基于微生物生物完整性指数的地下水生态系统健康评价:以包钢稀土尾矿库周边地下水生态系统为例

生物完整性指数是水体生态系统健康评价的重要指标,已被广泛应用于湖泊河流等的生态系统健康评价中.但利用水体中分解者微生物群落构建IBI评价标准的报道很少,针对地下水生态系统的研究更是鲜见.本研究针对包钢稀土尾矿库周边地下水生态系统健康开展评价工作,基于地下水环境中微生物群落Illumina高通量测序信息,筛选关键环境因子,甄别敏感或耐受微生物分类属,确定候选生物参数,探索针对地下水的微生物完整性指数(microbiome index of biotic integrity,M-IBI)评价流程与标准构建方法.结果表明,总计12个地下水样点中,4个样点属于健康等级(Ⅰ级),占总样点的33.3%;2个样点属于亚健康等级(Ⅱ级),占总样点的16.7%;5个样点属于一般等级(Ⅲ级),占41.7%;1个样点属于较差等级(Ⅳ级),占8.3%;总体来看,靠近尾矿库的样点健康等级较低,而远离尾矿库参照点受到的干扰较小,健康等级较高,这可能与人类活动干扰影响程度密切相关.参照该地区地下水理化参数基础上的水质情况分析结果,发现应用M-IBI指数可较合理地评估包头稀土尾矿区周边地下水生态系统健康状况.结合生态系统健康内涵,本研究初步提出针对地下水生态系统健康的M-IBI指数评价体系构建流程.     

尾矿库周边地下水对SD大鼠的毒性效应研究

金属冶选尾矿库渗漏对其周边区域地下水环境造成的复合污染是一个普通存在的问题。为了明确某尾矿库周边地下水污染对生物的影响状况,以该尾矿库周边地下水为实验用水,以SD大鼠为实验动物,进行尾矿库周边地下水污染对SD大鼠的毒性效应研究。实验中尾矿库周边地下水中污染物监测采用电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)、分光光度法和滴定法;SD大鼠的饮食行为和体重测定采用称量法和统计法;SD大鼠肝、肾细胞DNA的损伤检测采用单细胞凝胶电泳法。结果显示,尾矿库周边地下水中的硫酸盐、硝酸盐氮、Zn等污染物均有不同程度的超标现象。尾矿库周边地下水污染对SD大鼠的生长性能有抑制作用。尾矿库周边地下水污染对SD大鼠肝、肾细胞的DNA损伤作用显著(p0.05),受损程度随着与尾矿库距离的减少而增加;尾矿库周边地下水中硝酸盐氮、Zn污染与肝、肾细胞DNA损伤之间具有相关性(p0.05)。结果表明尾矿库渗漏水对周边地下水造成了不同程度的污染,受污染的周边地下水对SD大鼠具有较强的毒性效应。     

不同芳香烃对地下水中细菌群落结构的影响

为给化工污染地下水进行污染评价和自然修复提供理论支持,揭示不同芳香烃污染地下水中微生物群落结构与污染物的响应关系,该文选取江苏省常州市某典型污染场地为研究对象,采集6样点4季节共24组具有代表性的地下水水样,采用水化学分析方法和高通量测序方法对其理化因子与细菌群落结构进行测定分析。地下水理化结果表明,地下水中的氯苯、二氯苯、甲苯与二甲苯浓度严重超过国家标准,该地块地下水受到较为严重污染。微生物群落结构解析结果显示,研究区域地下水的细菌群落以变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门为主。相关性分析结果表明,该地块环境因子对地下水样品中的微生物群落结构的影响程度为：甲苯>NH₃-N>邻二氯苯>对、间二甲苯>邻二甲苯>对二氯苯>NO₃^->总有机碳>氯苯>间二氯苯>pH>SO₄^2-。甲苯与二甲苯对研究区域地下水微生物群落结构的影响明显大于氯苯与二氯苯。     

海洋沉积物中硫酸盐还原菌和硫氧化菌群落分析方法的比较

硫酸盐还原菌(sulfate-reducing prokaryotes,SRP)和硫氧化菌(sulfur-oxidizing prokaryotes,SOP)在硫的生物地球化学循环中发挥着极为重要的作用.本文以SRP作为高丰富度高多样性菌群代表,针对于SRP所共有的异化型亚硫酸盐还原酶(dissimilatory sulphite reductase,DSR)中的β亚基基因(dsr B),通过克隆文库技术、454高通量测序技术和Illumina高通量测序技术对其群落特征进行比较分析.结果表明,Illumina高通量测序技术优于454高通量测序技术和克隆文库技术,特别在低丰度物种的检测方面,Illumina高通量测序技术具有明显优势.以SOP soxB基因(~750 bp)作为较长基因片段的代表,分别采用454高通量测序技术和Illumina单端高通量测序技术对SOP群落组成和多样性信息进行比较分析,结果表明,454高通量测序技术在读长上的优势并未体现出来,而Illumina单端高通量测序技术优于454高通量测序技术.     

基于微生物生物完整性指数的城市河道生态系统健康评价

生物完整性指数(index of biotic integrity,IBI)已被广泛运用于河流生态系统的健康评价。然而,目前基于微生物的IBI评价方法很少,针对城市河道的相关研究更是缺乏。本研究采用Illumina高通量测序技术,对浙江省内5条城市河道的微生物群落多样性及组成进行了分析。通过典型相关分析(canonical correlation analyses,CCA)和Spearman相关性分析水质对微生物组成的影响,明确受水质变化影响显著的微生物类群,与特定功能菌群一并作为备选指标。对备选指标进行分布范围、判别能力及Pearson相关性分析,筛选出香农多样性指数、微生物分类单元数、疣微菌门相对丰度、绿菌门相对丰度和分支杆菌属相对丰度等参数指标,初步构建了适合浙江城市河道的微生物生物完整性指数(microbiome index of biotic integrity,M-IBI)指标体系。采用比值法对生物指标计分,评价结果显示:总计22个样点中,9个样点为“健康”等级,占总样点的40.9%;10个样点为“亚健康”等级,占总样点的45.5%;2个样点为“一般”等级,占总样点的9.1%;1个样点为“较差”等级,占总样点的4.5%。各采样点M-IBI值可有效反映水体受干扰程度,且与水质状况基本吻合(R=0.753,P0.01),表明M-IBI可以较合理地评价城市河道生态系统健康状况。     

土壤剖面重金属污染对微生物群落结构的影响

为探明重金属污染土壤剖面对微生物群落结构和微生物多样性的影响,该文以重金属污染严重区（焦化园区）作为研究区域,选择了焦化园区上下风向及园区内部共3个土壤剖面,对重金属含量、土壤理化性质以及微生物群落结构进行分析测定。结果表明,研究区域中土壤剖面重金属Cr和Zn污染最严重,Cd和Hg污染最小。由于焦化园区重金属含量明显高于周边区域,证明焦化生产对土壤剖面重金属含量产生较大影响。高通量测序结果表明,土壤剖面微生物群落的优势菌种为酸杆菌门,平均含量为27.20%。多样性指数分析结果表明,焦化园区周边微生物多样性随着土壤深度加深而减少。为探究其影响原因,对重金属浓度及土壤理化性质与微生物多样性相关数据进行相关性分析,分析结果可知,重金属和土壤有机质均与微生物多样性有显著相关性,其中重金属Pb是微生物多样性最重要的影响因素。此外,通过冗余分析发现,微生物中酸杆菌门及放线菌门对重金属污染具有较强耐受力。     

应用蚕豆微核技术监测尾矿库周边地下水污染

应用蚕豆根尖微核技术对北方某尾矿库水质进行监测,测定18个尾矿库周边地下水样蚕豆根尖细胞的微核千分率(MCN‰)以及污染指数(PI),并进行F检验。结果表明:各样点MCN‰差异性显著(P2,属于中度污染;8个采样点PI<2,属于轻度污染,其中有2个样点PI值虽然小于2,但均为1.95,接近2;另有2个采样点PI小于1.5,属于基本无污染,这一结果表明尾矿库周边的地下水水质受到不同程度的污染。运用SPSS18.0软件将MCN‰与水质的各项理化指标进行了相关性分析,结果表明,MCN‰与Cl-、Na+、HCO3-相关性显著(P<0.05)。     

基于454和Illumina高通量测序平台对长江口邻近海域沉积物微生物群落的比较分析

作为第二代测序技术的主要平台, 454和Illumina测序方法在微生物核酸分析方面有着广泛应用。本研究以16S rRNA基因为标靶, 分别采用454和Illumina测序技术对长江口邻近海域表层沉积物中的微生物DNA进行分析, 通过对序列长度、微生物群落多样性及组成进行比较, 分析两种方法在沉积物微生物群落结构研究方面的适用性。结果表明, Illumina测序获得的序列数和OTU数要多于454, 其中获得的OTUs中以非优势菌群为主。Illumina与454相比能够检出更多微生物菌群, 且检测到的稀有菌群占有较大比例。综上可知, Illumina测序技术在分析微生物群落多样性及物种组成方面要优于454测序技术, 454的长序列优势并未能体现出来, 且454测序技术可能低估了微生物组成及其多样性。     

基于微生物生物完整性指数的城市河道生态系统健康评价

生物完整性指数(index of biotic integrity,IBI)已被广泛运用于河流生态系统的健康评价.然而,目前基于微生物的IBI评价方法很少,针对城市河道的相关研究更是缺乏.本研究采用Illumina高通量测序技术,对浙江省内5条城市河道的微生物群落多样性及组成进行了分析.通过典型相关分析(canonical correlation analyses,CCA)和Spearman相关性分析水质对微生物组成的影响,明确受水质变化影响显著的微生物类群,与特定功能菌群一并作为备选指标.对备选指标进行分布范围、判别能力及Pearson相关性分析,筛选出香农多样性指数、微生物分类单元数、疣微菌门相对丰度、绿菌门相对丰度和分支杆菌属相对丰度等参数指标,初步构建了适合浙江城市河道的微生物生物完整性指数(microbiome index of biotic integrity,M-IBI)指标体系.采用比值法对生物指标计分,评价结果显示:总计22个样点中,9个样点为"健康"等级,占总样点的40. 9%;10个样点为"亚健康"等级,占总样点的45. 5%; 2个样点为"一般"等级,占总样点的9. 1%; 1个样点为"较差"等级,占总样点的4. 5%.各采样点M-IBI值可有效反映水体受干扰程度,且与水质状况基本吻合(R=0. 753,P 0. 01),表明M-IBI可以较合理地评价城市河道生态系统健康状况.     

内蒙古白云鄂博矿区土壤稀土元素污染特征及评价

白云鄂博矿床是世界上最大的轻稀土矿床,在长期开采过程中向周围环境中释放了大量的稀土元素.为了制定有效地修复方案,必须对稀土元素的浓度、空间分布、分布模式、污染水平和生态风险进行分析和评价.结果表明,土壤样品总稀土含量平均值为6064.95 mg·kg^-1,高于对照点（207.44 mg·kg^-1）、内蒙古（150.95 mg·kg^-1）和中国（184.72 mg·kg^-1）土壤背景值,说明周边土壤出现稀土富集现象.轻稀土元素占到稀土总量的83%~99%,Ce是最主要的轻稀土元素.总稀土的高值区域主要集中于矿源附近,分布极不均匀,受外界干扰较大.各个功能区稀土球粒陨石标准化模式相似,归一化曲线向右倾斜,轻重稀土分馏明显.δCe和δEu的计算显示土壤具有明显的Ce正异常和Eu负异常.La/Yb、La/Sm和Gd/Yb的比值表明,土壤中稀土元素的分布模式是轻稀土元素富集,而且轻稀土元素较重稀土元素具有更为显著的分馏作用.采用4种方法对研究区土壤中稀土元素污染状况和生态风险进行评价.地累积指数计算表明Ce、Nd、Pr和La的均值达到了重污染程度.校正污染程度评价结果显示,不同功能区稀土元素的平均mC_d值范围为7.14~31.38,尾矿库属于高污染水平,居民区和工业区属于非常高污染水平,而采矿区和排土场则达到极高污染水平.污染负荷指数评价显示尾矿库属于中度污染水平,其余功能区则达到重度污染水平.白云鄂博矿区土壤中稀土元素的潜在生态风险指数范围为120.99~6376.46,33%的样点呈现出极强生态风险,16%的样点呈现很强的生态风险,12%的样点呈现较强的生态风险,30%的样点呈现中等风险,只有9%的样点呈现较低的生态风险.因此,亟待采取有效地措施来控制白云鄂博矿区土壤中稀土元素的污染和潜在生态风险.