb > As > Cu > Cr > Zn,Cd是主要的重金属生态危害污染物。