北京市潮白河再生水补水河段水质时空变异

城市河道是城市再生水利用的主要载体,而人工湿地是城市再生水河道补水前主要的水质净化方式.为了解再生水补水与人工湿地对再生水补水段水质的影响,选取北京市潮白河再生水补水河段作为研究对象,利用聚类分析、判别分析及因子分析等方法对不同季节水体的水质情况进行分析.结果表明:研究区内水体氮磷污染严重,其中TN污染表现为NO₃--N、NO₂--N和NH₄+-N的混合型污染.聚类分析结果表明,水质在季节尺度上表现为丰水期（6-9月）和枯水期（2月、3月、5月和12月）两大类;在空间尺度上受再生水补水和湿地净化的影响表现为显著的空间差异性.判别分析结果表明,再生水补给对河道水质的影响无显著季节差异,湿地净化功能在丰水期和枯水期差异较大且丰水期湿地的净化效果最为明显.因子分析结果表明,再生水作为城市河道的补充水源,一方面对河道中的F-、Chl-a等起到稀释作用,另一方面使得水体中的N、P及离子含量增加;丰水期湿地的净化作用使水体中氮磷等有机营养物质含量及ρ（TDS）等显著降低.      

城市河道再生水特征水质因子空间变异机制分析

受城市污水处理厂处理工艺的限制和水源来源复杂等因素限制,再生水中富含的无机氮和痕量持久性有机物在河湖补给过程中通过侧向渗漏或生物累积的方式造成潜在人体健康风险.探究再生水补给河道不同类型再生水特征水质因子空间变异规律及其成因对于河湖管理具有重要意义.以北运河京津冀段为研究区域,借助于聚类、判别、主成分和方差分解等方法探究河道水质中常规理化指标、全量指标、无机氮指标、盐分离子和抗生素的空间变化特征.结果表明,不同类型的水质因子虽然在空间分布格局模式具有一致性,均呈现显著的中上游与下游分布,但变异程度和变异机制存在较大差异.无机氮和抗生素空间变化最为明显,而常规理化指标和全量指标变异最弱,盐分离子表现为中等程度的变异.常规理化指标空间变异机制主要体现为以微生物降解为主;全量指标则是由微生物、扩散和二者的协同作用及一定程度源汇同质化效应综合作用的结果;扩散是影响盐分离子空间变异模式的主要作用机制;无机氮空间变异机制主要体现为源汇同质化和微生物降解,扩散作为无机氮空间变异的次要机制与微生物降解具有协同作用;抗生素因化学结构稳定性和生物可降解性存在较大差异,从而表现为较高的空间变异性,且扩散与微...     

北运河京津冀段河道浮游微生物群落多样性变化分析

再生水在缓解城市水资源短缺方面发挥重要作用,但再生水中痕量污染物质与病原体对受纳水体中浮游微生物群落产生影响.基于OTUs和门水平的片段数量和片段丰度的浮游微生物数据矩阵探究北运河京津冀河道微生物群落多样性空间变化机制,结果表明,再生水的频繁汇入引起的物理和化学扰动改变了水体的水文和水质,使浮游微生物群落沿地理尺度分为中上游(MUC)和下游(DC)两个不同的类群.基于OTUs数据矩阵的多样性指数的分析显示DC类群物种多样性显著高于MUC类群,丰度分布及均匀度则呈现相反的趋势;物种丰富度主要由偶见菌群的片段多样性决定,而均匀度则主要由优势菌群的丰度变化决定;不同丰度等级的亚群落结构对空间变化的敏感性依次为:非优势菌群>偶见菌群>优势菌群.基于门水平的数据矩阵的多样性分析同样显示DC类群物种多样性显著高于MUC类群,丰度变化趋势相反;敏感微生物类群为非优势菌门,偶见菌门次之,优势菌门最不敏感;基于门水平片段数量的数据矩阵对环境变化的响应比基于门水平的丰度数据矩阵的响应更加敏感.与微生物类群显著相关的环境因子为排污口尺度的浊度(Turb)、高锰酸盐指数、氧化还原电位(ORP)、大...     

基于16S rRNA高通量测序的北运河水体及沉积物微生物群落组成对比分析

微生物群落在沉积物和水生态系统中的物质循环中发挥重要作用,是水生态系统与沉积物之间污染物质交换的桥梁.但非常规补给水源扰动和闸坝、衬砌截流为主的城市河道水体和沉积物微生物对比研究并不多见,基于此以高度人工化的北运河京津冀段为研究区域,尝试利用高通量测序结果对水体和沉积物微生物群落组成差异进行分析.结果表明,北运河沉积物较水体具有更高的微生物群落α多样性,β多样性则表现为水体中微生物群落较沉积物群落的相似性更高.变形杆菌门（Proteobacteria）丰度在水体与沉积物中无显著差异,且在两种生境条件下均为优势类群.α变形杆菌纲（α-Proteobacteria）、放线杆菌门（Actinobacteria）、蓝藻门（Cyanobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia）在水体中的丰度较高,而γ变形杆菌纲（γ-Proteobacteria）、δ变形杆菌纲（δ-Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门（Firmicutes）和酸杆菌门（Acidobacteria）则在沉积物中有着更高丰度.好氧或兼性厌氧菌为主的水体类群和厌氧菌为主的沉积物类群体现出两者生境差异,沉积物中蕴含的病原菌存在二次释放到水体中的危险.研究结果为揭示高度人工化的、非常规补给水源补充下的和城市河道污染胁迫下的微生物群落变化机制提供科学依据.     

再生水补水对河道底泥细菌群落组成与功能的影响

以北京市永定河麻峪湿地再生水补水河段河道底泥细菌群落为研究对象,联合限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术,16S rRNA基因克隆文库技术和实时荧光定量q PCR技术,分析再生水补水口上游、补水口及补水口下游这3个断面的细菌群落组成与功能特征差异,尝试解释再生水补水对河道底泥细菌群落组成和功能特征的影响.结果表明,再生水中高浓度的碳氮磷含量是导致补水口细菌群落多样性显著升高和群落组成最为丰富的直接原因,人工湿地对碳氮磷浓度有较高的去除效率,净化后底泥细菌群落逐步恢复,表现出上下游相似的细菌群落多样性和结构组成;补水口处细菌群落的优势类群是变形菌门中β-Proteobacteria和δ-Proteobacteria,亚优势类群是Planctomycetes和Actinobacteria,而ε-Proteobacteria、Chloroflexi、Spirochaetes是补水口处的独有类群;氮碳磷循环是再生水补水河道底泥主要的生物地化循环过程,克隆文库中补水口以毛单胞菌属(Comamonas sp.)为优势类群的45.9%的克隆子与氮循环相关,其相对丰度高于上下游(27.7%和23.4%),以溶杆菌属(Lysobacter sp.)为优势类群的17.9%的克隆子与碳循环密切相关,其相对丰度高于上下游(14.4%和12.9%);再生水中携带的痕量病原菌和抗生素等,在一定程度上改变了河道底泥细菌群落碳氮循环的转换方式,表现为补水口处固氮作用主要是红环菌属(Rhodocyclus sp.)通过光合作用实现,上下游以对植物具有促生作用的伯克氏菌属(Burkholderia sp.)为代表进行共生固氮.该研究结果为再生水补水河道人工湿地修复研究提供理论依据.     

衬砌对河道底泥细菌群落同质化的影响

以高度人工化的再生水补给河道—北运河京津冀流域为研究区,对具有不同河道生境类型的上游与中下游底泥中的细菌群落多样性、组成及环境选择模式进行对比分析.结果表明：中下游河道衬砌工程促进底泥生境特征同质化,进而导致中下游底泥细菌群落同质化.上游细菌群落空间周转率（0.0002）相比较,中下游群落具有较低的空间周转率（0.00002）,并在排序图上呈现更紧凑的分布特点.与上游自然生境条件下的群落组成相比较,由于衬砌条件下非优势组分的片段类型多样性较高,优势组分的片段类型多样性及相对丰度较低,最终使得同质化群落表现为较低的丰富度.RDA模型（P=0.002）分析表明,衬砌和TP是影响细菌群落空间变化的主导环境因素,而大环内酯类和四环素类抗生素则对群落结构类内变异起作用.纤维杆菌门（Fibrobacteres）、纤细菌门（Gracilibacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、Acetothermia的片段类型多样性和费希尔菌门（Fischerbacteria）、Kiritimatiellaeota、放线菌门（Actinobacteria）、蓝细菌门（Cyanobacteria）的相对丰度均与衬砌高度相关.     

北运河上游南沙河段与下游城市副中心段鱼类群落分布特征及影响因子研究

根据2019年10月对北运河上游南沙河段与下游城市副中心段鱼类调查数据,采用SPSS统计学方法相关性分析和CCA典范对应分析,研究人为活动因素干扰剧烈的非自然状态条件下,北运河鱼类群落结构及分布特征与环境因子的响应关系.结果表明：在北运河调查到鱼类分属3目5科11属14种,表现为种属偏低、高抗污染、广布型的特征,其中,上游南沙河段鱼类共调查到7种,以麦穗鱼为优势种,典型反映出鱼类群落单一和小型的特征,下游城市副中心段调查到鱼类13种,大鳞副泥鳅、麦穗鱼、泥鳅为优势种.北运河鱼类群落多样性指数整体偏低,上游南沙河段Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数均低于下游城市副中心段鱼类群落各指数,主要与鱼类群落单一小型、栖息地环境及人类活动等因素有关.影响鱼类群落分布的环境因子中,ρ（NO₃^--N）、ρ（TP）、ρ（COD）对上游南沙河段鱼类群落的分布影响较大,ρ（NH₄⁺-N）、ρ（TP）对下游城市副中心段鱼类群落分布影响较大,多样性指数均表现出与ρ（TP）、ρ（TN）、ρ（NO₃^--N）呈显著负相关（p<0.01）,表明上、下游河段不同的水质状况与鱼类群落分布和多样性特征有一定关联性.未来北运河鱼类群落的恢复应重点围绕水质改善、丰富生境营造等工作开展.该研究可为北运河流域管理特别是河道生态修复工作提供依据,具有一定的区域指导意义.     

城市再生水河道沉积物细菌群落空间变化分析:以京津冀北运河为例

沉积物细菌因其在能量流动和污染物循环转化中发挥重要作用.关注沉积物细菌空间分布格局变化是深入了解其多样性产生和维持机制的前提.基于此,本文以流经京津冀地区以再生水为补给水源的北运河为研究区,对沉积物细菌群落界、门、纲、目、科、属、种和OTUs（operational taxonomic units）等不同分类水平空间变化模式及其形成机制进行分析.结果表明,较高的分类水平上、中、下游样点具有更均质化的分布格局,而较低分类水平样点具有更加清晰的分布界限和范围;不同地理空间尺度下的群落结构差异性随分类水平的降低呈组间差异逐渐增大和组内相似性逐渐减小的变化趋势.以弗兰克氏目（Frankiales）和红细菌目（Rhodobacterales）为代表的典型根际微生物呈现上游显著富集、中游次之、下游显著减少模式,以厌氧绳菌目（Anaerolineales）和脱硫杆菌目（Desulfobacterales）为代表的与碳、氮和硫循环相关的微生物集中呈现中游显著富集、下游次之、上游显著减少模式,以苯基杆菌属（Phenylobacterium）为代表的菌属在上游显著富集、中游次之、下游显著减少模式,以产气梭状芽孢杆菌（Clostridium_gasigenes）和奥斯陆莫拉菌（Moraxella_osloensis）为代表的致病菌呈现中游显著富集的模式.沉积物中Ca²⁺、SO₄^2-和TOC表现为下游浓度高于上游和中游地区.下游未处理和经处理废水排放导致沉积物中盐分离子和TOC显著升高,而高度人工化的城市河道生态修复工程对水质和沉积物的净化作用是导致上、中游盐分离子和TOC显著降低的间接原因.环境选择为主、地理扩散为辅的共同作用模式决定了北运河沉积物细菌群落空间变化模式.     

北运河浮游细菌集合群落空间变化的环境解释

环境选择在精细地理尺度河流浮游细菌多样性构建机制中的贡献已得到普遍认同.为回答浮游细菌集合群落中核心分类操作单元（Core Operational Taxonomic Units,Core OTUs）和特有分类操作单元（Unique Operational Taxonomic Units,Unique OTUs）是否具有相同的环境选择模式这一关键科学问题,本研究以高度人工化的北运河京津冀段为研究区域,尝试结合水质监测结果和高通量测序结果分别对核心OTUs局域群落和特有OTUs局域群落的空间变异进行环境解释.结果表明：北运河京津冀段水环境污染主要表现为再生水补给导致的无机氮和钙、镁盐分离子污染及再生水补给口物理扰动导致的有机污染两大类.浮游细菌集合群落中的核心OTUs局域群落结构的相似性明显高于特有OTUs局域群落结构,且二者空间变化规律及其环境驱动模式存在较大差异.核心OTUs局域群落空间分布规律与区域尺度地理空间分布模式具有较高一致性;与其空间变化相关程度最高的环境因子是TN、硝酸盐氮（NO₃^--N）、K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺.氮和盐分离子随水流方向呈现显著下降趋势,与地理扩散距离表现出较强的协同变化规律.特有OTUs局域群落不具有显著的地理空间分布模式;与其空间分布有关的环境因子是温度（T）、氧化还原电位（ORP）和pH值;再生水补给口物理扰动对水文水质的间接影响.